內(nèi)容摘要 小徑管是電站鍋爐廣泛應(yīng)用的一種材料，其焊接質(zhì)量關(guān)系到鍋爐的安全運(yùn)行。對(duì)其焊接質(zhì)量的內(nèi)部檢驗(yàn)主要依賴(lài)于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。本文分析了小徑管超聲波檢測(cè)的困難，分析了解決這些困難的方法，制訂了有針對(duì)性的檢測(cè)工藝，較好地滿(mǎn)足了檢驗(yàn)要求。
一、引言
小徑管是指壁厚4～14mm，外徑32～89mm的管子。小徑管在鍋爐和壓力容器制造安裝過(guò)程中應(yīng)用較廣，承受較高的壓力。特別是火力發(fā)電廠的水冷壁管、過(guò)熱器管、再熱器管等大都屬于小徑管。
小徑管其對(duì)接接頭的無(wú)損檢測(cè)，常用的方法為射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。射線檢測(cè)時(shí)，采用雙壁雙投影橢圓成像。此時(shí)為了提高透照的寬容度，往往采用較高的射線能量。因此，這種情況下，缺陷的檢出率是很低的，特別是危害嚴(yán)重的裂紋常常發(fā)生漏檢。此外，很多小徑管在安裝過(guò)程中，管子密集排列，處于困難位置，給射線探傷帶來(lái)很大的難度。而采用超聲波檢測(cè)，不僅檢測(cè)速度快，檢測(cè)成本低，而且由于超聲波檢測(cè)固有的特點(diǎn)，對(duì)面積型缺陷（裂紋、未熔合）等敏感，檢測(cè)靈敏度高，檢測(cè)的安全可靠性大大提高。但是由于小徑管其管壁曲率大，聲波耦合困難，其反射面聲能損失較大，壁厚薄，探頭的前沿長(zhǎng)度對(duì)檢驗(yàn)的影響大，因而，對(duì)小徑管對(duì)接接頭中的危害性缺陷較難判定，影響了超聲波在小徑管檢測(cè)中的應(yīng)用。
二、小徑管超聲波探傷的困難
（一）、壁厚和焊縫寬度影響
小徑管管壁薄，焊縫寬，如用普通斜探頭探傷，因前沿距離長(zhǎng)，用一次波探傷時(shí)，主聲束掃查不到小徑管焊縫根部，如改用三次波探傷，則因探頭發(fā)射的聲束寬，聲束擴(kuò)散，加之小徑管曲率大的影響，造成聲束嚴(yán)重散射，使得回波游動(dòng)范圍大，反射回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來(lái)很大的困難，影響到探測(cè)的可靠性。
（二）、曲率半徑影響
小徑管曲率半徑小，普通探頭探測(cè)接觸面小，曲面耦合損失大；超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射，發(fā)散嚴(yán)重，探傷靈敏度低；小徑管壁薄，超聲橫波聲程短，容易在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)檢測(cè)，對(duì)缺陷判定帶來(lái)很多困難。
綜上所述，用常規(guī)超聲波探傷方法對(duì)小徑管焊縫的檢驗(yàn)存在很大的困難，必須采用的探傷工藝，探頭和儀器。
三、超聲波探傷條件的選擇
（一）、探傷儀器
小徑管曲率半徑小，壁薄，超聲波探傷時(shí)雜波較多，為了便于判傷，要求探傷儀器的主要性能指標(biāo)除應(yīng)滿(mǎn)足ZBY230-84標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)要求外，還應(yīng)具有較高的分辨力和較窄的始脈沖寬度，使用數(shù)字式超聲波探傷儀。
（二）、探頭
1、斜鍥
為了解決小徑管焊縫因壁薄，曲率半徑小、焊縫余高寬等因素對(duì)缺陷的判定和定位帶來(lái)的困難，就要設(shè)計(jì)制造短前沿，大折射角的小探頭。探頭設(shè)計(jì)中，一個(gè)關(guān)鍵的因素是設(shè)計(jì)透聲斜鍥。透聲斜鍥在橫波斜探頭中的主要作用是使超聲縱波以一定的角度傾斜入射至被探工件的探測(cè)表面，并轉(zhuǎn)換成所需折射角的橫波，從而達(dá)到橫波探傷的目的。由于小徑管探頭，折射角大，按聲學(xué)折射定律，為了增加折射角，就必須增大斜鍥的折射率。采用縱波聲速較小的聚峰材料制造的斜鍥可以滿(mǎn)足要求。
圖一 探頭與管子接觸面
