馬氏體耐熱鋼焊縫超聲波探傷P 91專用試塊必要性探討

供稿|黎軍保，趙旻忞，朱志前 / LI Jun-bao, ZHAO Min-min, ZHU Zhi-qian

馬氏體耐熱鋼P(yáng)91在600 MW及以上超臨界和超超臨界機(jī)組的建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，其焊縫超聲波檢驗(yàn)也越來(lái)越普遍。P91專用試塊制作成本相對(duì)較高，一些亞臨界機(jī)組，特別是300 MW級(jí)機(jī)組，P91/T91焊縫不多，如果為此特別定制專用試塊，會(huì)相對(duì)增加檢驗(yàn)成本。為保證檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低檢驗(yàn)成本，一些研究人員提出僅采用通過(guò)計(jì)算找出因材質(zhì)聲學(xué)性能不同而產(chǎn)生變化規(guī)律，并進(jìn)行相應(yīng)的修正。

然而，不使用P91專用試塊，通過(guò)計(jì)算修正方式達(dá)到對(duì)P91材質(zhì)工件的超聲波探傷是否可行，對(duì)缺陷判定和電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義，有必要進(jìn)行論證和探討。

超聲波在P91中的聲速

超聲波探傷前，對(duì)超聲波探頭性能參數(shù)的測(cè)定均是在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行的，目前現(xiàn)場(chǎng)使用的CSK-1型及DL-1型標(biāo)準(zhǔn)試塊，均是優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成。由于超聲波的聲速與傳播介質(zhì)的密度、彈性模量、泊松比有關(guān)，因此超聲波在不同介質(zhì)中的聲速不同?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得出超聲波在P91中的傳播速度：

式中，CL為縱波聲速，Cs為橫波聲速，E 為介質(zhì)彈性模量，υ為泊松比，ρ為介質(zhì)密度。

通過(guò)火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)查出材質(zhì)P91在20℃時(shí)的性能參數(shù)為：E=2.2×105MPa，σ=0.29，ρ=7.78 t/m3。

由式(2)可得P91在常溫下的橫波聲速為CSP=3310 m/s；而普通碳素鋼的橫波聲速為CSC=3230 m/s。

超聲波在P91中的K值變化

探頭的前沿與K值是超聲波探傷中的重要參數(shù)。探頭的前沿是探頭本身的固有參數(shù)，在超聲波探傷中不會(huì)因材質(zhì)的改變而改變。但探頭的K值則會(huì)因不同材質(zhì)的不同聲速發(fā)生一定的變化。

式中，βC為碳素鋼中橫波折射角，CSC為碳素鋼中橫波聲速，βp為P91中橫波折射角，CSp為P91中橫波聲速，KP為探頭在P91中的實(shí)際K值。

為了能夠全面覆蓋現(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷的需要，取1、1.5、2、2.5、3共5種K值的探頭，通過(guò)計(jì)算得出它們?cè)赑91中的實(shí)際K值，如表1。

表1 碳素鋼與P91鋼K值對(duì)比

P91探傷中的缺陷定位

由于不同材料聲速不同，以及聲速改變?cè)斐蒏值的變化，會(huì)使缺陷顯示位置與實(shí)際位置產(chǎn)生一定偏差。分別計(jì)算缺陷深度D和水平偏差L：

式中,τD為缺陷的深度偏差率，D實(shí)為缺陷的實(shí)際深度，D顯為缺陷的顯示深度，X實(shí)為缺陷的實(shí)際聲程，X顯為缺陷的顯示聲程。

式中，τL為缺陷的水平偏差率，L實(shí)為缺陷的實(shí)際水平位移，L顯為缺陷的顯示水平位移，X實(shí)為缺陷的實(shí)際聲程，X顯為缺陷的顯示聲程。

依舊取5種常見(jiàn)K值的探頭，分別計(jì)算其在P91材質(zhì)探傷過(guò)程中對(duì)缺陷定位產(chǎn)生的水平及深度偏差率，見(jiàn)表2。

表2 缺陷偏差率

衰減系數(shù)對(duì)缺陷定量產(chǎn)生的影響

缺陷反射回波強(qiáng)弱與材質(zhì)的衰減系數(shù)有關(guān)，相同深度相同大小的缺陷，會(huì)因材質(zhì)衰減系數(shù)的不同產(chǎn)生不同強(qiáng)度的反射回波，因此測(cè)量偏差可能會(huì)隨著缺陷深度的增加而變大。利用碳素鋼和P91材質(zhì)的CSK-1A試塊分別測(cè)定碳素鋼和P91材質(zhì)的衰減系數(shù)。

