李兆祥，李耀亮，吳祥國，朱偉勝

（華能羅源發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 福州 350600）

隨著國內(nèi)大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組相繼投入商業(yè)運(yùn)行，P92 鋼因具有良好的熱強(qiáng)性和抗氧化性而被廣泛應(yīng)用于機(jī)組的高溫高壓蒸汽管道［1-2］。但是由于P92 鋼合金含量高、淬硬傾向大，焊接時(shí)熔池黏度大、流動(dòng)性差，若焊接工藝控制不當(dāng)，易出現(xiàn)未熔合、裂紋等缺陷，且此類缺陷尺寸較小。使用常規(guī)超聲波檢測時(shí)，此類缺陷反射能量較低，單從波形和能量上判斷，容易出現(xiàn)漏檢或誤判。焊縫中遺存的缺陷在高參數(shù)和負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)的惡劣工況下，容易成為引發(fā)裂紋的源頭，即使微小裂紋也會(huì)逐漸擴(kuò)展直至引發(fā)焊縫斷裂，造成嚴(yán)重的安全事故。

某電廠660 MW 機(jī)組主蒸汽額定壓力29.3 MPa、額定溫度605 ℃，其蒸汽管道采用了P92 耐熱鋼。在機(jī)組投產(chǎn)后的隱患排查中，常規(guī)超聲波檢測發(fā)現(xiàn)某P92主蒸汽管道對接焊縫存在多處缺陷反射信號(hào)，按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，大部分缺陷未達(dá)到判廢標(biāo)準(zhǔn)，可不做處理。為慎重起見，使用TOFD和相控陣檢測技術(shù)對P92 對接焊縫進(jìn)行復(fù)檢，精確測出缺陷的深度、長度及自身高度，發(fā)現(xiàn)該焊縫確實(shí)存在多處超標(biāo)缺陷，現(xiàn)場解剖驗(yàn)證主要為微小裂紋。

1 現(xiàn)場檢測情況

1.1 焊縫情況

該電廠1 號(hào)鍋爐主蒸汽管道材質(zhì)為SA-335 P92，焊縫規(guī)格為ID 292 mm×84 mm，采用雙V 型坡口，對口間隙2～3 mm，坡口角度60°～70°，鈍邊1～1.5 mm，焊縫現(xiàn)場布置如圖1 所示。查閱焊縫安裝時(shí)的焊接、熱處理以及無損檢驗(yàn)等方面資料，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。其中焊接熱處理大致情況如下：焊前預(yù)熱溫度200～250 ℃，全氬弧焊打底，手工電焊焊接過渡、蓋面，打底焊時(shí)坡口內(nèi)部進(jìn)行氬氣保護(hù)；焊縫整體焊接完畢后緩慢冷卻至100 ℃，均溫2 h，確保焊縫組織完成馬氏體轉(zhuǎn)變；然后進(jìn)行焊后熱處理，以不大于74 ℃/h 的速度升溫至760 ℃，恒溫6 h，恒溫結(jié)束后以不大于74 ℃/h的速度冷卻至室溫。此外，因P92鋼具有延遲裂紋傾向，故常規(guī)超聲、磁粉等無損檢驗(yàn)安排在焊縫熱處理結(jié)束24 h 后進(jìn)行，安裝時(shí)所有檢驗(yàn)均合格。

圖1 P92管道對接焊縫布置示意圖Fig. 1 Layout diagram of the P92 steel pipe butt weld

1.2 常規(guī)超聲波檢測

常規(guī)超聲波檢測是通過在探頭晶片上施加電壓，晶片振蕩產(chǎn)生超聲脈沖波，射入被檢物體，缺陷處的反射波回到晶片，被轉(zhuǎn)化成高頻電壓，通過接收、放大進(jìn)入示波器，示波器將缺陷反射波顯示在屏幕上。常規(guī)超聲波檢測技術(shù)通常采用一個(gè)壓電晶片，只能產(chǎn)生束角度固定的超聲波，且傳遞方向和方式不能改變，其工作原理如圖2 所示［3-4］。按照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測第3 部分：超聲檢測》［5］對P92 鋼對接焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)。檢測設(shè)備選用漢威HS610e 型數(shù)字式超聲波探傷儀，檢測方法如下：采用2.5 MHz 13 mm×13 mm K1 探頭進(jìn)行縱、橫向掃查，選擇2.5 MHz 13 mm×13 mm K2 探頭補(bǔ)充檢測焊縫近表面缺陷，檢測靈敏度為φ2 mm×40 mm-16 dB，表面耦合補(bǔ)償4 dB，橫向缺陷檢測時(shí)靈敏度再提高6 dB；檢測校驗(yàn)試塊型號(hào)為CSK-ⅠA、CSK-ⅡA和RB-C，耦合劑為機(jī)油。

