奥氏体不锈钢小径管焊接接头的相控阵超声检测
齐高君2,岳大庆2,张勇2,王敬昌,丁成海
(1.山东丰汇工程检测有限公司,济南250200;2.山东省特种设备协会相控阵超声检测技术应用研究中心,济南250200)
摘要:针对奥氏体不锈钢小径管焊接接头的检测难点,开展了专用试块设计、检测参数优化、检测能力验证、缺陷分析评定等相关技术的研究,总结形成了一套相控阵超声检测工艺和评定方法。检测工艺适用于外径为32~100mm,壁厚为4~20mm的奥氏体不锈钢小径管焊接接头的质量评定,通过在火力发电机组安装和检修工程中的成功应用,验证了该工艺的可靠性和准确性,并有效地降低了放射源的管理风险和检测成本。该检测工艺的开发可为奥氏体不锈钢小径管焊接接头的相控阵超声检测提供参考。
关键词:相控阵超声检测;焊接接头;奥氏体不锈钢;小径管
奥氏体不锈钢具有耐高温、耐腐蚀的特性,且具备优良的工艺性能,因此被广泛应用于火力发电机组的高温、高压管道系统中[12]。以一台百万千瓦的火力发电机组为例,仅锅炉受热面安装工程就约有一万个不锈钢小径管焊接接头。不锈钢材料管道运行环境恶劣,常用在末级过热器、末级再热器等核心系统中,其焊接质量直接影响机组的安全运行,是机组的重点检验和监测部位。
目前,奥氏体不锈钢小径管焊接接头的无损检测主要采用射线检测法和常规超声检测法进行。射线检测存在辐射危害,安全风险大,检测成本高,对工期影响较大,并且在检测密集管排、壁厚大于10mm的管道焊接接头时,其透照工艺通常无法满足标准要求,技术局限性尤为明显。奥氏体不锈钢焊缝具有晶粒粗大、不均匀,声学各向异性等特点。超声波在各向异性焊缝中传播时,会发生畸变、分离和传播路径的变化,进而产生较大的衰减和散射,直接影响超声检测的灵敏度和精度,并且小径管曲率较大,现场检测时杂波多、信噪比差,因此,奥氏体不锈钢小径管焊接接头的无损检测一直是业内公认的技术难题。
[对外径为32~100mm,壁厚为4~20mm的奥氏体不锈钢小径管焊接接头,制定了完善的相控阵超声检测技术方案和工艺流程。该检测工艺流程是从试块制作、检测设备选择、工艺参数优化、仪器校调、检测灵敏度设定、检测实施到数据评定的全流程。为达到最优的检测效果,该工艺将壁厚范围细分成3个区间,分别为:4～8mm;8~12mm;12～20mm。不同厚度区间使用的探头、对比试块、灵敏度调节工艺均不同。通过检测试验和现场应用,验证了检测工艺的可靠性,具有一定的推广应用价值。
1检测系统及原理1.1检测系统构成相控阵超声检测系统主要由检测主机、探头、楔块、扫查装置、试块等组成(见图1)。
检测仪器选用以色列ISONICPASTAR型32通道相控阵超声检测仪,探头选用小径管专用自聚焦线阵探头和双线阵TRL(双晶纵波)小径管探头,探头楔块的曲率和被检小径管的曲率相匹配,扫查装置选用小型可拆卸链式扫查装置。
检测试块包括标准试块、对比试块、模拟试块等3类。标准试块包括相控阵A型、B型试块,用于仪器的调试、校准。对比试块包括R50半圆试块、直
孔对比试块、横孔对比试块等。半圆试块用于角度增益补偿曲线的制作,直孔、横孔对比试块用于DAC(距离-波幅)曲线的制作。焊接缺陷模拟试块主要用于扫查灵敏度的确定和检测工艺的验证。
1.2检测原理相控阵超声检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束,通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的延迟时间,改变声波到达(或来自)物体内某点的相位关系,从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦5],然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法进行检测,并通过扫查装置将检测坐标信息和声耦合状态显示在图像上,最后根据仪器软件呈现的多种数据视图(见图2)对检测结果进行综合分析、评定。
