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小径管超声波探伤在行业内的应用

摘要:介绍了小径管超声波探伤工艺在《电力建设施工及验收技术规范(管道焊接接头超声检验篇)》(DL/T 5048-95)标准基础上的制定过程及在实际探伤中遇到的一些问题，并提出了解决方法。
小径管超声波探伤是近几年我国探伤界逐渐发展起来的一项新兴探伤技术，随DL/T5048-95标准的执行，此项技术在电力系统得到普遍应用，其对“检修焊口进行100%无损探伤”及消除“四管”泄漏有一定意义。
1 某电力公司简况
某电力公司现有6台机组，2台100 MW，4台210 MW。自1986年投产到1995年“四管”因焊口泄漏达540次，占金属部件泄漏总次数的45 %，造成了很大的经济损失。1995年以后，随着小径管超声波探伤技术的发展及某电力公司消除"四管"中焊口泄漏的需要，此项技术开始在过热器、再热器、省煤器、水冷壁的检修更换中得以应用，使检修焊口检验率达100 %，检修焊口合格率达100%，检验过的焊口至今未发生泄漏，为机组**运行奠定了坚实的基础。
某电力公司小径管超声波探伤的特点是：小径管规格较多，有φ32mm×4 mm、φ32 mm×6 mm、φ36 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm、φ42 mm×5 mm、φ60 mm×5 mm、φ60 mm×6 mm；异种钢1Cr18Ni9Ti/12Gr1MoV及同种钢1Cr18Ni9Ti焊口数量多。在探伤过程中，考虑到工期、检验率与射线检验方法间存在的实际矛盾，有些焊口探伤只能参考标准DL/T 5048-95进行，探伤难度加大。在某电力科学研究院的大力协助下，采用超声波探伤方法使检修焊口达到100%探伤，保证了检修工作圆满完成。现就某电力公司小径管超声波探伤工艺的制定和取得的一些经验进行介绍。
2 小径管超声波探伤工艺的制定过程
2．1 小径管焊接工艺控制
由于小径管超声波探伤受各种主、客观因素的影响较大，为尽量减少探伤中的误判，使探伤工艺得到普遍使用、且增加适用性，小径管焊接工艺管理在探伤中占有较重要的位置。探伤工需注意以下3项。
2.1.1 了解小径管焊接工艺过程
在电力系统中，小径管焊接目前基本采用全氩焊接或氩弧打底手工盖面焊接方法。除可能存在焊接基本类型缺陷外，还可能存在氩弧接头缺陷，如弧坑、接头不佳等。有一些缺陷在焊接工艺评价中应给予重视，如未熔合、夹杂、氩弧接头缺陷、外观缺陷(焊瘤、余高过大、焊宽等)。应严格控制这些缺陷，尽量减少焊接缺陷类型，为探伤提供便利条件。
2.1.2 焊样的控制及挑选
焊接前焊工焊接试样练习是焊接与金属监督的管理工作之一。焊工必须持证上岗，而焊样代表着焊工当时的技术状态及水平，一般让焊工连续焊接3个试样，从中抽取2个接近焊样作为其代表试样，从而准确反映出每个焊工的焊接水平及状态，了解其可能在焊接过程中出现的焊接缺陷类型，为探伤工探前练习挑选试样提供帮助，以便快捷准确地探伤。
2.1.3 焊接过程中的检查
焊接过程中的焊工自查、焊工间互查及焊接打底结束前探伤工对根部缺陷的检查、标记收弧点等工作是至关重要的，其对探伤工控制根部缺陷，了解接头情况，探伤中准确判定接头缺陷有重要意义。
2.2 探伤工探前准备
2.2.1 探头的选择
现在市场提供的小径管探头规格有5 MHz 4×6、5×6、6×6、6×8 K1.5、2.0、2.5、3.0系列，4 MHz 4×6 K系列，2.5 MHz 6×8 K系列探头。据DL/T5048-95标准，探伤中需考虑管径、壁厚、缺陷定位、缺陷类型、焊宽等来选择频率尽量接近5 MHz、适当的K值(β=70°为佳)、前沿短(5 mm左右)的探头。这是因为从式(1)、(2)中可看出频率越高，NⅡ就长，而θ0却越小。表1列出了晶片面积为5×6，K=2.5， L1=1时频率f与NⅡ的关系。
NⅡ＝(F×f)÷(3.14×cⅡ)×cosβ÷cosα-L2 (1)
θ0＝57×cⅡ÷f÷a(或b) (2)
式中NⅡ——在介质Ⅱ中的近场区长度，mm
F——实际波源面积，mm2
f——探头频率，MHz
cⅡ——介质Ⅱ中的声速，km/s
α——纵波入射角
β——横波折射角
L2——入射点至假想横波波源的距离，mm
θ0——矩形声源半扩散角
在实际探伤中小径管探头K值在直射波、一次反射波中变化较大。从日本有关研究资料了解到，β＝70°时对未焊透、裂纹、夹渣、气孔综合检测效果较佳，β＝67.5°时对1 mm以下未熔合、0.2 mm以下纵向裂纹检测效果较差，而实际探伤中直射波、一次反射波的K值变化恰为合理选择探头K值提供了帮助。