圖2 常規(guī)超聲波檢測技術(shù)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of conven‐tional ultrasonic testing technology

經(jīng)常規(guī)超聲波檢測，發(fā)現(xiàn)P92 對接焊縫在30～60 mm深度范圍內(nèi)存在多處缺陷反射波回波，探頭測得最高反射波波幅超過判廢線2 dB，缺陷測量長度約為30 mm，檢測出的缺陷波幅當(dāng)量大小、深度以及長度等數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可知，焊縫超聲波檢測共發(fā)現(xiàn)12處缺陷，其中#1～#3為超標(biāo)缺陷，其余9 處為可記錄缺陷。在檢測過程中發(fā)現(xiàn)3處超標(biāo)缺陷的反射波波形具有相同特征，即缺陷反射波波峰呈鋸齒狀，探頭移動(dòng)時(shí)，反射波波幅有起伏，探頭定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)方向都有反射信號(hào)且波幅也不相同。常規(guī)超聲波檢測無法直接定性地給出缺陷結(jié)果，通過對缺陷波形特征進(jìn)行分析，初步判斷3 處超標(biāo)缺陷為條狀?yuàn)A渣缺陷，其余9 處可記錄缺陷的反射波波峰均位于DAC 曲線Ⅱ區(qū)即定量線和判廢線之間，缺陷反射波波幅較低，缺陷測長以點(diǎn)狀類缺陷為主，按目前常規(guī)超聲波評判標(biāo)準(zhǔn)，如果不能確定缺陷為危害性缺陷，則按點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行判定，該類缺陷可不處理。因此，按照現(xiàn)有超聲檢測結(jié)果，只需要對3處超標(biāo)缺陷進(jìn)行局部返修即可。但是電廠對高壓管道安裝過程中的P92鋼焊接工藝要求極為嚴(yán)苛，不允許在焊接過程中出現(xiàn)較多缺陷。鑒于有研究發(fā)現(xiàn)有的P92鋼焊縫缺陷在常規(guī)超聲檢測中顯示回波較低，但在焊縫解剖時(shí)卻發(fā)現(xiàn)存在層間微裂紋，此類管道裂紋在高溫高壓運(yùn)行過程中會(huì)逐漸擴(kuò)展直至引發(fā)焊口斷裂，造成嚴(yán)重的安全事故［6-8］。為避免微小裂紋等危害性缺陷被漏檢和誤判，決定采用TOFD 檢測對該焊縫進(jìn)行復(fù)檢。

表1 P92鋼對接焊縫中檢出的缺陷信息Table1 Defect information detected in P92 steel butt weld

1.3 TOFD檢測

TOFD 檢測是利用缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)來分析缺陷位置及尺寸的一種超聲檢測方法，檢測系統(tǒng)配置兩個(gè)探頭，發(fā)射探頭發(fā)射聲脈沖，接收探頭先接收直通波再接收底面反射波，如果存在缺陷，則在直通波和底面反射波之間還會(huì)接收到缺陷端點(diǎn)的衍射波，其工作原理如圖3 所示［9］。按照NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測第10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》［10］對P92 鋼對接焊縫進(jìn)行復(fù)檢。檢測設(shè)備采用以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的ISONIC 2010 檢測儀，TOFD 檢測選用聲束角度為60°、直徑為6 mm、頻率為5 MHz的縱波探頭，并以直通波波幅達(dá)滿屏高度的80%作為掃查靈敏度。