此外小徑管外表面是曲率半徑較小的圓柱曲面，為了實(shí)現(xiàn)較好的聲耦合，一般須將探頭斜鍥加工成與管壁吻合良好的曲面，探頭與管子接觸部位的邊緣，其間隙（如圖一）不應(yīng)大于0.1mm。在加工曲面時(shí)，必須嚴(yán)格防止探頭斜鍥磨損量過(guò)大，致使其曲率半徑小于管子曲率半徑情況的出現(xiàn)。
2、壓電晶片
探頭斜鍥加工成曲面后，探頭邊緣聲束會(huì)產(chǎn)生散射，晶片尺寸愈大，散射愈嚴(yán)重。為了減少這種散射的不利影響，同時(shí)為了減小探頭前沿長(zhǎng)度，壓電晶片尺寸不宜太大，而且要求晶片裝配過(guò)程中精度要高。目前小徑管焊縫探傷中，平面單晶斜探頭晶片尺寸一般多為5×5、5×6或6×6。
3、頻率
探頭晶片尺寸小，超聲橫波指向性就變差。小徑管壁薄，反射雜波多，為了改善探頭指向性，提高探傷分辨力和探傷靈敏度，一般應(yīng)采用較高的探測(cè)頻率如5MHz。
4、橫波折射角（K值）
焊縫橫波探傷中，探頭折射角的選擇，主要取決于探傷時(shí)所用的探傷方法、聲程范圍和被檢工件的厚度。一般以一次波和二次波探傷為好。這樣可以減少橫波聲束在管子內(nèi)、外壁的折轉(zhuǎn)次數(shù)，從而減少聲能損失。對(duì)小徑管焊縫探傷而言，還需考慮焊縫余高寬度對(duì)探頭移動(dòng)范圍的限制。采用一次波和二次波進(jìn)行探傷，能夠簡(jiǎn)化探傷工藝，使得根部及附近區(qū)域的缺陷易于發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確判斷，也可發(fā)現(xiàn)焊縫中的其他缺陷。
對(duì)小徑管焊縫，要想利用一、二次波探傷，就須選用較大折射角的探頭，使橫波聲束能掃查到整個(gè)焊縫截面。同時(shí)選用大折射角探頭，還可增加橫波在壁薄管中的聲程，避免在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)探傷對(duì)缺陷定位定量誤差大的不利因素。
圖二 掃查范圍
為滿(mǎn)足規(guī)程DL/T5048-95《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范·管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)篇》的要求，選用的橫波斜探頭應(yīng)滿(mǎn)足直射波掃查到焊接接頭1/4以上壁厚范圍，如圖二所示。對(duì)于壁厚一定的管子，可以有三個(gè)辦法：一是減小焊縫的寬度；二是減小探頭前沿長(zhǎng)度；三是增大探頭折射角。但是探頭折射角不能無(wú)限增大，因?yàn)槁暿鴶U(kuò)散作用，當(dāng)縱波入射角超過(guò)一定值后，縱波聲束前緣可能已經(jīng)超過(guò)第二臨界角，因而在第二介質(zhì)中產(chǎn)生變形表面波，它會(huì)干擾對(duì)缺陷的正確判定。一般折射角在65～75°之間。DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》推薦的折射角如下表：
| 管壁厚度（mm） | 4～8 | >8～14 |
| 探頭折射角（°） | 75～70 | 70～65 |
5、探頭前沿長(zhǎng)度
小徑管焊縫超聲波探傷中，由于內(nèi)壁是凸圓柱曲面，因此超聲反射發(fā)射嚴(yán)重，所以二次波探傷靈敏度明顯低于一次波。為了盡可能增加一次波在焊縫中的掃查面積，保證一次波聲束能掃查到焊縫下部占壁厚1/4的范圍，這就要求探頭有一定的移動(dòng)區(qū)域。因此應(yīng)盡量縮短探頭前沿距離。為了減小前沿長(zhǎng)度，一方面應(yīng)減小壓電晶片尺寸，其次還應(yīng)使壓電晶片在斜鍥中盡量前移。這樣對(duì)探頭制作工藝就增加了難度，需要從透聲斜鍥的材料、形狀和尺寸上做出合理的設(shè)計(jì)。規(guī)程中規(guī)定，前沿長(zhǎng)度L≤5mm。
6、表面波的控制
小徑管探頭由于折射角度大，如果處理不好，很容易產(chǎn)生表面波，而這種表面波的反射將會(huì)干擾對(duì)缺陷的判定，因此必須對(duì)表面波加以控制。
（三）、試塊
采用DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》推薦的小徑管試塊。
