奥氏体不锈钢小径管弯管段内壁裂纹的超声检测

周 宁

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司 西北电力试验研究院，西安 710021)

某火力发电厂锅炉屏式过热器频繁发生爆管泄漏事件，经分析是由于屏式过热器弯管部位受应力腐蚀，裂纹由内壁产生并扩展至外壁,从而引起泄漏。应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢失效的主要形式之一，在裂纹产生的初期，如果能够有效、准确地检测出裂纹并对材料进行更换，便可避免此类事故的发生。笔者以该厂锅炉为例，介绍了对奥氏体不锈钢弯头进行超声检测的方法及注意事项。

1 试验方案

1.1 仪器和探头的选择

仪器选用型号为CTS-9008PLUS的数字超声探伤仪。

探头的选择受管材尺寸、材料及缺陷性质的影响，需要根据影响因素进行理论验证，定制一定尺寸和材料的探头。由于管材材料为奥氏体不锈钢，晶粒组织较为粗大，对超声波具有强烈的衰减作用[1]，故采用双晶探头可减弱晶粒散射，同时改变焦点，调整合适的检测范围，提高检测灵敏度[2]。

沿钢管外圆进行周向扫查的横波检测是管材检测的主要方式，为了能检测钢管内壁裂纹缺陷，必须使纯横波达到管道内壁，即入射角β条件如式(1)所示[3]。

arcsin(cs/cL)<β

(1)

式中：D为管外径；T为管厚度；cs为钢中的横波声速；cL为钢中的纵波声速。

取cs=3 230 m·s-1，cL=5 900 m·s-1，将各数据代入式(1)中，可得33°<β<41°。考虑到弯管处壁厚不均匀，有的厚度略大于11 mm，同时横波检测内壁裂纹类似于端角反射，当入射角为35°55°时，端角反射率达100%，检测灵敏度较高。所以选取入射角β为35°的横波探头，可同时满足厚度及灵敏度的要求。

根据上述理论条件，选取晶片尺寸为6 mm×6 mm(长×宽),频率为2.5 MHz,角度为35°，焦点深度为6 mm的双晶横波探头(探头A)及晶片尺寸为6 mm×6 mm(长×宽)，频率为2.5 MHz，角度为35°，焦点深度为12 mm的双晶横波探头(探头B)进行检测。

1.2 试块的选择

试验中共采用3种试块：小径管焊接接头超声检测专用试块DL-1、自制参考试块CK-1和自制参考试块CK-2。

采用DL-1试块测量探头的实际角度和前沿；采用自制参考试块CK-1可对比2 种探头的实际检测性能；采用自制参考试块CK-2可确定检测灵敏度。DL-1标准试块可选用与被检材料声速相近的不锈钢材料制作；CK-1试块采用45号钢制作，加工前需对原材料进行检验，确保其内部无缺陷；CK-2试块采用与被检管材同规格、同材料的钢管制作。CK-1试块上有深度为317 mm的φ1 mm横通孔；采用线切割方式在CK-2试块内壁加工宽1 mm、深0.5 mm的槽。CK-1和CK-2试块外观如图1，2所示。

图1 CK-1试块外观

图2 CK-2试块外观

1.3 试验结果与分析

分别将两种探头在DL-1试块上校准后，继续在CK-1试块上进行不同深度的φ1 mm横通孔检测对比试验。表1为探头对不同深度φ1 mm横通孔反射回波达到满屏80%的dB值。

表1 探头对不同深度φ1 mm横通孔的反射回波达到满屏80%的dB值 dB

分别对校准后的探头进行曲面打磨，继续在CK-2试块上进行周向检测对比试验。CK-2试块内壁的线切割槽反射回波达到满屏80%的dB值分别为：探头A为70 dB，探头B为68 dB；显示深度为12 mm左右。

由以上试验结果分析得出以下结论。

(1) 探头A在CK-1试块上对不同深度的φ1 mm横通孔检测，可看出深度分别为7,9,11 mm的反射回波强度高于其他深度横通孔的，且在深度为9 mm时的反射强度最高。

(2) 探头B在CK-1试块上对不同深度的φ1 mm横通孔检测，可看出深度分别为11，12，13，15 mm的反射回波强度高于其他深度横通孔的，且在深度为13 mm时的反射强度最高。

(3) 探头A和探头B在CK-2管材试块对管材内壁线切割槽进行检测，可看出探头B对管材内壁线切割槽的检测灵敏度高于探头A的。深度显示在12 mm左右，这是由于仪器默认的是板材试块，探头至人工缺陷的声程较长，实际深度就大于厚度。

综合以上分析，在检测φ63 mm×11 mm规格(外径×壁厚)的管材时，宜采用探头B进行检测，在满足灵敏度的要求下，最大限度地降低了噪声杂波。探头A,B对CK-1试块不同深度通孔的波幅曲线如图3所示。

图3 探头A,B对CK-1试块不同深度通孔的波幅曲线

1.4 灵敏度及评判标准

检测前调节灵敏度是为了发现工件中规定大小的缺陷并对缺陷定量。灵敏度太高或太低均影响检测结果，根据在CK-1和CK-2试块上的试验数据及波形特征，可以以CK-2参考试块上0.5 mm深线切割槽的一次反射波最大波幅为扫查灵敏度，以一次反射波最大波幅-6 dB为判废灵敏度[4]；单个缺陷回波超过判废灵敏度的信号即为裂纹信号。

2 屏式过热器管内壁缺陷现场检测应用

为了便于发现屏式过热器管内壁裂纹，针对现场曲率不同的小径管，需准备多个探头B。检测前，将探头校准并在CK-2试块上确定扫查灵敏度；将水磨砂纸紧贴在弯管曲面，压紧探头进行修磨，使探头和管壁曲面可以最大限度地接触；检测时，选用黏稠度高的耦合剂涂抹在弯头处，周向移动探头进行检测；通过观察波形和波幅高度，可以判断是否为裂纹的波形。通过对多个弯头进行检测，发现有各别弯头存在裂纹，经金相检验，发现其内表面均有不同程度的内壁裂纹。得到的裂纹缺陷波形如图4所示。

图4 裂纹缺陷波形

3 结语

(1) 在对不同厚度的奥氏体不锈钢管材进行内壁缺陷检测时，如果使用双晶横波探头，需考虑适宜的聚焦深度，最大限度地降低信噪比，提高检测灵敏度。

(2) 检测时，需使用多个不同曲面的探头对弯管进行检测，防止因耦合不良造成的漏检。

实践证明，该超声检测方法可以有效地检测出奥氏体不锈钢管弯管段内壁裂纹，具有劳动强度低、检测速度快、裂纹检出率高等特点，可以及时排除隐患，减少锅炉爆管事故的发生。