T91／P91钢管焊接接头的超声波探伤

T91／P91钢管焊接接头的超声波探伤
张晓明;黎世斌;胡戊希
【摘要】The sound velocity in T91/P91 steel was calculated and tested, then by the reflection law of sound and geometric relationships, the change of K values, depth and horizontal distance was calculated when the T91/P91 steel was inspected by common probes with different K values. The weld joint of T91/P91 steel pipe and the weld joint between T91/P91 and low-alloy steel could be inspected by the common ultrasonic probe and test block.%通过对T91／P91钢中声速的理论计算和实际测试，利用声波的反射规律和运用几何关系，计算了常用不同K值探头在对T91／P91钢进行超声波探伤中的K值变化、深度和水平距离的差异。

用常用探头和普通试块即可完成T91／P91钢管焊接接头以及与T91／P91钢对接的普通低合金钢焊接接头的超声波探伤。

【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2011(047)007
【总页数】3页(P425-427)
【关键词】T91钢;P91钢;钢管;焊接接头;超声波探伤
【作者】张晓明;黎世斌;胡戊希
【作者单位】广东火电工程总公司金属试验室,广州510730;广东火电工程总公司金属试验室,广州510730;广东火电工程总公司金属试验室,广州510730
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.285
T91和P91钢属于改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢。

T91钢应用于电站锅
炉受热面，多为小径管；P91钢应用于电站锅炉非受热面，多为中、大口径管。

这两种钢具有较高的抗氧化性能和抗高温腐蚀性能、良好的冲击韧度、高且稳定的持久及热强性能、良好的导热系数和较小的膨胀系数。

在使用温度低于620℃时，这两种钢的许用应力高于奥氏体不锈钢的许用应力。

因此这两种钢逐步替代了T22，X20CrMoV121，TP304L，TP347H和24Cr-1Mo钢，广泛应用于电站的高温过热器、高温再热器、联箱和主汽管道。

T91和P91钢中的合金元素含量高，大于10％，按通常方法折算成的碳当量高，淬硬倾向大，焊接时熔敷金属从高温冷却时易产生淬硬性马氏体组织，在氢和拘束应力的作用下易产生冷裂纹，即焊缝有冷裂纹倾向。

熔敷金属溶液的粘度大、流动性差，在低参数施焊过程中易产生未熔合和未焊透等危害性缺陷。

T91钢大多使用在高参数运行设备上，承受很高的温度和应力，如存在危害性缺陷会危及电力安全生产，因此对这些危害性缺陷应采用有效的方法检出。

由于超声波探伤对面状缺陷的检出率高，特别是对焊接接头的裂纹、未熔合和未焊透等危害性缺陷的检出率高，因此在机组安装或停机检修的检验中往往采用超声波探伤。

由于T91和P91钢的合金含量高，超声波在该钢中传播的声速与在普通低合金钢中的不同，焊接接头超声波探伤常用的斜探头的K值(或β角)也会发生变化，因此在普通低合金钢试块上调整好扫描速度后，再去探测T91/P91钢同深度缺陷时，其深度和水平指示均发
生了变化。

为有效解决探伤中的指示误差，笔者通过理论计算和实践研究，通过使用不同K值(或β角)的探头对普通低合金钢和T91/P91钢管焊接接头试样进行超
声波探伤，探讨了深度和水平指示值的修正方法。

声速的大小取决于介质的性质，主要与介质的密度ρ、弹性模量E及泊松比σ有关。

从文献[1]查得T91钢在室温的参数为：E＝2.20×105MPa，ρ＝7.78kg/m3，σ＝0.29。

依据横波和纵波的计算公式[2]计算得出：横波声速CL＝6 087.39m/s，纵波声速Cs＝3 310.64m/s。

为测定T91/P91钢的声速，依据JB/T7522-1994[3]采用A型脉冲超声波探伤仪，通过与已知声速对比试块的比较，采用多次底波法进行测定，并按下式计算求得
T91/P91钢的纵波声速值。

式中 Sk，Sn——对比试块和测定材料上的第一次和第n次底面回波距离的测定值，mm；
N，Nk——测定材料和对比试块上声的往返路程数(次数)；
T，Tk——测定材料和对比试块的厚度，mm；
CkL——对比试块已知的纵波声速，m/s。

