衍射时差法在锅炉安全性能检测中的应用

河南省化工压力容器检测中心站 马伟力

衍射时差法在锅炉安全性能检测中的应用

河南省化工压力容器检测中心站 马伟力

某火力发电厂，锅炉运行时间15 000 h，近期因主蒸汽管道的一条焊缝裂纹引起泄漏，被迫停炉进行修理。经检验判定，造成被迫停炉的主蒸汽管道的焊缝裂纹为蠕变损伤裂纹，裂纹出现在热影响区，为内部裂纹扩展到表面导致泄露，造成了被迫停炉。为防止此类事故的发生，用户在大修期间计划将主蒸汽管道的焊缝及热影响区进行无损检测，对发现有蠕变损伤的焊缝修理，以确保机组的安全运行。机组停运后，用户委托本文笔者单位进行检测。为缩短检验及修理时间，双方协商采用TOFD法（衍射时差法)对主蒸汽管道焊缝及热影响区进行检测，主要检测内容为蠕变损伤裂纹，此次检测也是蠕变损伤裂纹专项检测。

一、检测方案

1.相关技术参数。检测对象为电站锅炉主蒸汽管道；焊缝类别为手工焊，双V型坡口；材质为12Cr1MoVG；规格为Ф609.6× 90 mm。

2.设备选用。使用设备为以色列单通道ISONIC2006型，该设备具有A、B、C、P扫描、TOFD衍射成像系统等，采用手动扫查器。

3.探头角度的选择。TOFD检测并不要求精测声束角度，偏离标准值±5°不会明显影响检测结果。根据实际情况选择探头为：频率为5 MHz，晶片尺寸为6 mm，楔块为45°，60°。

4.探头间距（PCS）设定。在被检厚度为90 mm区域内应进行分区检测，每个分区覆盖不同深度范围，应达到良好的分辨率和足够的覆盖率，保证在整个焊缝宽度和厚度范围内实现完全覆盖，确定采用单面分层扫查，PCS设定如下：

式（1）中，PCS1为入射角为60°时的探头中心间距；PCS2为入射角为45°时的探头中心间距；T为被检工件厚度，单位为mm。

5.扫查方法。采用非平行扫查法对缺陷长度、高度和埋藏深度进行测定。对已发现的缺陷需要确定相对焊缝中心线的偏移量时，进行平行扫查。

6.检测灵敏度设置。采用在被检工件上设置灵敏度，将直通波的波幅设定到满刻度的40%～80%；因工件表面状况的影响，不能利用直通波校准时，可将底面反射波幅设定为满刻度，再增益18～30 dB。

二、检测结果与分析

1.检测结果。经过对80 m主蒸汽管道的20个焊口进行TOFD检测，共发现3处焊缝内部存在裂纹，经修理后复验合格。

2.结果分析。电站锅炉的主蒸汽管道在高温、高压的持续作用下，特别是经过15万h长期运行后，会产生蠕变损伤；在厚壁焊接接头中，由于母材、热影响区和焊接金属内，特别是焊接形状不连续位置，会产生蠕变集中，此位置很可能成为蠕变开裂的起点。在焊缝及其热影响区内部的蠕变损伤会引起穿透性裂纹，如不及时发现和修理，往往会导致危害性事故。

本次检测发现的3处裂纹，均为内部裂纹，实际上，在外表面发生开裂前，内部早就有了裂纹，一旦延伸到表面，就会产生泄漏事故。因此，内部蠕变损伤的检测十分重要。

TOFD在检测此厚度工件时，缺陷检出率高于RT、常规UT检测。RT由于影像噪声和不清晰度的限制，很难检测出厚壁管焊接接头中的微小蠕变损伤，而常规UT靠反射波来判断裂纹，反射波强度（回波幅度）在很大程度上取决于声束对裂纹的入射角度。这里作为检测对象的蠕变损伤，由沿焊缝坡口面的，也有垂直于板材表面的裂纹，用普通的脉冲回波法检测，漏检概率很大。同时，UT法与操作人员的操作熟练程度和责任心关系密切，极易造成漏检。采用TOFD法（衍射时差法），因为是利用裂纹端部向360°方向产生的衍射波，故裂纹的检出与其倾斜角度无关，图1为比较了常规UT法与TOFD法的裂纹检出特性。

图1 常规UT法与TOFD法的裂纹检出特性比较

在图1中，横坐标表示超声波对裂纹的入射角，纵坐标表示裂纹回波高度（以超声波垂直入射裂纹时的波高为基准）。从图1中可见，超声波束对裂纹的入射角偏差10°时，常规UT灵敏度约下降25%，而TOFD灵敏度下降值很小，才5 dB。因此，管道焊接接头的裂纹检测，采用TOFD最为适当。

三、结论

1.TOFD在电站锅炉检测方面有许多优势。例如，对于焊缝中缺陷检出率很高，容易检出方向性不好的缺陷；采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖；沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度，缺陷定量、定位精度高。

2.TOFD在电站锅炉蠕变裂纹检测上也存在不足地方。例如，在检测近表面时，存在3～10 mm检测盲区。本次在采用TOFD检测的同时，对焊缝及热影响区表面做了磁粉检测，以发现表面及近表面的缺陷。

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