超超临界机组锅炉用小径管异种钢镍基焊缝超声波检测已审

1、超（超）临界机组锅炉用小径管异种钢镍基焊缝超声波检测 邓宏平 龙会国 湖南省电力科学研究院摘 要：小径管奥氏体钢与低合金钢对接的异种钢镍基焊接接头由于焊缝晶粒粗大、声速和声阻抗相差较远，因此，一直是无损检测界的一道难题。本文通过理论验证、并结合实验数据和现场实践经验，总结出一套行之有效的检测手段，取得了较好的检测效果及经济效益，为今后同类的异种钢焊缝超声波检测积累了经验。关键词：超声波检验， 奥氏体钢， 低合金钢， 镍基焊缝1前言现役火力发电机组的过热器和再热器，高温段多使用Cr镍奥氏体不锈钢，它具有高的耐热性和抗氧化性能最高使用温度可达700，其580以下低温段仍然沿用12Cr1MoV或钢1

2、02等低合金耐热钢。因此不可避免的出现这两种材质与奥氏体不锈钢的异种钢焊接接头。而镍基合金的线膨胀系数介于奥氏体钢和低合金钢之间，为降低因膨胀系数不匹配产生热应力，一般都用镍基合金做为焊接填充材料。由于这三种材料的性能有较大差异给焊接带来一定的难度，易产生制造缺陷或运行缺陷，尤其是运行中材料中碳迁移产生的沿熔合线裂纹。由于射线检测对熔合线裂纹类缺陷灵敏度低，且射线检测具有对人体有害，检修时间长，受空间限制，在大型电站锅炉的受热面尤其是超（超）临界机组的锅炉受热面检测中，越来越受到空间的限制，从而很难检测到位。因此小径管异种钢奥氏体焊缝超声波检测是目前亟待研究的新课题。2小径管异种钢镍基焊缝超声

3、波检测的特点2.1检测可行性分析下表1列出镍基合金（纯镍）和钢（12Cr1MoV）的材料性能参数，二者的密度、声速和声阻抗均相差较远。当超声波入射镍基合金和钢界面时，则：表1 材料的基本性能数据名称弹性模量E/GPa切变模量G/GPa密度/g.cm-3声速Cs(m/s)声阻抗Zg/cm2 .s镍基20679.388.90229862.7×10 6钢20679.387.732112.5×10 6（注：查阅金属材料手册已知镍基材料和钢的切变模量（G/GPa）及密度（/g.cm-3），横波声速,声阻抗）式中，r为声压反射率；t为声压透射率；Pt为反射波声压；Po为入射波声压；R为

4、声强反射率；T为声强透射率；Z2为钢的声阻抗；Z1为镍基的声阻抗。从以上计算公式表明1： a)界面两侧的声波符合以下两个条件：（1）界面两侧的总声压相等，即：Po+Pr=Pt;(2)界面两侧质点震动速度幅值相等，即（Po-pr）/Z1=Pt/Z2。 b)超声波入射这两种介质时，声压反射率为-0.04,声压透射率为0.96，在焊缝探伤中，若母材与焊缝结合面无任何缺陷，是不会产生界面反射回波，因此奥氏体不锈钢与低合金钢对接的镍基焊缝超声波检测理论上能满足检测条件。 2.2检测的难题 镍基焊缝为奥氏体晶粒，在冷却过程中未经过二次结晶，与一侧奥氏体不锈钢母材同样晶粒粗大，组织不均，加上另一侧母材为低合

5、金钢，因此与焊缝的声阻抗、声速均有一定差异。具有明显的各向异性及声学性能变化，其主要特点如下： a)在异种金属的熔合线处，声速在界面处发生变化，导致声束传播方向产生偏离。对K值造成一定影响。 b)材料的各向异性会导致衰减系数的各项异性，加上信噪比太低给超声波探伤带来较大困难2。3检测验证湖南及广东某电厂600MW机组锅炉屏式过热汽、高温过热器材料均有奥氏体不锈钢（TP347/TP304）与12Cr1MoV/钢102异种钢对接焊缝，2009-2010运行期间，先后发生爆管泄露现象，经电厂委托对其焊缝进行100%超声波检测，由于此类异种钢焊缝检测没有单独可依照的标准，故参考DL/T820-2002