式中，α為材質(zhì)的衰減系數(shù)，dB/mm；Bm、Bn分別為第m、n次底波高度；δ為反射損失，每次反射損失約為(0.5～1.0)dB；x為試塊厚度。在測(cè)定中，為方便計(jì)算，取m=1，n=10。

經(jīng)過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)：BmC=BmP=80，BnC=BnP=10，即αc=αP，也就是說(shuō)，在實(shí)際探傷過(guò)程中可忽略因材質(zhì)不同而產(chǎn)生的回波衰減偏差的影響。

實(shí)際測(cè)定

以為確保理論的可行性，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際測(cè)定進(jìn)行論證。

首先利用碳素鋼和P91材質(zhì)的CSK-1A試塊分別測(cè)定K=1和K=3探頭的聲速，見(jiàn)表3。

然后利用兩種試塊對(duì)K=1，2，3三種探頭的K值進(jìn)行測(cè)定，見(jiàn)表4。

最后，利用在碳素鋼試塊上制作好的DAC曲線，在P91CSK-ⅢA試塊上對(duì)缺陷深度進(jìn)行測(cè)定。為突出對(duì)比性，只選擇了K=0.96和3兩種探頭，具體情況見(jiàn)表5。由于缺陷水平偏差在工程中意義不大，因而沒(méi)有進(jìn)行測(cè)定。

表4 兩種試塊實(shí)測(cè)K值

表5 缺陷顯示深度對(duì)比

對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)超聲波在P91中聲速的變化，以及因此產(chǎn)生的K值及缺陷位置的變化進(jìn)行了推算。從理論上，可以認(rèn)為通過(guò)找出因聲速變化而在探傷過(guò)程中產(chǎn)生的變化規(guī)律，對(duì)顯示數(shù)值進(jìn)行修正，就能夠準(zhǔn)確的定位出缺陷的深度、水平位置及反射回波強(qiáng)度。但在實(shí)際測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題：(1)探頭的實(shí)際K值與標(biāo)定K值往往會(huì)出現(xiàn)一定誤差；(2)聲速實(shí)測(cè)值與材質(zhì)的真實(shí)聲速會(huì)產(chǎn)生誤差；(3)由于聲速測(cè)定時(shí)產(chǎn)生的誤差，對(duì)探頭K值的測(cè)定會(huì)產(chǎn)生很大影響；(4)如果沒(méi)有專用的P91試塊，無(wú)法通過(guò)對(duì)比孔深對(duì)聲速實(shí)測(cè)值進(jìn)行有效復(fù)驗(yàn)，也就無(wú)法準(zhǔn)確推算P91材質(zhì)的工件中缺陷的實(shí)際位置；(5)在探傷過(guò)程中根據(jù)規(guī)程要求選用的探頭，會(huì)因聲速不同導(dǎo)致實(shí)際K值變化，而超出規(guī)程要求。

結(jié)束語(yǔ)

利用公式推算出P91材質(zhì)在超聲波探傷中可能產(chǎn)生的變化，并進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際測(cè)定進(jìn)行論證?？傻贸觯?(1)對(duì)P91材質(zhì)工件的超聲波探傷，應(yīng)盡量選用同種材質(zhì)的專用試塊對(duì)探頭及儀器進(jìn)行校驗(yàn)；(2)在特定條件下，如果沒(méi)有專用試塊，在通過(guò)計(jì)算修正對(duì)P91工件進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，厚度為14～50 mm的工件采用直射法與一次反射法；厚度為51～100 mm的工件僅采用直射法，使用兩種或以上K值的探頭進(jìn)行掃查，缺陷定位以K=1探頭為準(zhǔn)，因材質(zhì)聲速而產(chǎn)生的深度誤差可忽略不計(jì)；對(duì)于厚度大于100 mm的工件，在顯示深度在100 mm以上的缺陷實(shí)際位置時(shí)，可參考式(6) 計(jì)算D實(shí)=τDD顯=0.95D顯；(3) 在對(duì)P91/T91材質(zhì)工件進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，為盡量避免因聲速不同導(dǎo)致的變化，無(wú)論是否具備專用試塊，在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，均應(yīng)使用最小K值的探頭；(4) 實(shí)際測(cè)定表明：?jiǎn)螒{計(jì)算修正就可以確保缺陷的檢出率與準(zhǔn)確性，無(wú)需因此增加探傷成本的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，不可取的。