电站锅炉异种钢焊接超声相控阵检测研究_蔚道祥.pdf

应用研究0 引言随着各类材料不断被应用于制造各类设备，不同材质之间的组合越来越普遍，其中，钢材对接使用常见。钢材对接时常会遇到异种钢焊接问题1，由于不同钢材之间的化学和物理特性区别较大，所以二者之间的焊接常常成为了工艺中的难点2。异种钢的焊接质量检测主要通过无损检测技术，其中超声检测技术摘 要 异种钢焊接接头能够实现降低生产成本，也能满足使用性能要求，目前在锅炉、管道和容器等特种设备中被广泛运用，其焊缝质量对于整个特种设备安全运行有着重要的作用，因此对于其质量把控具有重要意义。异种钢焊接接头具有化学成分不均匀和金相组织不均匀等特点，常规无损检测手段受局限程度较大。超声相控阵检测技术可实现声束的聚焦和偏转，与常规超声检测技术相比具有较大优势。制作含有裂纹、未熔合和未焊透的自然缺陷试块，利用超声相控阵检测技术对该试块进行检测，检测结果表明：超声相控阵检测技术能够较好地满足异种钢焊缝检测要求。关键词 异种钢 超声相控阵 缺陷中图分类号 TG 457.1 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.004Study on Ultrasonic Phased Array Inspection of Dissimilar Steel Welding in Power Plant BoilerWEI DaoxiangAbstract:The welded joint of dissimilar steel could reduce the production cost and meet the performance requirements.It was widely used in special equipment such as boilers,pipes and vessels.The weld quality played an important role in the safe operation of the whole special equipment,so it was of great significance for its quality control.The welded joint of dissimilar steel had the characteristics of nonuniformity of chemical composition and metallographic structure,and the conventional nondestructive testing methods were greatly limited.Ultrasonic phased array detection technology could realize the focusing and deflection of acoustic beam,which had great advantages compared with conventional ultrasonic detection technology.The natural defect test block containing cracks,incomplete fusion and incomplete penetration was made,and the test block was tested by ultrasonic phased array detection technology.The test results showed that the ultrasonic phased array detection technology could better meet the requirements of dissimilar steel weld detection.Key words:Dissimilar steel;Ultrasonic phased array;Defect蔚道祥*（上海市特种设备监督检验技术研究院）电站锅炉异种钢焊接超声相控阵检测研究*蔚道祥，男，1988年生，硕士研究生，工程师。上海市，20006213化工装备技术第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月第 44 卷第 2 期化工装备技术14具有环保、高效等优点，目前应用较为广泛。1 异种钢焊接的特点异种钢焊接接头具有很多优点，相对于普通钢材，其具有更好的化学性能、耐腐蚀性能等，所以异种钢材应用越来越广泛，常被用于压力容器、核安全端等领域。保证焊接质量，才能使异种钢发挥出最大的优势。采用金相组织较为接近的材质焊接得到的焊接接头，其无损检测方法和常规无损检测较为接近3。金相组织差别较大的异种钢焊接接头，易在较低侧的熔合区产生缺陷，例如压力容器中异种钢焊接接头主要采用珠光体和奥氏体焊接而成，该接头易在珠光体一侧产生缺陷，所以选择相应的无损检测方法时，首先需要明确不同焊接接头的相关特点。目前奥氏体不锈钢是常用的异种钢焊接材料，其具有很好的塑韧性，所以可以通过冷热加工做成各式各样的零件，但是奥氏体不锈钢的导热系数较低，线膨胀系数较大 4，因此在焊接过程中异种钢材质容易出现粗大铸态组织，这对于超声检测非常不利，信噪比会受到较大影响，同时声能损失较大。同时由于焊接温度较高，奥氏体异种钢易出现蠕变裂纹，导致焊接接头出现缺陷的概率增加。总的来说，异种钢的化学性质和物理性质差别较大，在焊接过程中出现缺陷概率将会上升。2 异种钢焊接接头无损检测随着科学技术飞速发展，焊缝质量的要求也越来越高5。目前国内学者已提出了异种钢焊接接头焊接工艺问题的解决方法且相关工艺也趋于成熟化。异种钢焊接接头中，较为常见的是碳钢和奥氏体不锈钢的焊缝，奥氏体材质的焊缝晶粒比较粗大6-7，这也给检测带来了一定困难。