金 亮 姜學(xué)平 馬向東

（1.江蘇電力裝備有限公司 常州 213012）

（2.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 常州 213022）

（3.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

耐熱鋼以其優(yōu)異的高溫?zé)釓?qiáng)性和耐腐蝕性，在火電配管預(yù)制中廣泛應(yīng)用。多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)已對(duì)焊接性、焊接工藝以及焊接接頭的性能有了比較全面的認(rèn)識(shí)。而全位置窄間隙熱絲TIG焊接技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用在優(yōu)化焊接參數(shù)、提高接頭性能具有重要意義。

相控陣超聲檢測(cè)作為一種超聲新技術(shù)，具有聲束靈活可控、快速成像、適用面廣等特點(diǎn)，通過偏轉(zhuǎn)、聚焦等方式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超聲技術(shù)的一些不足，可解決一些常規(guī)超聲UT難以實(shí)施的問題。

NB／T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》[1]標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施前，相控陣檢測(cè)焊接接頭工藝中對(duì)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、路徑示蹤、聲場(chǎng)覆蓋等內(nèi)容參考了ASTM E2700或ISO 13588系列標(biāo)準(zhǔn)，而在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后對(duì)上述條款內(nèi)容都有明顯的細(xì)化。

本文為實(shí)際工件手工UT檢測(cè)中顯示的缺陷，采用新標(biāo)相控陣PA檢測(cè)驗(yàn)證的案例。

1 管道規(guī)格與焊縫位置

電力行業(yè)管道預(yù)制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本為大壁厚管子與管件對(duì)接，材質(zhì)為耐熱鋼系列，焊接規(guī)程一般采用DL／T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[2]。

本案例采用的驗(yàn)證件是主蒸汽管道與正三通（2MS-17）的對(duì)接焊口（編號(hào)WF-30），主蒸汽管道的材質(zhì)為SA-335P91，規(guī)格為φ429 mm×78 mm，坡口型式為U型，工件參數(shù)和焊接示意如圖1所示。

圖1 工件參數(shù)和焊接示意圖（續(xù)）

圖1 工件參數(shù)和焊接示意圖

焊接方法為窄間隙自動(dòng)氬弧焊，即NG-TIG打底+填充至蓋面完成。施焊時(shí)管道固定，焊接機(jī)頭沿固定軌道進(jìn)行全周循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整條環(huán)縫的多層多道全位置焊接。

焊縫根部打底2層沖氬保護(hù)防止氧化和保證背面成形良好。而后通過分區(qū)段工藝參數(shù)設(shè)定與修正，克服重力對(duì)焊接過程的不利影響，保證獲得理想的熔池狀態(tài)和焊縫成形[3]。

焊前預(yù)熱150～250 ℃，焊接過程中控制層間溫度為150～280 ℃，焊接完成脫氫，最后整體熱處理。

2 常規(guī)UT檢測(cè)工藝及結(jié)果

依據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》[4]的要求，檢測(cè)和驗(yàn)收采用NB／T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》[5]，技術(shù)等級(jí)B級(jí)，I級(jí)合格。

2.1 UT準(zhǔn)備

超聲波檢測(cè)設(shè)備為HS610e，探頭型號(hào)為2.5P13×13K1、2.5P13×13K2、5P8×12K2.75， 試 塊型號(hào)為CSK-IA（P91）和RB-C曲面φ450（P91），檢測(cè)靈敏度為φ2×40-14 dB（縱向）、φ2×40-14-6 dB（橫向），表面補(bǔ)償3 dB，耦合劑為工業(yè)漿糊。主蒸汽管道焊縫掃查位置示意如圖2所示。

圖2 主蒸汽管道焊縫掃查方式示意

2.2 UT工藝

因幾何結(jié)構(gòu)所限，掃查方式只能采用單面單側(cè)、一次波掃查。3種角度探頭使用前后、左右、轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)繞4種掃查方式，其中K1、K2以1.1T對(duì)應(yīng)聲程位置起始掃查，K2.75對(duì)近表面缺陷掃查；同時(shí)進(jìn)行斜平行掃查。

2.3 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫有2處波高位于Ⅲ區(qū)的超標(biāo)缺陷，1處波高位于Ⅱ區(qū)的缺陷，最大連續(xù)指示長(zhǎng)度為110 mm（見表1，表中SL為定量線）。

表1 超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)

缺陷1分析：K1靜態(tài)波形尖銳陡直，無分叉，類似Ⅲa；K2靜態(tài)波形尖銳陡直，但波趾有分叉，類似Ⅲb。K1、K2前后掃查動(dòng)態(tài)波形類似鐘形，但K2波趾同時(shí)跟隨變動(dòng)，類似Ⅲb。K2在轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，反射波波趾錯(cuò)動(dòng)明顯。左右掃查為相鄰鏈狀，初步判定為混合缺陷（鏈狀缺陷中有裂紋）。

缺陷2和缺陷3分析：K1、K2靜態(tài)波形尖銳，波趾分叉，主波與相鄰次波的波幅差為K1、K2都大于6 dB；前后掃查時(shí)動(dòng)態(tài)波形類似Ⅳ，次波在波趾寬度范圍內(nèi)跟隨主波移動(dòng)的同時(shí)交替變動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，有明顯的指向性，K1、K2兩種角度最大波幅差等于9 dB，初步判定為未熔合。

