电站锅炉小径管超声波检测技术

电站锅炉小径管超声波检测技术

内容摘要小径管是电站锅炉广泛应用的一种材料，其焊接质量关系到锅炉的安全运行。对其焊接质量的内部检验主要依赖于无损检测技术。本文分析了小径管超声波检测的困难，分析了解决这些困难的方法，制订了有针对性的检测工艺，较好地满足了检验要求。

一、引言

小径管是指壁厚4～14mm，外径32～89mm的管子。小径管在锅炉和压力容器制造安装过程中应用较广，承受较高的压力。特别是火力发电厂的水冷壁管、过热器管、再热器管等大都属于小径管。

小径管其对接接头的无损检测，常用的方法为射线检测和超声波检测。射线检测时，采用双壁双投影椭圆成像。此时为了提高透照的宽容度，往往采用较高的射线能量。因此，这种情况下，缺陷的检出率是很低的，特别是危害严重的裂纹常常发生漏检。此外，很多小径管在安装过程中，管子密集排列，处于困难位置，给射线探伤带来很大的难度。而采用超声波检测，不仅检测速度快，检测成本低，而且由于超声波检测固有的特点，对面积型缺陷（裂纹、未熔合）等敏感，检测灵敏度高，检测的安全可靠性大大提高。但是由于小径管其管壁曲率大，声波耦合困难，其反射面声能损失较大，壁厚薄，探头的前沿长度对检验的影响大，因而，对小径管对接接头中的危害性缺陷较难判定，影响了超声波在小径管检测中的应用。

二、小径管超声波探伤的困难

（一）、壁厚和焊缝宽度影响

小径管管壁薄，焊缝宽，如用普通斜探头探伤，因前沿距离长，用一次波探伤时，主声束扫查不到小径管焊缝根部，如改用三次波探伤，则因探头发射的声束宽，声束扩散，加之小径管曲率大的影响，造成声束严重散射，使得回波游动范围大，反射回波杂乱，给缺陷的判定和定位带来很大的困难，影响到探测的可靠性。

（二）、曲率半径影响

小径管曲率半径小，普通探头探测接触面小，曲面耦合损失大；超声横波在小径管内表面反射，发散严重，探伤灵敏度低；小径管壁薄，超声横波声程短，容易在近场区内检测，对缺陷判定带来很多困难。

综上所述，用常规超声波探伤方法对小径管焊缝的检验存在很大的困难，必须采用专用的探伤工艺，探头和仪器。

三、超声波探伤条件的选择

（一）、探伤仪器

小径管曲率半径小，壁薄，超声波探伤时杂波较多，为了便于判伤，要求探伤仪器的主要性能指标除应满足ZBY230-84标准规定的各项要求外，还应具有较高的分辨力和较窄的始脉冲宽度，最好使用数字式超声波探伤仪。

（二）、探头

1、斜锲

为了解决小径管焊缝因壁薄，曲率半径小、焊缝余高宽等因素对

缺陷的判定和定位带来的困难，就要设计制造短前沿，大折射角的小探头。探头设计中，一个关键的因素是设计透声斜锲。透声斜锲在横波斜探头中的主要作用是使超声纵波以一定的角度倾斜入射至被探工件的探测表面，并转换成所需折射角的横波，从而达到横波探伤的目的。由于小径管专用探头，折射角大，按声学折射定律，为了增加折射角，就必须增大斜锲的折射率。采用纵波声速较小的聚峰材料制造的斜锲可以满足要求。

图一探头与管子接触面

此外小径管外表面是曲率半径较小的圆柱曲面，为了实现较好的声耦合，一般须将探头斜锲加工成与管壁吻合良好的曲面，探头与管子接触部位的边缘，其间隙（如图一）不应大于0.1mm。在加工曲面时，必须严格防止探头斜锲磨损量过大，致使其曲率半径小于管子曲率半径情况的出现。

2、压电晶片

探头斜锲加工成曲面后，探头边缘声束会产生散射，晶片尺寸愈大，散射愈严重。为了减少这种散射的不利影响，同时为了减小探头前沿长度，压电晶片尺寸不宜太大，而且要求晶片装配过程中精度要