2对比试块的设计制作2.1R50半圆试块根据被检奥氏体不锈钢小径管材料,机加工制作同材料的R50半圆校准试块,试块结构如图3所示,试块厚度为30mm。相同材料的被检工件均可使用该试块进行声速校准和角度增益修正。
2.2直孔对比试块当使用相控阵超声检测小径薄壁管时,采用直孔进行距离-波幅曲线制作的检测灵敏度明显高于采用横孔制作的检测灵敏度,并且管壁越薄灵敏度增加得越多,管壁越厚灵敏度增加得越少,其具有自补偿特点],且使用直孔反射体制作灵敏度曲线,能提高小径管相控阵超声检测的精度,所得的检测结果也会更加真实、有效。当被检奥氏体不锈钢小径管壁厚为4~8mm时,选取与被检小径管规格、材料相同的两段管道,并采用相同的焊接工艺进行焊接。焊接完成后,在焊缝水平中心位置垂直于管壁方向加工2mm直通孔,得到直孔对比试块(见图4,T为管道壁厚)。
2.3横孔对比试块当被检奥氏体不锈钢小径管壁厚为8~20mm时,对比试块为中间位置设置有焊接接头的横孔试块,其结构如图5所示。试块材料与被检管道的相同,焊接接头材料和焊接工艺与被检焊接接头的相同。对比试块长为200mm,宽为25mm,高度大于被检管道壁厚的2倍;对比试块上、下表面加工成弧面,曲率与被检管道曲率相同;对比试块焊接接头位置加工多个2mm横通孔,横通孔与试块上表面的距离依次为4,8,12,16,20mm,根据试块高度可
适当减少横通孔数量。
3检测流程和主要检测工艺3.1检测流程检测流程为:①测定被检小径管材料,制作相同材料的R50半圆校准试块;②根据被检焊接接头规格、材料、坡口参数、焊接工艺,制作对比试块和缺陷模拟试块;③将缺陷模拟试块沿中轴线剖切,均分成2个半圆管段,对焊接接头剖切面进行宏观金相组织分析;④基于宏观金相组织建立各向异性模型,利用射线追踪法对超声波在该模型中的传播进行计算,通过CIVA仿真软件确定声束最佳入射角度;⑤选择探头、楔块,连接相控阵仪器,检查仪器外观、接口连接、按键等工况是否良好;⑥使用R50半圆试块进行声速校准和角度增益修正;⑦根据焊接接头结构参数,在仪器中建立焊接接头模型,设置检测参数、聚焦法则;③选择相应的对比试块制作距离-波幅曲线,设置检测灵敏度;③验证检测工艺,确认现场扫查灵敏度;①组装扫查装置并与
相控阵检测仪相连,校准扫查装置编码器;①确定检测区域,对焊接接头两侧扫查面进行表面处理,设定检测标识;②施加耦合剂,移动扫查装置在焊接接头单面双侧进行沿线扫查,储存检测数据;③对检测数据进行分析与评定。
3.2缺陷模拟试块制作取与被检小径管同规格、材料的两段管道,采用相同的焊接工艺制作缺陷模拟试块,在该试块内部制作裂纹、未焊透、未熔合及2mm圆形缺陷,4个缺陷在焊接接头周向均匀分布,并满足在厚度方向的上、中、下处均有分布。
将制作的缺陷模拟试块沿中轴线剖切成2个外形相同的半圆管段。剖切时需要避开人工缺陷位置,防止破坏人工缺陷的完整性。剖切缺陷模拟试块的目的是获得焊接接头剖切面金相组织,用于优化设计检测工艺,并且剖切后形成的2个半圆管段依然可以用于检测工艺验证和现场扫查灵敏度的确认。
3.3CIVA仿真对缺陷模拟试块的焊接接头剖切面进行宏观金相组织分析,将焊缝中晶粒取向相近的区域看作一个均匀区域,把整个焊缝分成多个各向异性区域,建立各向异性模型,基于该模型,运用射线追踪法计算超声波在该模型中的传播路径1。
根据试样的坡口形式和焊缝结构参数,通过CIVA仿真软件构建仿真模型(见图6),将相关参数输入至仿真软件中,进行仿真模拟,确定最佳的声束入射角度,即扇扫中心角度。
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