圖3 TOFD檢測技術(shù)原理圖Fig. 3 Schematic diagram of TOFD detection technology

根據(jù)焊縫布置P92 對接焊縫TOFD 掃查分為4 個(gè)區(qū)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)，檢測結(jié)果如圖4 所示。由圖4可知，焊縫底部與上部無明顯缺陷顯示，焊縫中部區(qū)域存在大量點(diǎn)狀缺陷和較多條形缺陷，主要集中在Ⅱ、Ⅲ區(qū)。依據(jù)文獻(xiàn)［10］中的Ⅰ級(jí)評定要求，判定焊縫存在5 處超標(biāo)缺陷，其中#1、#2和#3缺陷的TOFD 顯示圖像為不連續(xù)的曲線并有一定長度的平坦顯示，邊緣不大清晰，總體亮度不高；#4 和#5 缺陷的TOFD 顯示圖像為典型圓弧形狀，邊緣較清晰，總體亮度較高。進(jìn)一步對比ASME 給出的典型缺陷的TOFD 示意圖，判斷#1、#2 和#3 缺陷為夾渣，#4 和#5 缺陷為裂紋，而常規(guī)超聲波檢測僅發(fā)現(xiàn)了夾渣缺陷，未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。由于TOFD 檢出了裂紋缺陷，為慎重起見，利用相控陣檢測對超標(biāo)缺陷做進(jìn)一步確認(rèn)。

圖4 焊縫TOFD圖譜Fig. 4 TOFD atlas of welds

1.4 相控陣檢測

相控陣檢測技術(shù)接收的也是缺陷反射波，與常規(guī)超聲波檢測技術(shù)不同的是其探頭由多個(gè)小的晶片按照一定的序列組成，檢測時(shí)，按照預(yù)定的規(guī)則和時(shí)序?qū)μ筋^中的一組或全部晶片分別進(jìn)行激活，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，進(jìn)行成像掃描并顯示出缺陷的位置、高度、形狀等，其工作原理如圖5所示［11-12］。

圖5 相控陣檢測技術(shù)原理圖Fig. 5 Schematic diagram of phased array testing

按照NB/T 47013.15—2015《承壓設(shè)備無損檢測第15 部分：相控陣超聲檢測》［13］對P92 鋼對接焊縫的超標(biāo)缺陷進(jìn)一步復(fù)檢。檢測設(shè)備采用以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的ISONIC 2010 型便攜式多功能相控陣探傷儀，選用頻率5 MHz、晶片間距0.5 mm、晶片數(shù)量32 個(gè)的相控陣探頭進(jìn)行焊縫掃查，并根據(jù)焊縫寬度、厚度及坡口形式調(diào)整掃查角度、步進(jìn)偏移和聚焦深度。同時(shí)利用CSK-ⅡA 試塊進(jìn)行角度補(bǔ)償和靈敏度校準(zhǔn)，TCG方式進(jìn)行靈敏度設(shè)置，參照超聲檢測規(guī)定將掃查基準(zhǔn)靈敏度提高14 dB，并根據(jù)掃查面的表面粗糙度再提高3 dB 進(jìn)行補(bǔ)償，降低6 dB 進(jìn)行缺陷評定［14］。

TOFD 檢出的5 處超標(biāo)缺陷的相控陣檢測結(jié)果如圖6 所示，每個(gè)圖譜主要由右側(cè)A 掃圖和左側(cè)C 掃圖構(gòu)成。由圖6 可知，#1、#2 和#3 缺陷的A掃圖顯示缺陷反射波峰不是很尖銳，波峰較寬，波幅超過Ⅲ區(qū)，缺陷位于焊縫坡口附近，由缺陷位置及A掃圖綜合分析可推斷，缺陷為條形夾渣；#4 和#5 缺陷的A 掃圖顯示，缺陷反射波峰較尖銳且波幅較寬，根部無雜波，左右移動(dòng)探頭時(shí)反射波出現(xiàn)多個(gè)波峰且變化較快，前后移動(dòng)探頭時(shí)反射波移動(dòng)范圍較小，多數(shù)缺陷反射波信號(hào)出現(xiàn)在焊縫側(cè)，到對側(cè)掃查反射波不易發(fā)現(xiàn)，缺陷反射波形具有裂紋缺陷特征［15］。相控陣檢測結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)P92 焊縫中確實(shí)存在裂紋缺陷，常規(guī)超聲波檢測的確出現(xiàn)了漏檢的情況。

