奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹超声相控阵检测

0 序 言

现代超(超)临界大型电站锅炉的高温过热器和再热器中，在高温高压段采用奥氏体不锈钢，而在其它部位采用铁素体钢进行经济的优化组合，这样既满足了使用要求，又降低了成本，但同时带来了奥氏体异种钢焊缝的问题.国内外实践表明，电站锅炉奥氏体异种钢焊缝存在早期失效，其中焊缝裂纹引起的失效占相当大的比例，并且锅炉参数越高运行时间越长失效概率越大.近年来，随着使用的奥氏体异种钢接头越来越多，已经使用的许多奥氏体异种钢焊缝也接近或超过了异种钢接头早期失效时间[1]，针对异种钢焊缝，国内近年来相继提出了超声波纵波斜入射检测的方法[2]、超声波横波检测的方法[3]、超声爬波对异种钢焊接接头进行检测的方法[4]等.但是由于奥氏体钢的声学特性，常规超声波检测方法检测灵敏度低，而且缺陷反射波不易识别，对检测人员的素质要求比较高，因此急需一种高效直观的检测方法.文中选取某超临界电站锅炉受热面中壁厚最薄的奥氏体异种钢焊缝(材质TP347H/T91，规格φ51 mm×4 mm)，研究超声相控阵检测技术在奥氏体异种钢薄壁小径管焊缝裂纹检测中的应用.

1260型高效液相色谱（HPLC）仪，包括G1311B四元泵、G1329B自动进样器、G1316A柱温箱、G4212B二极管阵列检测器、Open LAB色谱数据工作站（美国Agi-lent公司）；BP211D型十万分之一电子分析天平（德国Sartorius公司）；HJ-6型多头磁力加热搅拌器、SHA-C型恒温振荡器（常州国华电器有限公司）；ZEN3600型激光粒度仪（英国Marloven公司）；TGL-16G型离心机（上海安亭科学仪器厂）；FOEA26810D型超纯水系统（美国Millipore公司）；KQ-250DE型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。

1 奥氏体异种钢焊缝失效及检测

统计资料表明，当电站锅炉运行约4～5万小时后，锅炉受热面中奥氏体异种钢焊缝在多种因素的共同作用下开始产生蠕变裂纹，裂纹一般产生于低合金钢侧熔合线处，内、外壁均可能出现裂纹[5].

在役奥氏体异种钢焊缝常用检测方法为渗透与常规超声.其中渗透只能检测表面开口缺陷，具有一定局限性；常规超声检测方法在实际应用中，由于受热面管径小壁厚薄，以及奥氏体材料的声学各向异性，再加上其焊缝由两种不同成分、不同晶体结构的金属互相掺合，其低合金侧熔合线附近出现了化学成分、金相组织、力学性能和物理性能的不均匀性，使检测灵敏度大大降低，增大了缺陷检出难度.

2 超声相控阵检测工艺

超声相控阵是采用一个探头多个晶片的有序排列，利用计算机技术按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦.

书法人才的划分，以后会越来越细，这是科学精神发展的必然。由于我所接受的教育背景的影响，以及目前的书法学科的发展水平，我选择了研究与创作相结合的“二为方针”。

2.1 超声相控阵换能器

综合考虑电站锅炉受热面受热面管子管径小曲率大、且排列紧密、实际扫查空间较小的特点，试验选择自聚焦换能器7.5S16-0.5×10-D10，部分参数详见表1.采用弧形晶片，具有周向自聚焦功能，能有效改善声场形状，如图1所示.

选取Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 4类场地条件和6,7,8,9 4种地震烈度对特高压钢管塔进行地震反应谱分析.根据前述分析结果,对钢管塔沿0°方向输入地震波进行反应谱分析.图3所示为4类不同场地、4种不同地震烈度下钢管塔地线挂点位移和钢管塔内最大应力.

院校共建就是指医院和学校共同对课程进行开发和设计，课程设计小组委员来自湖北省各大医院、护理协会的护理专家，卢人玉、苏冬梅、童艳琼等主任护师，对专业培养目标的确定、课程内容的选取、理论实践教学、和实训基地的建设都提出了宝贵的建议，并且参与了理论和实践教学。

2.2 楔块

试验定制了SD10-N60S-IH-AOD60.33楔块，入射角度为39°，整体尺寸设计为长度L=18 mm，宽度W=22 mm，高度H=12 mm,制作材料选择聚苯乙烯，楔块内纵波声速为2 337 m/s,楔块前段设有消声槽，镶嵌阻抗橡胶，可以有效降低界面反射波的干扰.