高。目前小径管焊缝探伤中，平面单晶斜探头晶片尺寸一般多为5×5、5×6或6×6。

3、频率

探头晶片尺寸小，超声横波指向性就变差。小径管壁薄，反射杂波多，为了改善探头指向性，提高探伤分辨力和探伤灵敏度，一般应采用较高的探测频率如5MHz。

4、横波折射角（K值）

焊缝横波探伤中，探头折射角的选择，主要取决于探伤时所用的探伤方法、声程范围和被检工件的厚度。一般以一次波和二次波探伤为好。这样可以减少横波声束在管子内、外壁的折转次数，从而减少声能损失。对小径管焊缝探伤而言，还需考虑焊缝余高宽度对探头移动范围的限制。采用一次波和二次波进行探伤，能够简化探伤工艺，使得根部及附近区域的缺陷易于发现和准确判断，也可发现焊缝中的其他缺陷。

对小径管焊缝，要想利用一、二次波探伤，就须选用较大折射角的探头，使横波声束能扫查到整个焊缝截面。同时选用大折射角探头，还可增加横波在壁薄管中的声程，避免在近场区内探伤对缺陷定位定量误差大的不利因素。

图二扫查范围

为满足规程DL/T5048-95《电力建设施工及验收技术规范·管道焊接接头超声波检验篇》的要求，选用的横波斜探头应满足直射波扫查到焊接接头1/4以上壁厚范围，如图二所示。对于壁厚一定的管子，可以有三个办法：一是减小焊缝的宽度；二是减小探头前沿长度；三是增大探头折射角。但是探头折射角不能无限增大，因为声束扩散作用，当纵波入射角超过一定值后，纵波声束前缘可能已经超过第二临界角，因而在第二介质中产生变形表面波，它会干扰对缺陷的正确判定。一般折射角在65～75°之间。DL/T820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》推荐的折射角如下表：

5、探头前沿长度

小径管焊缝超声波探伤中，由于内壁是凸圆柱曲面，因此超声反射发射严重，所以二次波探伤灵敏度明显低于一次波。为了尽可能增加一次波在焊缝中的扫查面积，保证一次波声束能扫查到焊缝下部占壁厚1/4的范围，这就要求探头有一定的移动区域。因此应尽量缩短探头前沿距离。为了减小前沿长度，一方面应减小压电晶片尺寸，其次还应使压电晶片在斜锲中尽量前移。这样对探头制作工艺就增加了难度，需要从透声斜锲的材料、形状和尺寸上做出合理的设计。规程中规定，前沿长度L≤5mm。

6、表面波的控制

小径管专用探头由于折射角度大，如果处理不好，很容易产生表面波，而这种表面波的反射将会干扰对缺陷的判定，因此必须对表面波加以控制。

（三）、试块

采用DL/T820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》推荐的小径管专用试块。

小径管专用试块虽然可以用来调节探伤灵敏度，而且试块的直径也有三种规格，但由于小径管的曲率、壁厚以及内、外壁表面的粗糙度变化等因素，造成声束散射。若仅以小径管专用试块Φ2mm横通孔为基准来调节探伤灵敏度，将会导致定量误差大，甚至造成误判或漏检。为了对缺陷进行准确定量，保证探伤准确，应在探伤前利用灵敏度补偿试块对被探管子内、外壁表面声能损失进行测定，以便对探伤灵敏度进行补偿。

小径管对接焊缝中，根部缺陷是比较常见而且又危险的缺陷，为了对焊缝根部的未焊透、内凹等缺陷的判断和定量，可以设计制作根部缺陷当量对比试块。

四、小径管超声波探伤应用

在电站锅炉安装监督检验过程中，对焊接质量的抽查是保证焊接质量的重要手段。我们对珠江电厂3#炉改扩建工程的水冷壁管子，规格为Φ60×7的对接焊缝进行了超声波抽查，如图三所示。