圖6 超標(biāo)缺陷的相控陣檢測圖譜Fig. 6 Phased array testing atlas of over standard defects

2 缺陷解剖情況

通過TOFD 和相控陣補(bǔ)充檢測，可以確定P92焊縫中存在裂紋、夾渣等超標(biāo)缺陷。為掌握缺陷真實(shí)情況，使用機(jī)械環(huán)切方式對焊縫進(jìn)行逐層切屑，解剖后的缺陷形貌如圖7 所示。由圖7 可知，#1 缺陷為夾渣，深度35.8 mm，長度25.1 mm，高度4.5 mm；#2 缺陷為夾渣，深度40.5 mm，長度13.2 mm，高度4.0 mm；#3 缺陷為夾渣，深度45.6 mm，長度16.0 mm，高度3.5 mm；#4 缺陷為裂紋，呈線狀，深度43.2 mm，長度3.0 mm，高度1.5 mm；#5 缺陷為裂紋，呈星形，一端匯集，另一端向不同方向延伸，深度53.8 mm，長度4.8 mm，高度1.8 mm。

圖7 超標(biāo)缺陷解剖后照片F(xiàn)ig. 7 Post-anatomy photos of over standard defects

為方便對比檢測結(jié)果，將常規(guī)超聲檢測、TOFD、相控陣檢測結(jié)果及缺陷解剖后的測量結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2 所示。由表2 可知，TOFD 和相控陣檢測技術(shù)較常規(guī)超聲檢測技術(shù)在缺陷測長、測高以及測深方面更為準(zhǔn)確，且TOFD 檢測技術(shù)對于微小缺陷的定位更加準(zhǔn)確，對缺陷測深及缺陷自身高度測量也比相控陣準(zhǔn)確。

表2 3種無損檢測方法及缺陷解剖測量結(jié)果Table 2 Three NDT methods and defect dissection measurement results mm

3 分析及討論

由缺陷解剖結(jié)果可知，常規(guī)超聲波檢測對P92 鋼焊縫中的微小裂紋出現(xiàn)了漏檢的情況。這是由于該裂紋尺寸較小，形成的缺陷反射波波幅較低，未超過DAC 曲線的判廢線，故按現(xiàn)行超聲波檢測評判標(biāo)準(zhǔn)，對其按點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行判定，可不進(jìn)行處理。文獻(xiàn)［16］研究表明P92鋼焊縫裂紋的反射波波幅有時(shí)與缺陷尺寸無明顯的線性關(guān)系，對于P92鋼焊縫微裂紋的超聲波檢測，不能只對高于判廢線的缺陷波形進(jìn)行特征分析及缺陷判定，對于低于判廢線的缺陷波形也要加以分析。因此，對于反射波波幅在DAC 曲線Ⅱ區(qū)的P92 鋼焊縫缺陷反射信號(hào)要引起重視，在缺陷性質(zhì)判定時(shí)應(yīng)綜合考慮反射波波形特征、缺陷位置、缺陷尺寸及P92鋼焊接性能等因素，必要時(shí)應(yīng)增加TOFD 和相控陣檢測進(jìn)行準(zhǔn)確測量和分析，避免裂紋等危害性缺陷的漏檢。

缺陷解剖結(jié)果也證實(shí)TOFD 和相控陣檢測技術(shù)與常規(guī)超聲波檢測技術(shù)相比，在缺陷定位、定性方面更為精確。TOFD 和相控陣檢測技術(shù)均可有效識(shí)別體積型缺陷和面積型缺陷。常規(guī)超聲波檢測技術(shù)之所以在缺陷測深、測高及測長方面存在較大誤差，一方面是因?yàn)槌Ｒ?guī)超聲波檢測使用的探頭不能有效識(shí)別缺陷上下端點(diǎn)，在測量缺陷自身高度上出現(xiàn)偏差；另一方面是由于缺陷反射波波幅最高處為探頭聲束與缺陷表面垂直處，常規(guī)超聲波檢測使用的探頭只能發(fā)射角度單一聲束，造成聲束反射面不一定是缺陷上端點(diǎn)，因此導(dǎo)致在測量缺陷深度時(shí)出現(xiàn)較大偏差。相控陣探頭由一系列獨(dú)立的晶片構(gòu)成，每個(gè)晶片可通過軟件被獨(dú)立激發(fā)并施加不同的時(shí)間延遲，從而控制聲束角度，在不移動(dòng)探頭的情況下就可實(shí)現(xiàn)聲束在較大角度范圍的快速掃查，總會(huì)有角度合適的聲束正好與缺陷上下端點(diǎn)垂直，從而給出較為準(zhǔn)確的缺陷位置及尺寸數(shù)據(jù)。TOFD 檢測技術(shù)是利用缺陷上、下端點(diǎn)衍射波傳播時(shí)間差等信息來表達(dá)缺陷位置及高度。在缺陷長度測量方面，常規(guī)超聲波檢測技術(shù)使用-6 dB 法，測量結(jié)果受到人為因素的影響，往往誤差偏大；而TOFD 與相控陣檢測技術(shù)則是采用編碼器來記錄探頭移動(dòng)距離，最終通過軟件計(jì)算獲得缺陷長度，因此測量結(jié)果更準(zhǔn)確。與反射波相比，衍射波波幅更低，僅為前者的1/8，因此TOFD 檢測技術(shù)對于微小缺陷的定位定量更準(zhǔn)確，且在缺陷測長、測深及自身高度測量等方面也比相控陣檢測技術(shù)準(zhǔn)確［17］。

