集箱管座角焊缝超声波探伤方法研究

收稿日期:20040803

作者简介:张彦新(1973),男,工程师,主要从事无损检测技术工作。

集箱管座角焊缝超声波探伤方法研究

An Inve stigation to Flaw Detecting Method for

Fillet Weld of Tube -seat on Header

张彦新1,牛晓光1,郝晓军1,张宏芹2

(1.河北省电力研究院,河北　石家庄　050021;2.河北热电有限责任公司,河北　石家庄　050041)

摘要:采用小角度纵波探头从集箱侧入射,配合大角度、短前沿、小晶片斜探头从管座侧入射的超声波检验方法对锅炉集箱小径管管座角焊缝进行检验,经理论分析、试验室及现场应用试验证明,该方法具有灵敏度高、易于应用等特点。关键词:管座角焊缝;超声波探伤;小角度纵波探头;缺陷

Abstract :The ultrasonic detecting method ,using small angle longitudinal wave probe injecting from header side ,along with the big angle short front edge and small crystal chip bevel probe injecting from tube seat side ,is proved effective ,through theo 2retical analysis ,laboratory and application tests ,for flaw detec 2tion of tube

seat fillet weld of small tube on header.This

method has the features of high sensitivity and is easy to use.K eywords:tube

seat fillet weld ;ultrasonic flaw detection ;

small angle longitudinal wave probe ;defect

中图分类号:TG 441.7文献标识码:B

文章编号:10019898(2004)06004104

1　问题的提出

集箱管座角焊缝(以下简称角焊缝)是连接管排

与集箱的刚性结构,其结构应力主要集中在角焊缝根部,若集箱或管排膨胀不畅,应力也主要传递到焊缝根部。该角焊缝在焊接过程中冷却速度快,容易出现未焊透、未熔合、裂纹等缺陷。在锅炉启/停和运行过程中,瞬间的温度变化和运行工况波动都会使连接管与集箱之间出现较大的温差,因此会产生较大的热应力,并导致上述缺陷的扩展及热疲劳裂纹的形成与发展。对近年来河北省南部电网角焊缝泄漏的分析结果表明,大部分泄漏是由于角焊缝在制造过程中形成的未焊透、未熔合、裂纹等危险性缺陷在运行中扩展导致的,因此对角焊缝内部缺陷的检验至关重要。

由于小口径管座角焊缝结构复杂,目前国内外还没有一种有效的焊缝内部质量检验方法。虽然X

射线可作为一种检测手段,但存在着以下几个突出

问题:

a.集箱管座管排密、间距小,大部分位置无法摆放射线机,没有合适的透照角度。

b.由于最佳投影角度受到限制,射线对未熔合、裂纹等面积性危险缺陷检出率较低。

c.角焊缝数量多,工期紧,射线探伤效率低。超声波检验对未焊透、未熔合、裂纹等危害性面积型缺陷检测灵敏度较高,该方法是角焊缝内部缺陷检验的主要发展方向。经可行性研究、试验后,首次应用小角度纵波探头从集箱侧入射,配合大角度、高频率、短前沿、小晶片斜探头从管座侧入射的超声波检验方法对锅炉集箱小径管管座角焊缝进行超声波探伤。

2　集箱管座的结构及超声波检验可行性分析2.1　结构

在集箱的设计制造过程中,管座的开孔坡口型式在总结实践经验的基础上不断地进行调整,现常见2种坡口型式。

a.安放式管座　其结构型式如图1所示,易发生缺陷的部位为焊缝与管座及集箱熔合线部位,焊缝裂纹、未焊透等易出现在焊缝根部

。

图1　安放式角焊缝结构示意图

b.插入式管座　其结构型式如图2所示,焊缝结构型式较安放式管座复杂得多。该结构管座角焊缝由于具有应力集中程度低、结构疲劳寿命长、焊接金属填充量大、焊缝区域强度大、管座坡口补强好等优点而得到了广泛应用。该结构属未焊透结构,在温度应力和结构应力共同作用时,根部未焊透超标、坡口未熔等缺陷易成为裂纹源,最终使结构失效

。

图2　插入式角焊缝结构示意图

2.2　可行性

根据对河北省南部电网各发电厂机组的调查,

锅炉集箱管径一般为273～608mm ,集箱壁厚为20～65mm ,管座管径为42～89mm ,管座壁厚为4～10mm ,集箱管座间距为30～40mm 。

在焊缝缺陷中,面积型缺陷的应力集中系数和应力强度因子远大于体积型缺陷,因此在检验中首先要将裂纹、未焊透、未熔合缺陷的检出作为重点,其次是夹渣和气孔的检出。在角焊缝的缺陷中,由于焊缝冷却速度快及角焊缝应力集中系数大造成的应力裂纹一般出现在焊缝根部,与未焊透出现的位置相近;坡口未熔合一般出现在集箱侧及管座侧的焊缝熔合线部位;未焊透缺陷出现在焊缝根部。这些面积型缺陷利用超声波纵波和横波探伤时灵敏度较高。

根据对管座角焊缝结构的分析,如图3、图4所示,选用小角度纵波探头从集箱外壁入射、大角度小径管探头从管座侧入射的超声波检验方法进行检验。

图3　插入式角焊缝超声波检验示意图(单位:mm )

图4　安放式角焊缝超声波检验示意图

3　超声波探伤工艺设计及试验结果分析3.1　小角度纵波斜入射探头的设计与选择

针对管座侧斜探头检测存在部分漏检区及集箱侧普通斜探头入射无法检测到焊缝的问题,采用小角度纵波探头在集箱外壁位置进行探伤,探头主声束与探头轴线成一定的夹角,可以探测到普通直探头不能检测的区域。3.1.1　小角度纵波探头折射角的选择

小角度纵波探头的折射角度首先应满足能扫查到整个焊缝区域,如图3、图4所示需满足公式:

β≥arctg

a +l 0

2T (1)β≤arctg

l -5

2T

(2)式中　β———探头折射角;T ———集箱壁厚;a ———焊缝宽度;l 0———探头前沿长度;

l ———管座间的距离。

根据集箱壁厚及角焊缝的型式规格选择探头角

度,在满足式(1)、式(2)要求的情况下,尽量选择角度较小的探头,以提高探伤灵敏度。3.1.2　探头其它参数的选择

综合考虑近场长度、灵敏度、集箱外壁曲面及管座间距等问题,选择探头晶片为<6mm ～<10mm ,频率为2～5MHz 。3.1.3　集箱外弧曲面对缺陷定位的影响

由于集箱内、外壁为曲面,在周向和轴向探伤时超声波的定位会有不同:

轴向检测时,二次波定位采用如下公式:

L =2T ×tg β

(3)式中　L ———集箱外壁缺陷水平距离;