700℃超超临界火电机组无损检测方法初探

2018-05-14刘彦如

科技风 2018年34期

摘要：本文对火电机组目前采用的无损检测技术的种类进行简单阐述，结合发展计划对将来无损检测带来的影响进行分析，提出无损检测技术在将来实际应用过程中发生哪些变化，各种检测方法的适用性和局限性，以及新材料的大量使用给无损检测技术带来的变化和影响。

关键词：奥氏体不锈钢；焊缝；检测；700℃超超临界

我国火电机组的主蒸汽参数不断提高，蒸汽压力从低压、中压、高压、超高压，不断提升到亚临界、超临界，并一跃成为世界上超超临界机组最多的国家，在节能、减排、低碳、提效的大背景下，700℃以上高效超超临界机组的研究是当今火电机组的发展方向，我国在2010年也开展了高效超超临界机组的研究工作。

高效超超临界研究的核心在于耐高温材料的研发和应用，这也是当今世界需要解决共性问题。目前火电机组用钢主要分为铁素体钢和奥氏体钢两大类，由于低合金铁素体耐热钢的应用受到抗高温氧化性能的限制，对于700℃以上的选材，世界研究的方向为抗蒸汽氧化、耐高温性能更好的新型奥氏体钢和高温镍基合金。电站设备材料的变化也将给焊接工艺及无损检测方法带来改变。

1 电站设备常规无损检测

用于电站设备安装过程中质量监检和在役设备使用过程中的定期检验的常规检测方法有：磁粉、渗透、射线和超声波检测。粉检测广泛用于电站锅炉集箱、压力管道、大型铸、锻件、叶片等铁磁性材料检测；渗透检测用在非铁磁性材料表面检测，如发电机护环、风叶，轴瓦巴氏合金层等；受热面管及薄壁管道焊縫大多采用射线检测；超声波检测可用于集箱和管道焊缝、轴瓦、轴颈、螺栓、叶片等部件的检测。无损检测在电站设备安装监检和金属监督中发挥重大作用，为设备安全稳定运行提供重要保障。

任何一种进行检测方法都有一定的局限性，在对某一工件进行无损检测的检测时，要会根据实际的情况对检测方法进行合理的组配，是检测盲区减小或消除以达到工件百分百检测。例如对于管道或集箱对接焊缝进行检测，通常表面缺陷优先选用磁粉探伤方法进行检测，对于内部埋藏缺陷的检测使用超声波探伤。

2 材料变化对检测方法的影响

参数的提高，传统的9-12%Cr耐热钢的高温性能已经不能满足要求，集箱、主汽、再热管道、汽缸、阀壳、高温螺栓等用材由有磁性的铁素体钢变为无磁性的新型奥氏体耐热钢和镍基合金（见下表），表面检测只能选择渗透检测。参数提高带来另一个变化就是厚壁增加，X射线对厚壁工件检测效率极其低下甚至不能照透，而源检测虽然能够检测，但对于在役设备出于安全考虑又有诸多不便，难以在机组检修中得到应用，固超声波检测将成为检测内部缺陷的主要手段。

奥氏体不锈钢在核电、化工、石油等领域早已大量应用，但对其超声检测存在以下难点：晶粒粗大超声波衰减严重，各项异性定位不准，信噪比低。当晶粒接近超声波波长1/10时，就会有明显的声散射，当材料晶粒为波长的1/2时，对声波散射剧增，小缺陷信号就完全被噪声淹没，无法进行小缺陷的检测。[1]

如何提高奥氏体不锈钢焊缝检测信噪比，提高定位定量准确性，一直是国内、外无损检测研究人员致力研究的课题，经过大量的理论研究和试验工作[2-5]，分别从探头频率、检验波类型、角度、晶片尺寸等方面寻找突破口，已经取得了一定进展。通过设计人工缺陷采用不同波形、不同K值、不同频率的探头对试样上进行超声检测，对检测结果进行分析，纵波探头检测奥氏体不锈钢焊缝的信噪比高于横波探头，窄脉冲2.5MHz探头比1MHz探头信噪比高。横波探头虽然信噪比不如纵波，但其反射信号比纵波清晰，分辨率比纵波更高。[6]郑中兴[7]设计的纵波斜射双晶探头因采用了一发一收的T-R方式，采用IMHz的低频大晶片纵波斜射，使得衰减明显减小。检查晶粒度为-2级的粗晶护环钢，能清晰地发现垂直深度70mm处的刻槽反射，信噪比大于10dB，灵敏度余量30dB。金松虎[8]等对板厚75mm的工件焊缝采用45°/60°两个角度纵波探头进行超声检测，通过检测结果与实测解剖结果对比，深度在61mm处的缺陷能够被发现，由于噪声影响，检测灵敏度有所下降，对缺陷定位也有一定影响。

经过长时间理论分析和试验模拟，国内对奥氏体超声检测有了一定认知，技术难点也有所突破，并初步形成了推荐性检测标准NB/T 47013.3-2015 附录 I，规定了工件厚度10-80mm奥氏体不锈钢对接接头的超声检测方法和质量分级。尽管有了推荐性标准，但对于奥氏体不锈钢焊缝超声检测仍有一定难度，特别是小缺陷检出率及大厚壁材料缺陷定位，不乏一些特殊结构的工件需要定制的探头才能检测，同时对检测人员的技术水平要求比较高，还应继续开展研究得以广泛开展工程应用。

3 TOFD和相控阵新技术的应用

随着新技术的发展和仿真技术引入，超声波衍射时差法（TOFD）、相控阵技术以及CIVA仿真在工业中的应用越来越多，大量技术人员将这些新技术应用到不锈钢超声检测中并取得不错的效果，在核电、石油、化工等领域相控阵超声检测技术已有工程实际的应用。

陈振华[9]等进行了奥氏体不锈钢焊缝超声TOFD检测中声波传播特性分析，总结出缺陷衍射波幅度检测因素的影响，提出奥氏体不锈钢焊缝超声TOFD检测时，探头应放置于焊缝根部侧进行检测；探头不能放置在根部时，应采用二次波法进行检测。

严宇[10]等采取理论分析、数值模拟以及超声相控阵检测、射线检测等多种手段相结合的方式，制定了核工程奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测工艺，实现了相控阵超声检测方法在核电站主管道焊缝检测中的应用。

4 结论

（1）对高温集箱、主汽、再热管道、汽缸、阀壳、高温螺栓等镍基合金和新型奥氏体不锈钢表面检测采用渗透检测。

（2）奥氏体不锈钢超声波检测已有了推荐性的检测标准，选用合适的频率、角度和检验波类型可实现对其检测，但同时对检测人员素质要求比较高，今后还应继续开展研究得以广泛开展工程应用。

（3）通过CIVA仿真技术与TOFD、相控阵检测技术结合，在核电和石化领域检测取得较好的工程应用效果，是将来700℃超超临界机组不锈钢焊缝检测主要检测手段。

参考文献：

[1]张鹰，张延丰，雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究[J].无损检测，2006，28（3）：119-122.

[2]晏荣明，李生田.大厚度奥氏体焊缝超声波探伤的研究[J].无损探伤，1994，4：6-8，11.

[3]郑中兴.大厚度奥氏体钢焊缝超声检测用纵波斜射双晶探头研制[J].北方交通大学学报，1999，（23）3：115-119.