6、管道焊接接头超声波检验技术规程规定的试块及灵敏度调校仪器。3.1探头的选择由于小径管管壁薄结合面小且探头的探测面需要加工成曲面，不宜选用双晶的纵波斜探头。加之反射杂波多，为了改善探头指向性和提高分辨力，此次检测选用5MHz、小晶片短前沿的小径管横波探头，两种K值探头联合检测。且两种探头的折射角相差不少于10°。3.2仪器的调校 将探头加工成与管外壁吻合良好的曲面后，利用DL-1小径管专用试块在深度为5mm、8mm、15mm、20mm的1mm的长横孔来制作DAC曲线，重点校准探头前沿与K值。由于考虑异种钢的的特殊性及人员操作经验方面的问题，判废灵敏度在DAC-6dB的基础上可适当降低。

7、3.3现场检验a)熔合线裂纹由于奥氏体不锈钢和低合金耐热钢的碳含量差异较大，在高温下，碳从低合金钢一侧通过熔合线向焊缝一侧扩散，使奥氏体侧产生增碳带、强度提高，低合金侧靠近熔合线处形成低硬度的脱碳区。两侧强度的不匹配状况加上运行中的交变热应力，炉内气流波动引起的振动应力等相叠加，使焊接接头的熔合线附近受到了应力幅值较高的交变载荷作用最终导致失效，在低合金耐热钢侧形成沿熔合线裂纹4。对于沿熔合线的表面裂纹超声波检测，由端角反射原理1，当横波入射角s=35°45°即K值在0.71.43时，检测灵敏度高。现场利用K1探头的二次反射波在低合金钢侧熔合线处发现的反射波幅都较高于其他K

8、值灵敏度，后经打磨渗透检测证实为30mm裂纹（图1、图2）。图1 探头k值对表面裂纹缺陷检测灵敏度影响低合金钢 图2 42×6mm低合金钢侧融合线裂纹及超声波检测波形b)气孔、夹渣镍基合金的固液相温度间距小，流动性偏低，在焊接快速冷却的凝固条件下易产生焊缝气孔；熔合不均匀，熔融金属直接堆在焊缝中，层间渣清理不干净，内部层间咬肉过深，焊速过快都会形成夹渣3。为避免内部缺陷位置与超声波入射点的近场区影响，又由于K3表面耦合剂反射波的影响，耦合剂反射波与缺陷波重叠，无法分辩及有效地对缺陷回波进行准确定量，下图为在现场利用K2探头的二次反射波在奥氏体不锈钢侧检测发现的内部缺陷，后经射线拍片证

9、实为气孔。 图3 42×6mm内部缺陷超声波波形及射线拍片证实c)未焊透电流过小，间隙过小，焊炬使用不正确，内部保护气体纯度不够等造成未焊透缺陷3。下图为在现场K2探头的直射波检测发现根部缺陷，后经射线拍片证实为未焊透。 图4 42×6mm未焊透超声波波形及射线拍片证实4结论 4.1通过各种K值对各种缺陷试验的基础上，总结出了适用于异种钢焊缝检测的方法，运用于现场实践发现了镍基合金焊缝大量危险性缺陷。 4.2通过试验分析并结合现场实践经验发现，熔合线裂纹类缺陷选用小角度探头（K1-K1.5）运用二次反射波从低合金钢侧探测易发现。焊缝内缺陷选用大角度探头(K2-K2.5)运用

10、直射波或二次反射波从奥氏体不锈钢侧探测易发现。根部未焊透、未熔合缺陷根据缺陷的形成情况不同选用大角度探头(K2-K2.5)运用直射波两侧均易发现。 4.3为保证缺陷探测的准确无误，选用2种K值探头进行单面双侧检测，熔合线位置二次波发现存在反射波时，考虑到受热面管熔合线处易产生咬边，建议打磨出金属光泽后进行渗透检测验证。 4.4同一位置反射体从两侧探测时，其波高和显示大多存在较大差异甚至其中一侧无法检出，说明在此异种钢焊缝中，声速和探头角度发生了较大变化，或是声束发生了扭曲畸变。但其危险性缺陷的检出率仍能满足检测要求，以上为本人在实验室试验、现场实践经验等方面的总结，在几次电厂的大修中发现的超标缺陷均能与射线底片结果相吻合。参 考 文 献1 超声检测/郑辉，林树青主编.-2版.中国劳动社会保障出版社.2008 年.2 薛拥军等 大厚度异种钢奥氏体焊缝超声波检测.无损检测，2008年第30