超聲檢測在耐熱鋼窄間隙橫焊對接接頭工藝評定中的應(yīng)用

金 亮 朱 琪 馬向東 姜學(xué)平 魏 寧

（1.江蘇電力裝備有限公司 常州 213012）

（2.安徽津利能源科技發(fā)展有限責(zé)任公司 合肥 230000）

（3.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

（4.河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 常州 213022）

9%～12%Cr 馬氏體耐熱鋼具有高的蠕變斷裂強(qiáng)度、韌性良好等性能被廣泛用于火電行業(yè)四大管道系統(tǒng)。依據(jù)DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[1]的要求在預(yù)制階段對接接頭一般為氬弧焊打底（內(nèi)壁充氬防氧化）+手工焊填充兩層+埋弧焊連續(xù)施焊至蓋面完成[2]。此焊接方法組合下勞動效率較高，但焊接材料消耗量相對較大；而固定結(jié)構(gòu)或現(xiàn)場管口，進(jìn)行雙人對稱手工焊的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

全位置窄間隙氬弧焊TIG 焊接技術(shù)在大壁厚管道已有運(yùn)用其遵循控制熱輸入的原則，即運(yùn)用小線能量、薄焊層、多層多道來焊接，有利于減小焊接接頭的應(yīng)力，提高焊接接頭性能。既減少了熔覆金屬的填充量，降低生產(chǎn)成本；又可彌補(bǔ)埋弧焊只能平焊的缺點(diǎn)，克服手工焊質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，并且可改善勞動強(qiáng)度[3]。然而窄間隙氬弧焊由于焊接諸參數(shù)、工件坡口等因素的綜合影響，特別容易產(chǎn)生面狀缺陷未熔合。

依據(jù)DL/T 869—2021 規(guī)定：焊接工程按照DL/T 868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》或NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》應(yīng)進(jìn)行工藝評定，試件焊接完成后應(yīng)進(jìn)行射線檢測（RT），檢測結(jié)果只要避開面狀缺陷符合取樣長度即可。首先按工藝委托進(jìn)行γ 射線檢測，因源的種類和工件厚度的影響射線檢出率不高，后續(xù)更改選用常規(guī)超聲（PE）、衍射時(shí)差（TOFD）和相控陣（PAUT）3 種超聲技術(shù)分別進(jìn)行檢測。

本文介紹了超聲技術(shù)在大壁厚、特定焊接方法、特殊幾何結(jié)構(gòu)對接接頭中的檢測效果。

1 試件規(guī)格和各項(xiàng)參數(shù)

本焊接工藝評定是為現(xiàn)場固定管口窄間隙氬弧焊（TIG）橫焊制作的試件。材質(zhì)為SA335P92，規(guī)格φ570×50/70 mm，坡口形式U 型，焊接位置橫焊2G，試件坡口參數(shù)和焊接見圖1。

圖1 工藝評定試件坡口參數(shù)和焊接

焊接工藝為NG-TIG 打底（焊縫根部打底2 層，沖氬保護(hù)防止氧化和保證背面成形良好），然后填充至蓋面完成（工藝參數(shù)的設(shè)定與修正，克服重力對焊接過程的不利影響，保證獲得理想的熔池狀態(tài)和焊縫成形）。施焊時(shí)試件垂直固定，焊接機(jī)頭沿固定軌道進(jìn)行全周循環(huán)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)整條環(huán)縫的多層多道橫焊[4]。（注：RT、TOFD、PAUT 檢測的起始0 位置和方向均相同）。

2 γ 射線檢測和結(jié)果

檢測工藝符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2 部分：射線檢測》[5]：使用Ir192（φ3 mm×3 mm），透照厚度T=50 mm，源內(nèi)中心透照符合減半0.5f條件，焦距F=285 mm，增感屏為鉛0.2/0.1×2/0.2 mm（前/中/后），奇、偶布片（L3長度平均），曝光時(shí)間15 min，射線膠片為Agfa-C4，像質(zhì)計(jì)靈敏度為6FeJB（8/0.63），黑度和靈敏度均符合要求。檢測結(jié)果見圖2 ～圖4。

圖2 射線底片1#（黑度：2.68 ～2.97，L3=223 mm）

圖3 射線底片3#（黑度：2.47 ～2.65，L3=223 mm）

圖4 射線底片7#（黑度：2.55 ～2.89，L3=223 mm）

檢測結(jié)果：以上3 張底片基本上未顯示出特定面狀缺陷影像。

分析原因：首先γ 射線為線狀譜，本底噪聲高，影響固有不清晰度Ui和對比度ΔD；其次大壁厚b值一定時(shí)，在內(nèi)透中心透照方式允許放寬0.5f條件下，增大了幾何不清晰度Ug。2 個因素引起靈敏度急劇下降，影像被放大模糊，此類面積型缺陷更容易漏檢。