2.2.2 专用对比试块的研制
除备用好DL/T 5048-95规定的小径管专用试块及补偿试块外，考虑到缺陷可能在N～3N范围内，还研制了以下专用对比试块。其上孔、槽须与标准专用试块的孔、槽做比较，做好dB相差值记录，探伤中选择其一携带备用。
2.2.3 仪器调试
为便于探伤中判定缺陷，**定位，*好使用深度调节，使显示屏能看到二次反射波，并做好距离—波幅曲线。
2.2.4 灵敏度确定
参照小径管曲率、表面状况、耦合剂选用等因素来调整做好的距离—波幅曲线，然后在符合DL/T5048-95标准扫查灵敏度的基础上，对自制的专用对比试块1、2(见图1)做测试，找到实际探伤中适合的扫查灵敏度。
2.2.5 探前练习
在模仿实际工作环境情况下，选择合理探伤扫查、评判扫查方式(矩形移动、直射波环绕移动一次、反射波矩形移动、前移动定位定量、后移动定位定量对探伤能否快捷、定位定量是否准确都有一定影响)。针对上岗实际焊工焊样中有代表性的缺陷试样进行探前练习，为准确评判打下基础。在专用试块1、2上进行多次练习调试，做好个人比较数据记录；磨合探头使之曲率稳定；根据K值变化，确定掌握K平均值，练习缺陷定位计算，面对现场的大工作量，使探伤快捷、准确，为现场小径管超声波探伤做好准备。
2.3 技术问题探讨
2.3.1 探头选用上存在的问题
DL/T5048-95规定小径管超声波探伤选用单晶横波探头工作频率为5 MHz，从表1可看出，选用表1列探头，探伤公称壁厚为4 mm，考虑制造厂允许-0.4 mm的壁厚偏差，实际探伤将遇到很大困难，选择探头余地较小。如适当放宽探头频率，如将5 MHz放宽到4 MHz，那么其对θ0影响较小（θ0变化相对较小，薄壁角度扩散也相对较小），而对NⅡ影响相对较大，使探伤成为可能。
2.3.2 专用对比试块的合理性
小径管超声波探伤据DL/T5048-95标准主要采用直射波及一次反射波，根据表1及计算看出，缺陷在小于3N的区域内，可用试块比较法或距离—波幅曲线法定量分析，距离—波幅曲线现场使用需经常校验。现场携带对比试块，也十分必要。采用上述试块1、试块2，其合理性在于试块材料及规格取自原管件或原管件焊件对剖，表面状况与探伤管件相同，“U”槽相当于SD-Ⅲ沟槽，见图2示，对比相差在-1dB到2dB间，而内外管表面φ1/2T球孔可进行灵敏度校验、缺陷半定位半定量用，且便于制造，重量轻便于携带。
2.3.3利用直射波回波波形确定管内缺陷
在小径管实际超声波探伤中发现直射波回波显示很有特点，只要K值选择恰当，其根部缺陷和中间缺陷可同时通过波形反映出来，见图3、图4所示。因为小径管壁薄，焊接层为2到3层，而缺陷接近中、下部，故可同时反映出直射波实际走势，见图5。这样一来区分上、中、下部缺陷变得容易起来，为缺陷定位提供了帮助。
2.3.4 壁厚超标,18-8钢、18-8/12Cr1MoV焊口超声波探伤的可行性
在实际探伤中，通常会遇到公称壁厚为4 mm，而负偏差使管壁厚在3.7 mm左右的管材。现在中大型机组过热器较多采用不锈钢管材。DL/T 5048-95标准已执行近4 a，小径管探伤技术、设备日趋成熟，焊接技术、探伤经验也日趋丰富，小径管焊口超声波探伤的可行性值得探讨。
从试验来看，选用适当的频率、较大的晶片中心点到入射点距离、小晶片尺寸的探头、适当仪器、试块，加上实际探伤中对波形的研究，是可以解决上、中、下缺陷定位的（因在中厚壁管探伤中定位要**到1 mm以下是不切实际的）。而在薄壁管的实际探伤中过份要求**定位也是毫无意义的。故只要解决定量问题，小径管超声波探伤完全可以检测壁厚为3.0 mm的薄壁管。
某电力公司锅炉的部分小径管采用不锈钢材料，其中以18-8钢为多，规格为φ42 mm×5 mm、φ36 mm×6 mm，采用全氩弧焊接，焊宽在8 mm左右，管壁表面状态要比同规格的合金钢管好，做成专用对比试块对其回波幅值进行测定，利用同种钢管材制成专用试块2型，把异种钢焊口磨平制成槽、孔，在焊缝中心进行比较，得到数据如表2所示。
从表2可看出18-8钢是具备小径管超声波探伤条件的。对18-8钢、 18-8/12Cr1MoV 焊口小径管超声波探伤进行实验，结果令人满意。
3 结论
通过实际测试可以肯定对3～4 mm壁厚，18-8钢、18-8/12Cr1MoV焊口的小径管超声波探伤是可行的。
DL/T 5048-95标准执行后，使小径管超声波探伤有据可循。对保证“四管”焊口质量、缩短检修工期、减少探伤工作量及焊口泄漏有十分重大的意义。

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