(5)注水:待反应釜内温度稳定在288.15 K，从反应釜顶部阀门V3以50 m L/min的速度向釜内注入去离子水，使釜内压力增压至9.5 MPa。

表1 换能器参数
Table 1 Transducer parameters

参数 中心频率f/MHz 阵元数目 n 阵元间距 φ/mm 阵元间隙 δ/mm 阵元宽度w/mm 换能器长度l/mm 宽度d/mm 高度h/mm设计值 7.5±0.1 16 0.5 0.1 10 22 25 10

图1 换能器在小径管中的声场形状
Fig.1 Sound field shape of transducer in small diameter tube

2.3 声束仿真模拟

φ51 mm×4 mm的薄壁小径管焊缝余高宽度一般在8～12 mm之间，焊缝余高会造成多次反射波的声场畸变和衰减.利用ES Beam Tool仿真软件，模拟研究发现采用直射波、一次反射波对焊缝可以进行全覆盖扫查，其中外壁缺陷采用一次反射波扫查、内壁缺陷采用直射波扫查，当扫查角度在40°～80°范围内，探头放置在距离焊缝中线为 3～5 mm时，可以满足全覆盖扫查要求，如图2所示.

3 试验方法

3.1 对比试样

以某超临界机组末级再热器规格为φ51 mm×4 mm材质为TP347H/T91时的异种钢对接焊缝为试样，加工制作了4个对比试样，每个对比试样制作有3个不同深度的人工缺陷，如表2所示.

表2 对比试样
Table 2 Contrast sample

1 5×0.2×1 1号 325×0.2×2 3 5×0.2×3 T91侧外表面熔合线处1 5×0.2×1 2号 325×0.2×2 3 5×0.2×3 T91侧内表面熔合线处1 5×0.2×1 3号 325×0.2×2 3 5×0.2×3 TP347H侧外表面熔合线处1 5×0.2×1 4号 325×0.2×2 3 5×0.2×3 TP347H侧内表面熔合线处

3.2 试验过程

图2 声束覆盖范围 (mm)
Fig.2 Sound beam coverage

试验仪器采用PHASCAN相控阵检测仪，换能器，7.5S16-0.5×10-D10，楔块，SD10-N60S-IH-AOD 60.33，在TP347H侧扫查时选择声速为3 090 m/s，T91侧扫查时选择声速3 310 m/s，其它基本参数和聚焦法则的设置见表3.将探头分别放在对比试样焊缝两侧管壁外弧面上，探头前端离焊缝中心线3～5 mm，以增益27 dB为检测灵敏度，对试样的3处人工缺陷进行检测，探头不做前后移动，只在检测面上沿焊缝周向匀速移动.

表3 仪器设置参数
Table 3 Instrument parameter setting

检测范围 s/mm 增益 x/dB 扫描类型 聚焦类型 扫查角度θ/(°)15.64 27 扇形 真实深度 40～80

3.3 试验结果与分析

3.3.1 1号对比试样

《二泉映月》一文文质兼美，浓缩了民间音乐家阿炳艰辛苦难的一生，记叙了《二泉映月》这首名曲的形成过程，再现了《二泉映月》的丰富内涵。学生理解文章有一定难度，笔者采用概括性提纲——淙淙泉声、悠悠琴声、拳拳心声。淙淙泉声引发悠悠琴声，优美琴声倾诉着阿炳的心声。泉声、琴声、心声，声声入耳；你心、我心、他心，心心相印。提纲使文章结构与内涵容易理解多了。这种提纲是一种非连续文本，对本文的学习起到了提纲挈领的作用。经常使用短语对课文内容进行整理、概括，对学生的抽象思维能力和语言表达能力都是大有益处的，特别是在重视“语用”的当下，短语的使用就更具有重要的教学意义了。

探头放置于人工缺陷侧时有3处明显的缺陷反射图像，如图3a～c，图中圆圈内为缺陷反射信号图像，成像位置与缺陷在焊缝的位置一致，对3处缺陷信号进行深度方向测量，分别为1.1，2.0，3.4 mm；探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像，如图3d.