目前常規(guī)超聲PE 結(jié)合數(shù)字成像技術(shù)對面狀缺陷檢出效果非常好。故建議焊接工藝委托改用超聲方法進(jìn)行多元化互相驗(yàn)證檢測。

3 超聲檢測和結(jié)果

目前超聲檢測分為常規(guī)超聲PE（不可記錄），數(shù)字成像（可記錄）TOFD 和PAUT。

3.1 常規(guī)超聲PE 檢測

使用汕超SIUI-9009PLUS，探頭為2.5P13×13-K1、K2，5P8×12-K2.5。工藝要求符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3 部分：超聲檢測》[6]：3 種角度探頭采用多種掃查方式，其中K1、K2 以1.1T 對應(yīng)聲程位置起始一次波掃查，K2.5 對近表面缺陷掃查；同時(shí)進(jìn)行斜平行掃查。檢測結(jié)果見表1 和圖5 ～圖7。

表1 常規(guī)超聲PE 檢測結(jié)果

圖5 缺陷1（上層1/3）

圖6 缺陷2（中層1/3）

圖7 缺陷3（底層1/3）

檢測結(jié)果分析：缺陷1 采用K2.0、K2.5 多向掃查（近表面缺陷K1 不適用），其中K2.5-B 側(cè)波幅處于III 區(qū)，兩種角度波幅差ΔdB=16.4，結(jié)果符合未熔合的靜態(tài)和動態(tài)波形；缺陷2 采用K1.0、K2.0、K2.5 三種角度多向掃查，其中（K2.0 和K2.5）-B 側(cè)波幅均處于III 區(qū)，3 種角度波幅差ΔdBmax=13.6，結(jié)果也符合未熔合靜態(tài)和動態(tài)波形（其中K1.0 在B 側(cè)由于焊縫余高寬度限制檢測不完全）；缺陷3 為近根部缺陷，不仔細(xì)觀察會漏檢（且在B側(cè)檢測時(shí)波形指示不完整）。

3.2 TOFD 檢測（對應(yīng)上述PE 檢測的3 處缺陷）

檢測工藝符合NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測》[7]：使用ISONIC 2010，5Mφ6-60°，PCS=115 mm。檢測結(jié)果圖譜見圖8，檢測結(jié)果見表2。

表2 TOFD 檢測結(jié)果

圖8 TOFD 檢測圖譜

3.3 PAUT 檢測（對應(yīng)上述PE 檢測的3 處缺陷）

檢測設(shè)備是ISONIC 2010 32/32，對比試塊P92、CSK-IIA-3。根據(jù)焊縫坡口結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15 部分：相控陣超聲檢測》[8]設(shè)計(jì)分區(qū)，單面雙側(cè)縱向垂直掃查+扇掃描幾何結(jié)構(gòu)顯示，保證聲束對檢測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)二次全覆蓋。

●3.3.1 分區(qū)一

分區(qū)設(shè)置：t/2 ～t，即25 ～50 mm，一次波檢測。探頭位置1 距焊縫熔合線S1=15 mm，探頭為5.0L32-0.5P×10，扇形角度為35°～70°。采用φ2 mm×60 mm 橫孔制作DAC 曲線（至少3 點(diǎn)），角度步進(jìn)為0.5°，掃查速度≤100 mm/s，掃查靈敏度為φ2×60-14 dB，如圖9 所示（探頭位置1）。

圖9 探頭位置1（S=15 mm）

●3.3.2 分區(qū)二

采用特殊分區(qū)二：0 ～t/2，即0 ～25 mm，二次波檢測。因內(nèi)表面存在特殊倒角結(jié)構(gòu)，必須考慮PAUT 二次波檢測時(shí)，偏心距S范圍內(nèi)變型縱波對檢測的影響程度較大（即避開底部倒角反射面）。隨即采用2.5P13×13/55°探頭在1.25P跨距內(nèi)作多次試驗(yàn)（探頭位置由遠(yuǎn)及近，CAD 1∶1），如圖10所示。

圖10 變型縱波影響

經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算綜合考慮后參數(shù)設(shè)置：探頭位置2距焊縫熔合線S2=110 mm，探頭為2.5L32-1.0P×15，扇形角度為48°～56°，運(yùn)用多項(xiàng)掃描模式。選用φ2 mm×60 mm 橫孔制作DAC 曲線（每段區(qū)間內(nèi)至少3 點(diǎn)），角度步進(jìn)為0.5°，掃查速度≤100 mm/s，掃查靈敏度為φ2×60-14 dB，如圖11 所示。

