超声检测在耐热钢窄间隙横焊对接接头工艺评定中的应用

金 亮 朱 琪 马向东 姜学平 魏 宁

（1.江苏电力装备有限公司 常州 213012）

（2.安徽津利能源科技发展有限责任公司 合肥 230000）

（3.江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036）

（4.河海大学 物联网工程学院 常州 213022）

9%～12%Cr 马氏体耐热钢具有高的蠕变断裂强度、韧性良好等性能被广泛用于火电行业四大管道系统。依据DL/T 869—2021《火力发电厂焊接技术规程》[1]的要求在预制阶段对接接头一般为氩弧焊打底（内壁充氩防氧化）+手工焊填充两层+埋弧焊连续施焊至盖面完成[2]。此焊接方法组合下劳动效率较高，但焊接材料消耗量相对较大；而固定结构或现场管口，进行双人对称手工焊的焊接质量不稳定。

全位置窄间隙氩弧焊TIG 焊接技术在大壁厚管道已有运用其遵循控制热输入的原则，即运用小线能量、薄焊层、多层多道来焊接，有利于减小焊接接头的应力，提高焊接接头性能。既减少了熔覆金属的填充量，降低生产成本；又可弥补埋弧焊只能平焊的缺点，克服手工焊质量不稳定的问题，并且可改善劳动强度[3]。然而窄间隙氩弧焊由于焊接诸参数、工件坡口等因素的综合影响，特别容易产生面状缺陷未熔合。

依据DL/T 869—2021 规定：焊接工程按照DL/T 868—2014《焊接工艺评定规程》或NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》应进行工艺评定，试件焊接完成后应进行射线检测（RT），检测结果只要避开面状缺陷符合取样长度即可。首先按工艺委托进行γ 射线检测，因源的种类和工件厚度的影响射线检出率不高，后续更改选用常规超声（PE）、衍射时差（TOFD）和相控阵（PAUT）3 种超声技术分别进行检测。

本文介绍了超声技术在大壁厚、特定焊接方法、特殊几何结构对接接头中的检测效果。

1 试件规格和各项参数

本焊接工艺评定是为现场固定管口窄间隙氩弧焊（TIG）横焊制作的试件。材质为SA335P92，规格φ570×50/70 mm，坡口形式U 型，焊接位置横焊2G，试件坡口参数和焊接见图1。

图1 工艺评定试件坡口参数和焊接

焊接工艺为NG-TIG 打底（焊缝根部打底2 层，冲氩保护防止氧化和保证背面成形良好），然后填充至盖面完成（工艺参数的设定与修正，克服重力对焊接过程的不利影响，保证获得理想的熔池状态和焊缝成形）。施焊时试件垂直固定，焊接机头沿固定轨道进行全周循环转动，实现整条环缝的多层多道横焊[4]。（注：RT、TOFD、PAUT 检测的起始0 位置和方向均相同）。

2 γ 射线检测和结果

检测工艺符合NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2 部分：射线检测》[5]：使用Ir192（φ3 mm×3 mm），透照厚度T=50 mm，源内中心透照符合减半0.5f条件，焦距F=285 mm，增感屏为铅0.2/0.1×2/0.2 mm（前/中/后），奇、偶布片（L3长度平均），曝光时间15 min，射线胶片为Agfa-C4，像质计灵敏度为6FeJB（8/0.63），黑度和灵敏度均符合要求。检测结果见图2 ～图4。

图2 射线底片1#（黑度：2.68 ～2.97，L3=223 mm）

图3 射线底片3#（黑度：2.47 ～2.65，L3=223 mm）

图4 射线底片7#（黑度：2.55 ～2.89，L3=223 mm）

检测结果：以上3 张底片基本上未显示出特定面状缺陷影像。

分析原因：首先γ 射线为线状谱，本底噪声高，影响固有不清晰度Ui和对比度ΔD；其次大壁厚b值一定时，在内透中心透照方式允许放宽0.5f条件下，增大了几何不清晰度Ug。2 个因素引起灵敏度急剧下降，影像被放大模糊，此类面积型缺陷更容易漏检。

目前常规超声PE 结合数字成像技术对面状缺陷检出效果非常好。故建议焊接工艺委托改用超声方法进行多元化互相验证检测。

3 超声检测和结果

目前超声检测分为常规超声PE（不可记录），数字成像（可记录）TOFD 和PAUT。

3.1 常规超声PE 检测

使用汕超SIUI-9009PLUS，探头为2.5P13×13-K1、K2，5P8×12-K2.5。工艺要求符合NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3 部分：超声检测》[6]：3 种角度探头采用多种扫查方式，其中K1、K2 以1.1T 对应声程位置起始一次波扫查，K2.5 对近表面缺陷扫查；同时进行斜平行扫查。检测结果见表1 和图5 ～图7。

表1 常规超声PE 检测结果

图5 缺陷1（上层1/3）

图6 缺陷2（中层1/3）

图7 缺陷3（底层1/3）

检测结果分析：缺陷1 采用K2.0、K2.5 多向扫查（近表面缺陷K1 不适用），其中K2.5-B 侧波幅处于III 区，两种角度波幅差ΔdB=16.4，结果符合未熔合的静态和动态波形；缺陷2 采用K1.0、K2.0、K2.5 三种角度多向扫查，其中（K2.0 和K2.5）-B 侧波幅均处于III 区，3 种角度波幅差ΔdBmax=13.6，结果也符合未熔合静态和动态波形（其中K1.0 在B 侧由于焊缝余高宽度限制检测不完全）；缺陷3 为近根部缺陷，不仔细观察会漏检（且在B侧检测时波形指示不完整）。