2.1 射线检测对于异种钢焊接接头内部缺陷，射线检测具有很好的可靠性，因为射线检测不会受到材料晶粒度和金相组织的影响，但是缺陷检出率会受到透射角度和缺陷走向的影响。国内学者研究后发现，异种钢的裂纹通常沿坡口扩展，所以进行射线检测时，需要对检测工艺进行改进，主要对缺陷可能延展的方向进行检测。同时，为了使其几何清晰度最小，尽可能使出现缺陷的珠光体在底片侧，所以对于熔合区的缺陷检测应结合坡口形式和设备形状，选择合理的检测工艺。2.2 表面检测由于奥氏体焊接接头中存在晶粒较大的现象，采用磁粉检测时会导致磁力线不连续，所以不能进行磁粉检测。渗透检测仅适用于表面开口型缺陷，但是要满足氟、硫、氯元素含量的要求，在检测后需要及时对被检工件表面进行处理，否则会导致焊接接头产生晶间腐蚀，从而破坏焊接接头。表面型开口缺陷可选择渗透检测方法，但是对于埋藏型缺陷，渗透检测无法满足相关检测要求。2.3 常规超声检测若对奥氏体焊接接头采用常规超声检测方法进行检测，则会产生较强的散射现象6，若晶粒尺寸和超声波长的 1/10 接近时，散射现象比较明显，若晶粒尺寸为超声波长的一半时，散射现象会更加严重。超声波在异种钢焊接接头中传播时会存在散射现象，散射波返回到探头的路径毫无规律，所以在超声波探伤仪界面上会出现杂乱无章的波形，大大降低了检测信噪比，对于检测非常不利。除了散射的影响，奥氏体还具有各向的特点，超声波在奥氏体材质中传播时波形也会发生变化，即会产生折射现象，这也给检测带来了一定困难。针对以上无损检测方法特点，提出了采用超声相控阵检测对异种钢焊接接头进行检测的方案。超声相控阵检测技术是 21 世纪 90 年代出现的一种超声检测技术，该技术是利用换能器阵列不同阵元在接收或发射时施加不同的聚焦法则，实现超声波的聚焦、偏转和声束移动的超声成像检测技术，该检测方法与常规超声检测技术相比具有较大优势。超声相控阵具有结果可视性强、操作简单等优点，大大提高了检测的可靠性和效率。本文制作了含有裂纹、未熔合和未焊透的异种钢自然缺陷试块，利用超声相控阵检测技术对该试块进行检测，具有很强的实际应用价值。3 焊接缺陷的预制及检测设备3.1 缺陷预制实验所采用材料为 304 不锈钢和 Q235 材料，焊接试样的尺寸为273 mm20 mm，开 V 型坡口，坡2023 年 4 月15口角度为 30钝边为（20.5）mm，焊接材料为2.5 mm 的 308 焊条，耦合剂类型为甘油。为了模拟实际异种钢中经常出现的缺陷，在焊接管道焊缝内部预制根部裂纹、坡口未熔合、根部未焊透等 3 种常见缺陷，试件的缺陷预制参数如表 1 所示。表 1 缺陷预制参数缺陷性质缺陷距“0”点位置/mm预制缺陷尺寸/mm长 度（误差5）深 度（误 差 1）自身高度（误 差 1）根部裂纹346427（换算为30.8）173坡口未熔合16819322（换算为25.3）23根部未焊透28030824（换算为27.6）1833.2 实验设备本次实验使用的是以色列仪器 ISONIC 2010，该仪器具有常规超声、超声相控阵和 TOFD 等检测功能，且具有质量轻、体积小和可配备电池等优点，目前在行业内得到许多技术人员的认可。本文采用该仪器的相控阵模块，该模块具有 32:32 通道。能够独立调节接收和激发模块的孔径，每个阵列的孔径都是由 1到 32 阵元构成。在进行焊缝检测时，在该仪器中能够定位缺陷在焊缝中的实际位置，有利于检测人员对缺陷进行定性分析，如图 1 所示。该仪器还带相关软件，能够绘制焊缝的真实模型，输入传感器参数、传感器位置和扇扫角度范围后，能仿真模拟出焊缝的声束覆盖范围情况，如图 2 所示，若出现检测盲区，可修改检测参数后再次进行仿真，直至实现焊缝声束全覆盖，设计出最佳检测工艺参数，从而指导实际检测工作。为了检出不同方向上的缺陷，一个超声相控阵探头可进行多项扫描任务，一般选取扇形扫查和 B扫描。4 检测结果检测方向与焊缝平行，采用垂直于焊缝的方向进行扫查，超声相控阵扫查结果如图 3 所示。a）1号缺陷超声相控阵检测结果 b）2号缺陷超声相控阵检测结果 c）3号缺陷超声相控阵检测结果图 3 试件检测结果由实验结果可知，利用超声相控阵检测技术可以将根部裂纹、坡口未熔合、根部未焊透 3 种常见缺陷全部检出，检测结果为：1#根部裂纹缺陷长度为31.9 mm，深度为 18.9 mm，自身高度为 5.2 mm；2#坡口未熔合缺陷长度为 21.8 mm，深度为 1.5 mm，自身高度为 3.7 mm；3#根部未焊透缺陷长度为 27.7 mm，深度为 17.4 mm，自身高度为 4.5 mm，实际检测结果和缺陷预制尺寸基本吻合，如表 2 所示。表 2 缺陷检测结果试块规格/mm缺陷代码缺陷性质缺陷距“0”点位置/mm预制缺陷尺寸/mm相控阵实测缺陷尺寸/mm长 度（误差5）深 度（误差1）自身高度（误差1）长 度深 度自身高度 273201#根部裂纹346427（换算30.8）17331.918.95.22#坡口未熔合16819322（换算25.3）2321.81.53.73#根部未焊透28030824（换算27.6）18327.717.44.5 图 1 缺陷位置 图 2 声束覆盖情况蔚道祥：电站锅炉异种钢焊接超声相控阵检测研究第 44 卷第 2 期化工装备技术165 结语随着科技飞速发展，超声相控阵检测技术在医学和工业中的应用日益成熟，各类异种钢焊接接头在压力容器、压力管道和核电等行业被广泛运用，超声相控阵检测技术已成为无损检测的重要手段。本文通过制作含根部裂纹、坡口未熔合、根部未焊透 3 种常见类型缺陷试块，采用超声相控阵检测技术进行检测，检测结果和缺陷设计尺寸基本吻合。通过制定合理的检测工艺，超声相控阵检测技术基本能够满足异种钢焊接接头的检测要求，为后续异种钢焊接接头超声相控阵检测提供参考。参考文献1 黄海霞.超声相控阵在异种钢焊缝检测中的应用J.机电信息,2020(15):90-91,93.2 范志东,张志博,徐刚,等.长期服役后TP304H/T22型异种钢焊缝失效原因分析J.热加工工艺,2019,48(17)