圖11 探頭位置2（S=110 mm）

●3.3.3 組合覆蓋檢測

單面單側(cè)的組合覆蓋檢測如圖12 所示。

圖12 組合覆蓋檢測

●3.3.4 檢測結(jié)果

TOFD 檢測結(jié)果（對上述3 處缺陷），見圖13 ～圖15。PAUT 檢測結(jié)果見表3。由表3 結(jié)果得出，缺陷1：一次波A 側(cè)顯示強(qiáng)于B 側(cè)，二次波A 側(cè)顯示也強(qiáng)于B 側(cè)，但由于聲程衰減大、信噪比不高，運(yùn)用軟件多維方向觀察符合未熔合靜態(tài)和動態(tài)波形；缺陷2：一次波A 側(cè)顯示弱于B 側(cè)，二次波A 側(cè)有較好顯示而在B 側(cè)沒有顯示，同樣的聲程靈敏度適當(dāng)減小、信噪比較好，多維方向觀察也符合未熔合靜態(tài)和動態(tài)波形；缺陷3：為近根部缺陷，一次波B 側(cè)有顯示，而在A 側(cè)沒有顯示，不仔細(xì)比對TOFD 圖譜會漏檢。

表3 PAUT 檢測結(jié)果

圖13 缺陷1

圖14 缺陷2

圖15 缺陷3

●3.3.5 結(jié)果返修

返修工藝為碳弧氣刨至接近深度，改用砂輪片薄層打磨，隨即進(jìn)行PT 檢測。缺陷1、缺陷2 的顯示見圖16 ～圖17。

圖16 缺陷1

圖17 缺陷2

4 缺陷檢出分析和超聲技術(shù)注意點(diǎn)

窄間隙橫焊中坡口上側(cè)、下側(cè)受多種工藝因素影響（鎢極位置、送絲速度、脈沖頻率、基值電流），容易產(chǎn)生未熔合缺陷[9]。以下為超聲技術(shù)對缺陷檢出分析和注意點(diǎn)：

1）常規(guī)超聲PE 采用一次波多角度、多方向鋸齒形/斜平行掃查，結(jié)合定性4 步法，可估判缺陷為未熔合；因其不可記錄、近表面盲區(qū)大、幾何結(jié)構(gòu)引起的變型波對二次波檢測的影響較大的缺點(diǎn)，所以需要與可記錄技術(shù)配合應(yīng)用。

2）TOFD 的要點(diǎn)是利用缺陷上、下端點(diǎn)衍射測高。因TIG 橫焊工藝為采用薄層多道，上、下側(cè)的坡口未熔合自身高度較小，TOFD 圖譜中上、下端點(diǎn)分不開，類似條形缺陷或氣孔的波形在評圖時(shí)需要注意和甄別。

3）PAUT 對特殊坡口和幾何結(jié)構(gòu)檢測有明顯亮點(diǎn)，采用單面雙側(cè)一次波和二次波分開設(shè)置的組合工藝對有效檢測區(qū)域（ROI）覆蓋（特別注意內(nèi)倒角結(jié)構(gòu)對探頭位置選取的影響），合理設(shè)置各項(xiàng)其他參數(shù)，結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)顯示方式能有效和可靠地檢出面狀缺陷。

5 結(jié)論和建議

在大壁厚窄間隙橫焊實(shí)施過程中，其主要缺陷為上下坡口未熔合。在此例工藝評定試件檢測時(shí)，選用超聲方法明顯優(yōu)于γ 射線，其中以常規(guī)超聲PE+PAUT組合檢測效果最佳。建議焊接工藝人員在依據(jù)DL/T 868—2014 或NB/T 47014—2011 對焊接工藝評定中進(jìn)行無損檢測方法的選擇時(shí)，應(yīng)該考慮主要因素（工件材質(zhì)厚度、焊接方法、幾何結(jié)構(gòu)、坡口形式等）對焊接的影響和特定缺陷出現(xiàn)的概率，從而保證工藝評定質(zhì)量；而實(shí)際產(chǎn)品檢測中則需因時(shí)就勢靈活選用超聲技術(shù)。

常規(guī)和數(shù)字成像超聲技術(shù)相結(jié)合為焊接新技術(shù)可靠服務(wù)，為推動先進(jìn)自動焊接方法的應(yīng)用保駕護(hù)航。