3.2 TOFD 检测（对应上述PE 检测的3 处缺陷）

检测工艺符合NB/T 47013.10—2015《承压设备无损检测 第10 部分：衍射时差法超声检测》[7]：使用ISONIC 2010，5Mφ6-60°，PCS=115 mm。检测结果图谱见图8，检测结果见表2。

表2 TOFD 检测结果

图8 TOFD 检测图谱

3.3 PAUT 检测（对应上述PE 检测的3 处缺陷）

检测设备是ISONIC 2010 32/32，对比试块P92、CSK-IIA-3。根据焊缝坡口结构参数结合NB/T 47013.15—2021《承压设备无损检测 第15 部分：相控阵超声检测》[8]设计分区，单面双侧纵向垂直扫查+扇扫描几何结构显示，保证声束对检测区域实现二次全覆盖。

●3.3.1 分区一

分区设置：t/2 ～t，即25 ～50 mm，一次波检测。探头位置1 距焊缝熔合线S1=15 mm，探头为5.0L32-0.5P×10，扇形角度为35°～70°。采用φ2 mm×60 mm 横孔制作DAC 曲线（至少3 点），角度步进为0.5°，扫查速度≤100 mm/s，扫查灵敏度为φ2×60-14 dB，如图9 所示（探头位置1）。

图9 探头位置1（S=15 mm）

●3.3.2 分区二

采用特殊分区二：0 ～t/2，即0 ～25 mm，二次波检测。因内表面存在特殊倒角结构，必须考虑PAUT 二次波检测时，偏心距S范围内变型纵波对检测的影响程度较大（即避开底部倒角反射面）。随即采用2.5P13×13/55°探头在1.25P跨距内作多次试验（探头位置由远及近，CAD 1∶1），如图10所示。

图10 变型纵波影响

经试验和计算综合考虑后参数设置：探头位置2距焊缝熔合线S2=110 mm，探头为2.5L32-1.0P×15，扇形角度为48°～56°，运用多项扫描模式。选用φ2 mm×60 mm 横孔制作DAC 曲线（每段区间内至少3 点），角度步进为0.5°，扫查速度≤100 mm/s，扫查灵敏度为φ2×60-14 dB，如图11 所示。

图11 探头位置2（S=110 mm）

●3.3.3 组合覆盖检测

单面单侧的组合覆盖检测如图12 所示。

图12 组合覆盖检测

●3.3.4 检测结果

TOFD 检测结果（对上述3 处缺陷），见图13 ～图15。PAUT 检测结果见表3。由表3 结果得出，缺陷1：一次波A 侧显示强于B 侧，二次波A 侧显示也强于B 侧，但由于声程衰减大、信噪比不高，运用软件多维方向观察符合未熔合静态和动态波形；缺陷2：一次波A 侧显示弱于B 侧，二次波A 侧有较好显示而在B 侧没有显示，同样的声程灵敏度适当减小、信噪比较好，多维方向观察也符合未熔合静态和动态波形；缺陷3：为近根部缺陷，一次波B 侧有显示，而在A 侧没有显示，不仔细比对TOFD 图谱会漏检。

表3 PAUT 检测结果

图13 缺陷1

图14 缺陷2

图15 缺陷3

●3.3.5 结果返修

返修工艺为碳弧气刨至接近深度，改用砂轮片薄层打磨，随即进行PT 检测。缺陷1、缺陷2 的显示见图16 ～图17。

图16 缺陷1

图17 缺陷2

4 缺陷检出分析和超声技术注意点

窄间隙横焊中坡口上侧、下侧受多种工艺因素影响（钨极位置、送丝速度、脉冲频率、基值电流），容易产生未熔合缺陷[9]。以下为超声技术对缺陷检出分析和注意点：

1）常规超声PE 采用一次波多角度、多方向锯齿形/斜平行扫查，结合定性4 步法，可估判缺陷为未熔合；因其不可记录、近表面盲区大、几何结构引起的变型波对二次波检测的影响较大的缺点，所以需要与可记录技术配合应用。

2）TOFD 的要点是利用缺陷上、下端点衍射测高。因TIG 横焊工艺为采用薄层多道，上、下侧的坡口未熔合自身高度较小，TOFD 图谱中上、下端点分不开，类似条形缺陷或气孔的波形在评图时需要注意和甄别。

3）PAUT 对特殊坡口和几何结构检测有明显亮点，采用单面双侧一次波和二次波分开设置的组合工艺对有效检测区域（ROI）覆盖（特别注意内倒角结构对探头位置选取的影响），合理设置各项其他参数，结合几何结构显示方式能有效和可靠地检出面状缺陷。

5 结论和建议

在大壁厚窄间隙横焊实施过程中，其主要缺陷为上下坡口未熔合。在此例工艺评定试件检测时，选用超声方法明显优于γ 射线，其中以常规超声PE+PAUT组合检测效果最佳。建议焊接工艺人员在依据DL/T 868—2014 或NB/T 47014—2011 对焊接工艺评定中进行无损检测方法的选择时，应该考虑主要因素（工件材质厚度、焊接方法、几何结构、坡口形式等）对焊接的影响和特定缺陷出现的概率，从而保证工艺评定质量；而实际产品检测中则需因时就势灵活选用超声技术。

常规和数字成像超声技术相结合为焊接新技术可靠服务，为推动先进自动焊接方法的应用保驾护航。