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AnInvestigationtoFlawDetectingMethodforFilletWeldofTube-seatonHeader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:Theultrasonicdetectingmethod,usingsmallanglelongitudinalwaveprobeinjectingfromheaderside,alongwiththebigangleshortfrontedgeandsmallcrystalchipbevelprobeinjectingfromtubeseatside,isprovedeffective,throughtheo2reticalanalysis,laboratoryandapplicationtests,forflawdetec2tionoftubeseatfilletweldofsmalltubeonheader.Thismethodhasthefeaturesofhighsensitivityandiseasytouse.Keywords:tubeseatfilletweld;ultrasonicflawdetection;smallanglelongitudinalwaveprobe;defect中图分类号:TG441.7

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・14・

2004年第6期 河　北　电　力　技　术 第23卷© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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+l0

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;l0

———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×tgβ(3)

式中　L———集箱外壁缺陷水平距离;

・24・

2004年第6期 河　北　电　力　技　术 第23卷© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netT———集箱壁厚;β———探头折射角。

周向检测时,二次波定位公式如下:

L1=2πDarcsin(Rrsinβ)-β360(4)

式中　L1———集箱外壁缺陷沿集箱外弧表面所测得的圆周距离;

R———集箱外圆半径;r———集箱内圆半径;β———探头折射角。

根据JB47301994《压力容器无损检测》,曲面声程校正系数的计算公式如下:

μ=

1-rRcosφ

1-rR

(5)

根据式(5)计算,采用折射角为小于20・的小角度探头入射,r/R小于0.5时,μ>1.1,即r/R小于0.5时需做曲面修正。锅炉集箱r/R均>0.5,

故角焊缝超声波检测时虽轴向和周向的缺陷定位有所不同,但不需做曲面修正。当需要准确确定缺陷位置时,可采用式(3)和式(4)

进行缺陷准确定位。

3.1.4　集箱外弧曲面对折射角及灵敏度的影响GB113451989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》要求:检验曲面工件时,如探伤面曲率半径R≤W

2

/4时,应采取与探伤面曲率相同

的对比试块。其中W为探头长度,取10mm,则W2/4=25mm,远小于集箱曲率半径,因此集箱外弧曲面对探头耦合、折射角变化及灵敏度的影响可以忽略。3.1.5　小角度纵波斜入射探头折射波分析纵波倾斜入射后产生折射纵波和折射横波,其声程差为Δτ:

Δτ=T(c12×cosβ1)/(cs2×cosβs)-T(6)

式中,T为反射体声程,对于小角度纵波入射,

入射角一般比较小,cosβ1=cosβs≈1,钢中的c

12=

5900m/s,cs2=3230m/s,代入式(6)可得Δτ=0.8T。即:利用小角度纵波探伤时,折射横波在缺陷纵波讯号声程后的0.8T位置出现,且横波的反射声压约为纵波的1/3,故折射横波不会对纵波产生干扰。3.2　斜探头的选择为了准确检测根部缺陷,并能检出焊缝内的中下部缺陷,根据常规探伤经验,对探头频率、晶片尺

寸、K值等的选择应尽可能避开超声波近场区,并具有较高的灵敏度,能全面扫查到焊缝的整个截面。集箱管座的特点是:管径小、曲率大,造成声速扩散使灵敏度降低;管壁薄、声程短、有近场干扰;探头折射角大,易产生变形波等。根据上述特点、对探头的综合要求是:尺寸小、前沿短、杂波少、指向性好、力求排除近场干扰影响等。斜探头的选择可参照DL/

T8202002《管道焊接接头超声波检验技术规程》,选择晶片尺寸<6mm×<6mm或<6mm×<8mm、频率5MHz、前沿≤5mm。探头K值的选择首先要满足的条件是一次反射波能扫查到管座根部,根据不同的管座规格及角焊缝焊脚尺寸,在满足以上要求的基础上选择探头K值。在一次反射波能扫查到焊缝根部的情况下尽可能选择角度较小的探头,

以利于提高探伤灵敏度。3.3　对比试块及焊接试样的制作根据角焊缝的结构进行分析,制作了模拟焊缝内部未焊透、未熔合、气孔等缺陷的系列对比试块,

并选用与现场相同规格、材质的管材焊接制作了若干带缺陷的焊接试样。3.4　对比试块及焊接试样试验结论采用制作的小角度纵波探头及小径管探头对对比试块及焊接试样进行试验,得到如下试验结论:

a.在满足结构条件的基础上,应尽可能选择较小角度的纵波探头以提高探伤灵敏度。b.小角度纵波探头在集箱轴向和周向探伤的灵敏度差别可以忽略。c.小角度纵波探伤采用<1×6+2dB作为探伤灵敏度,和同深度1mm切割槽灵敏度基本相当。d.安放式管座根部未焊透的斜探头探伤灵敏度可选用小径管试块尾部0.15倍管座壁厚切槽。e.小径管斜探头检测插入式管座根部未焊透,可以通过反射波高和反射波动态波形图结合判断未焊透深度,模拟未焊透深度大于3mm时,其波形能和下端角一次波明显区分,未焊透判伤灵敏度可选用3mm切割槽对比。f.小径管斜探头检测插入式管座时,集箱侧坡口未熔合比管座侧坡口未熔合反射波有明显后移。g.由于现场检验集箱内外壁有不同程度的腐蚀,可适当提高2～4dB检验灵敏度。h.该超声波检验方法得到的检验结论与实测出的射线检验结果相符。