为了更准确地确定T91/P91钢的声速，笔者对两个T91钢管试样进行纵波声速测定，测定结果为：1号试样的CL＝6 110m/s，2号试样的CL＝6 120m/s，与纵
波理论计算值CL＝6 087.39m/s相比误差较小。

T91/P91钢的横波声速可依据理论计算值Cs＝3 310.64m/s采用近似值取为Cs91＝3 310m/s。

碳钢横波声速Cs ＝3 230m/s[4]。

当用同一个探头扫查普通低合金钢和T91/P91钢时，根据声波折射原理，则有：
式中α——探头的入射角；
CL——探头斜楔透声材料的纵波声速；
β——普通低合金钢中的折射角；
Cs——普通低合金钢中的横波声速；
β91——T91/P91钢中的折射角；
Cs91——T91/P91钢中的横波声速。

由式(2)可求得普通低合金钢中不同K值(或β角)探头在T91/P91钢中的K值(或β角)，这与用普通低合金钢试块和T91/P91钢专用试块实测的结果是相同的，见表1。

由表1可见，声速的差异对探头的K值(或β角)影响较大，例如在普通低合金钢中K＝2.7的探头和在T91/P91钢中K≥3.47的探头由于受表面波的干扰较大而不宜使用。

因此对T91/P91钢进行探伤时，探头K值(或β角)的选择范围应予调整，
最大K值应选择到标称K2.7。

根据超声波探伤仪的原理可知，缺陷反射波在示波屏横轴上反映的实质是声波传播的时间。

即示波屏上的τ值实际上代表的是声波传播时间。

当在普通低合金钢试块上按深度调整好时基扫描比例后，用同一探头去探测同一深度(H)反射体时，由图1可知，在普通低合金钢和T91/P91钢中声波的反射时间分别为：
超声波探伤仪横轴上的τ值代表的是声波传播时间，所以也可将式(5)写成：
如果采用不同K值探头在普通低合金钢试块上按深度调整好扫描比例后探测
T91/P91钢，其深度显示的变化也不同，具体可参见表1或按式(6)计算得出。

当用普通低合金钢试块调整好扫描速度后探测T91/P91钢时，其声速的变化对缺
陷的水平定位也有影响。

计算的水平距离为：
实际的水平距离为：
由表1可见，L91/L＝1.05，为常数。

综上所述，对T91/P91钢可使用常规探头进行超声波探伤。

利用试块对仪器扫描
速度进行调试时，由于声速的不同，应按式(2)对斜探头的K值(或β91)进行修正。

其深度和水平位置应按式(6)和(9)或表1所列参数进行修正，即深度(示波屏显示深度)除以(τ91/τ)的数值，水平距离除以1.05，此时的位置就是缺陷的深度和水平位
置。

T91/P91钢管焊接接头的超声波探伤结果应按照DL/T820—2002[5]进行评定。

(1)在已知T91/P91钢中的声速后，利用声波的反射规律和运用几何关系，计算了常用不同K值探头在对T91/P91钢探伤中的K值变化、深度和水平距离的差异。

用常用探头和普通试块即可完成T91/P91钢管焊接接头以及与T91/P91钢对接的普通低合金钢焊接接头的超声波探伤。

(2)由于P91钢管的可焊性相对较差，对P91钢焊接接头的超声波探伤应在焊接结束48h后进行。

实施超声波探伤时，条件许可时应采用两种不同K值的探头探伤。

在探伤过程中应注意校核仪器和探头。

对于示波屏上每个未达到判废线的缺陷反射回波信号，应尽可能根据波形特征、缺陷在焊接接头中的位置及焊接工艺等因素进行综合分析，判定缺陷性质，杜绝危险性缺陷的漏检。

(3)对T91/P91钢管焊接接头实施超声波探伤时，探伤扫查灵敏度应高于探伤评定线灵敏度。

【相关文献】
[1] 姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册[M].北京：中国电力出版社，2001.
[2] 郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
[3] JB/T7522—1994 材料超声速度的测量方法[S].
[4] 《超声波探伤》编写组.超声波探伤[M].北京：劳动人事出版社，1995.
[5] DL/T820—2002 管道焊接接头超声波检验技术规程[S].。