小徑管試塊雖然可以用來(lái)調(diào)節(jié)探傷靈敏度，而且試塊的直徑也有三種規(guī)格，但由于小徑管的曲率、壁厚以及內(nèi)、外壁表面的粗糙度變化等因素，造成聲束散射。若僅以小徑管試塊Φ2mm橫通孔為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)探傷靈敏度，將會(huì)導(dǎo)致定量誤差大，甚至造成誤判或漏檢。為了對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量，保證探傷準(zhǔn)確，應(yīng)在探傷前利用靈敏度補(bǔ)償試塊對(duì)被探管子內(nèi)、外壁表面聲能損失進(jìn)行測(cè)定，以便對(duì)探傷靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。
小徑管對(duì)接焊縫中，根部缺陷是比較常見(jiàn)而且又危險(xiǎn)的缺陷，為了對(duì)焊縫根部的未焊透、內(nèi)凹等缺陷的判斷和定量，可以設(shè)計(jì)制作根部缺陷當(dāng)量對(duì)比試塊。
四、小徑管超聲波探傷應(yīng)用
在電站鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)焊接質(zhì)量的抽查是保證焊接質(zhì)量的重要手段。我們對(duì)珠江電廠3#爐改擴(kuò)建工程的水冷壁管子，規(guī)格為Φ60×7的對(duì)接焊縫進(jìn)行了超聲波抽查，如圖三所示。
圖三 水冷壁管
（一）、儀器調(diào)整
所用儀器為南通友聯(lián)PXUT-280數(shù)字式超聲波探傷儀，探頭為5P5×5K3，探頭前沿為5mm。執(zhí)行DL/T5048-95《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范·管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)篇》標(biāo)準(zhǔn)，在小徑管試塊上調(diào)整儀器，掃描速度為深度1:1調(diào)節(jié)，選擇掃查靈敏度為Φ2×15－18dB。
（二）、缺陷波型分析
對(duì)于Φ60×7的水冷壁管子對(duì)接接頭，使用手工氬弧焊打底、手工焊蓋面的焊接工藝，常見(jiàn)的焊接缺陷有：未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等。檢測(cè)時(shí)，要注意區(qū)分焊縫根部成形不良或焊縫錯(cuò)邊以及變形波等偽缺陷。各種典型缺陷的估判方法如下：
1、根部未焊透
小徑管根部未焊透垂直于內(nèi)表面，超聲波探傷時(shí)，其反射類(lèi)似于端角反射，因此回波較強(qiáng)，從焊縫兩側(cè)探傷均能探出，且位于焊縫中心或靠近探頭一側(cè)，沿焊縫方向回波有一定的游動(dòng)范圍。
2、未熔合
未熔合就是焊縫金屬和母材沒(méi)有熔合在一起，多出現(xiàn)在接頭的坡口面上。小徑管接頭采用V型坡口，所以探傷時(shí)，由于坡口面的角度的關(guān)系，用一次波很難探測(cè)到，一般用二次波容易檢出，其位置在焊縫中心靠近探頭一側(cè)。
3、夾渣和氣孔
可能出現(xiàn)在焊縫的任何位置，一般信號(hào)較弱，兩側(cè)探傷均能發(fā)現(xiàn)。
4、裂紋
裂紋的判斷比較復(fù)雜，要結(jié)合缺陷波型，焊接材料，人為經(jīng)驗(yàn)等綜合判定。
5、檢測(cè)結(jié)果分析
現(xiàn)場(chǎng)抽查了112個(gè)管口，發(fā)現(xiàn)未焊透或未熔合為8個(gè)，經(jīng)射線照相驗(yàn)證后，5個(gè)未焊透，3個(gè)未熔合，結(jié)果全部正確。
五、結(jié)論
隨著數(shù)字式超聲波探傷儀和高性能超聲波探頭的發(fā)展，對(duì)缺陷的定位和定量愈加準(zhǔn)確。使得對(duì)小徑管的超聲波探傷從試驗(yàn)走向?qū)嵱?，而且由于相比較射線檢測(cè)眾多的優(yōu)點(diǎn)，使得超聲波檢測(cè)小徑管發(fā)展迅速，如果再結(jié)合人工模擬缺陷試塊，對(duì)缺陷的判定會(huì)更加準(zhǔn)確。
六、參考文獻(xiàn)（略）
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