图3 1 号对比试样缺陷检测效果
Fig.3 Defect detection effect diagram of No.1 contrast sample

3.3.1 2号对比试样

探头放置于人工缺陷侧时有3处明显的缺陷反射图像，详见图4a～c，图中圆圈内为缺陷反射信号图像，成像位置与缺陷在焊缝的位置一致，由于扫查角度限制，缺陷不具备定量的基础；探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像，如图4d.

3.3.3 3号对比试样

探头放置于人工缺陷侧时有3处明显的缺陷反射图像，详见图5a～c，图中圆圈内为缺陷反射信号图像，成像位置与缺陷在焊缝的位置一致，对3处缺陷信号进行深度方向测量，分别为1.2，2.4，3.5 mm；探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像，如图5d.

图4 2 号对比试样缺陷检测效果图
Fig.4 Defect detection effect diagram of No.2 contrast sample

图5 3 号对比试样缺陷检测效果
Fig.5 Defect detection effect diagram of No.3 contrast sample

3.3.4 4号对比试样

探头放置于人工缺陷侧时有3处明显的缺陷反射图像，如图6a～c，图中圆圈内为缺陷反射信号图像，成像位置与缺陷在焊缝的位置一致，由于扫查角度限制，缺陷不具备定量的基础；探头放置于人工缺陷对侧时无明显缺陷反射图像，如图6d.

图6 4 号对比试样缺陷检测效果图
Fig.6 Defect detection effect diagram of No.4 contrast sample

从试验效果可知，超声相控阵可以迅速准确检测出探头放置本侧焊缝熔合线处长5 mm，宽0.2 mm，深1 mm的内、外壁人工缺陷，在扇扫成像图上可以清晰地呈现出人工缺陷的反射图像，成像位置与缺陷在焊缝上的位置一致，和焊缝坡口轮廓线相对应，非常直观明了，可以实现对缺陷的准确定位.对于焊缝外壁人工缺陷，缺陷反射图像高度与缺陷实际深度成正比，通过定量分析可以实现缺陷较为准确的定量,误差在0.5 mm内.

4 结 论

(1)超声相控阵检测技术可以有效检测出奥氏体异种钢焊缝本侧熔合线处长5 mm，宽0.2 mm，深1 mm的裂纹缺陷，对于内、外表面的裂纹缺陷都能保证足够的灵敏度.

(2)超声相控阵检测技术无法从奥氏体异种钢焊缝对侧检测出熔合线处人工缺陷，对于奥氏体异种钢焊缝的超声相控阵检测应采用焊缝双侧扫查的方式.

(3)对于奥氏体异种钢焊缝熔合线处的表面裂纹，超声相控阵在实时成像检测的基础上可以进行较为准确的定量分析.

参考文献：

[1]吕文广, 章应霖, 曹 晟, 等.过热器/再热器异种钢接头热应力分析与坡口改进[J].武汉水利电力大学学报, 1998(6): 101 - 104.Lü Wenguang, Zhang Yinglin, Cao Sheng, et al.Thermal stress analysis of dissimilar metal welds of superheater/reheater and their groove improvement[J].Journal of Wuhan University of hydraulic and Electric Engineering, 1998(6): 101 - 104.

[2]武英利, 胡天明.小径管异种钢焊接接头超声波探伤技术的探讨[J].电力建设, 1999, 20(3): 8 - 11.Wu Yingli, Hu Tianming.Discussion on ultrasonic testing technology for welded joint of small-diameter pipe dissimilar steel[J].Electric Power Construction, 1999, 20(3): 8 - 11.

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[4]蔡红生, 王朝华.奥氏体异种钢小径管焊缝超声爬波检测[J].广西电力, 2008, 31(1): 20 - 22.Cai Hongsheng, Wang Zhaohua.Weld inspection of austenitic heterogeneous steel small diameter pipe with ultrasonic creep waves[J].Guangxi Electric Power, 2008, 31(1): 20 - 22.

[5]岳增武, 胡新芳, 马翠花, 等.TP304H与钢102异种钢接头失效分析[J].山东电力技术, 2004(6): 68 - 70.Yue Zengwu, Hu Xinfang, Ma Cuihua, et al.Failure analysis for dissimilar metal welded joint of TP304H and 12Cr2MoWVTiB[J].ShanDong Electric Power, 2004(6): 68 - 70.