3 按新標(biāo)準(zhǔn)制定PA檢測(cè)工藝

3.1 相控陣分區(qū)及參數(shù)設(shè)置

檢測(cè)設(shè)備為ISONIC 2010 32:32，對(duì)比試塊為P91、RB-C曲面φ450。按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置成2個(gè)分區(qū)：0～ t／2，即 0～ 39 mm，二次波檢測(cè)；t／2～ t，即39～78 mm，一次波檢測(cè)。分區(qū)覆蓋要求：0～39 mm，29～78 mm。

1）第一分區(qū)設(shè)置：探頭放置在直管側(cè)距焊縫熔合線S1=25 mm位置，探頭為5.0L32-0.5P×10，扇形角度35°～70°，采用多項(xiàng)掃描模式。采用φ2 mm×40 mm橫孔制作DAC曲線（多項(xiàng)每層至少3點(diǎn)），角度步進(jìn)為0.5°，掃查速度為100 mm／s，掃查靈敏度為φ2×40-14 dB，如圖3所示。

圖3 第一位置覆蓋

2）第二分區(qū)設(shè)置：探頭放置在直管側(cè)距焊縫熔合線S2=65 mm位置，探頭為2.5L32-1.0P×15，扇形角度35°～65°，采用多項(xiàng)掃描模式。采用φ2 mm×40 mm橫孔制作DAC曲線（多項(xiàng)每層至少3點(diǎn)），角度步進(jìn)為0.5°，掃查速度為100 mm／s，掃查靈敏度為φ2×40-14 dB，如圖4所示。

圖4 第二位置覆蓋

3）單面單側(cè)組合覆蓋，如圖5所示。

3.2 缺陷譜圖

兩分區(qū)數(shù)據(jù)起點(diǎn)0位、方向相同，缺陷見圖6。

圖6 缺陷譜圖

3.3 數(shù)據(jù)評(píng)定（見表2)

表2 PA評(píng)定

3.4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析和比對(duì)

1）從圖6（a）和圖6（d）中容易看出，S顯示中二次波與焊縫坡口有較好的重合，圖像上缺陷中心部位亮度較高。一次波和二次波都有顯示，坡口反射波波幅相差不大。

2）從圖6（b）和圖6（e）中可判定為未熔合。一次波和二次波都有顯示，探頭側(cè)二次波坡口反射波波幅差較大。C顯示中為連續(xù)顯示，二次波邊界比較清晰，且缺陷中部呈紅色，亮度明顯。

3）從圖6（c）和圖6（f）中可判定為未熔合。C顯示中為斷續(xù)顯示，二次波邊界清晰，缺陷中部呈紅色，亮度明顯；S顯示中位于探頭側(cè)下坡口68 mm附近處。

3.5 返修驗(yàn)證

缺陷1～缺陷3的返修比對(duì)見圖7、圖8。

圖7 缺陷1返修比對(duì)

圖7 缺陷1返修比對(duì)（續(xù)）

圖8 缺陷2和缺陷3返修比對(duì)

3.6 小結(jié)

NG-TIG采用多層單道全位置焊接工藝，產(chǎn)生的側(cè)壁或?qū)娱g未熔合缺陷是超聲檢測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容。

1）手工UT單面單側(cè)一次波檢測(cè)，探頭置于焊趾線邊緣為限，前端或入射點(diǎn)到焊縫中心線的距離S對(duì)近表面盲區(qū)有影響。雖然窄間隙焊縫寬度W相對(duì)小，但探頭側(cè)未熔合和探頭對(duì)側(cè)上部存在一定區(qū)域漏檢情況。

2）PA單面單側(cè)采用一次波+兩次波分別設(shè)置進(jìn)行全覆蓋，彌補(bǔ)手工UT的盲區(qū)。二次波對(duì)探頭側(cè)（1／2t～t深度區(qū)間）坡口或?qū)娱g未熔合，有較好的顯示、較高的檢出率。同時(shí)需要考慮二次波聲程范圍內(nèi)是否存在變形波的影響，通過仿真軟件模擬路徑去偽存真。

3）實(shí)物返修照片證實(shí)PA的檢測(cè)結(jié)果為后續(xù)返修工作提供數(shù)據(jù)（定位、定量、定性），PA檢測(cè)可優(yōu)化返修方案，是有效的檢測(cè)技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前NB／T 47013.15—2021已頒布實(shí)施，在TSG 11—2020有關(guān)特殊情況的處理?xiàng)l款中，為可記錄超聲相控陣檢測(cè)的應(yīng)用提供了技術(shù)評(píng)審的途徑。

可記錄的相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)即選用校準(zhǔn)合格的設(shè)備，通過仿真模擬焊縫實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸成像的方式來優(yōu)化工藝參數(shù)，提高對(duì)缺陷的“三定”，解決一些以往較難解決的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)問題，以高可靠性、高靈敏度、高效率來適應(yīng)焊接質(zhì)量檢測(cè)的需求。

因此，為了確保管道預(yù)制產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行的基礎(chǔ)，適時(shí)地推動(dòng)相控陣檢測(cè)技術(shù)在厚壁管道焊縫上逐步應(yīng)用，顯得十分必要。