缺陷解剖結(jié)果表明P92鋼焊縫內(nèi)部裂紋尺寸確實(shí)較小，長度3～5 mm 左右，高度2 mm 左右，呈星形或線狀，這與文獻(xiàn)［18］研究結(jié)果一致。本文在缺陷解剖時(shí)還發(fā)現(xiàn)P92焊縫內(nèi)部裂紋相隔距離基本相同，約為50 mm，如圖8 所示。考慮到該焊縫焊接時(shí)采用直徑3.2 mm焊條，缺陷間距相當(dāng)于1 根焊條焊接長度，因此從缺陷形狀、位置及尺寸判斷此類裂紋為焊接收弧時(shí)產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋，為P92 鋼焊縫微小裂紋的性質(zhì)判定提供了直接證據(jù)。由于P92鋼中的合金含量高，熔池黏度較大，流動(dòng)性較差，同時(shí)焊接冷卻速度較快，焊縫內(nèi)金屬元素容易在晶界出現(xiàn)一定程度的偏析。尤其是在焊縫金屬凝固后期，低熔點(diǎn)共晶物在晶界偏析形成液態(tài)薄膜，此時(shí)殘余液相金屬不足，在焊縫液固界面會(huì)形成拉應(yīng)力，界面薄弱處的液態(tài)薄膜被拉開，最終形成結(jié)晶裂紋［19］。結(jié)晶裂紋為焊接熱裂紋的一種，其形成與焊接收弧時(shí)采取的工藝有關(guān)。為避免焊接過程中產(chǎn)生該類缺陷，應(yīng)對焊接收弧工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，即焊條擺動(dòng)的速度和角度要合適，并采取衰減收弧法，在熔池邊緣處收弧，確保收弧處充滿鐵水，可避免弧坑裂紋的產(chǎn)生。此外，焊接現(xiàn)場要做好防風(fēng)措施，防止風(fēng)力過大造成焊后冷卻速度過快，進(jìn)而形成淬硬組織，增加裂紋形成的傾向［20］。

圖8 超標(biāo)缺陷解剖后照片F(xiàn)ig. 8 Post-anatomy photos of over standard defects

4 結(jié)論

（1）使用常規(guī)超聲波檢測時(shí)，對于P92鋼焊縫反射波波幅在DAC 曲線Ⅱ區(qū)的缺陷反射信號(hào)要引起重視，在缺陷性質(zhì)判定時(shí)應(yīng)綜合考慮反射波波形特征、缺陷位置、缺陷尺寸及P92鋼焊接性能等因素，必要時(shí)應(yīng)增加TOFD 和相控陣檢測進(jìn)行準(zhǔn)確測量和分析，避免裂紋等危害性缺陷的漏檢。

（2）常規(guī)超聲波檢測對P92 鋼焊縫中的微小缺陷可能會(huì)出現(xiàn)漏檢情況，TOFD 和相控陣檢測技術(shù)與之相比，在缺陷測長、測高以及測深方面更為準(zhǔn)確；同時(shí)，與相控陣檢測技術(shù)相比，TOFD對于微小缺陷的定位定量更加準(zhǔn)確，對缺陷的深度和自身高度測量也更加準(zhǔn)確。

（3）P92 鋼焊縫內(nèi)部微小裂紋位于焊接收弧處，呈星形或線狀，且缺陷間隔距離基本相同，其形成于焊縫金屬凝固后期，低熔點(diǎn)共晶物在晶界偏析形成液態(tài)薄膜，收縮時(shí)的拉伸應(yīng)力使液態(tài)薄膜分離，最終形成結(jié)晶裂紋。