弯头内表面应力腐蚀裂纹的超声检测

2018-05-28，，,3，

无损检测 2018年5期

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(1.中广核核电运营管理有限公司，深圳 518214；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518214；3.哈尔滨工业大学威海分校，威海 264200)

某系统管道中大量使用奥氏体不锈钢弯头,对于此类弯头，在设计上已经从材料、制造工艺等方面考虑了防止出现应力腐蚀开裂的问题，因此一些标准规范和国内外反馈都没有针对弯头应力腐蚀裂纹方面的检查。但是，从弯头出现裂纹的金相分析结果来看，弯头原材料在弯制的冷加工过程中，有可能产生较大的残余应力。在役期间弯头内壁又承受着高温、高压含硼水冲刷的作用，受力情况复杂，工况恶劣；在累计运行时间足够长的情况下，具备了形成应力腐蚀开裂的条件。因此，必须通过超声检测等手段检测弯头内壁应力腐蚀裂纹发展状态，并采取维修措施。

目前，国内外对于该类管道的超声检测主要集中在热疲劳裂纹的检查。但是，该类管道内壁在制造及在役运行等期间形成的应力腐蚀裂纹与热疲劳导致的裂纹形貌有很大不同。超声检测时，被检管道的几何形状尺寸、裂纹缺陷的形貌及方向等对于超声回波信号的影响都很大。笔者根据管道弯头结构尺寸、缺陷形貌进行了理论计算，设计了超声探头、对比试块、扫查方式等，确保了超声检测的可靠性。

1 弯头失效机理及案例

1.1 弯头典型失效机理

1.1.1 冷热混流热疲劳

热疲劳是由管道中介质温度的周期性变化引起的，而温度周期性变化则由周期性的冷水流或者热水流泄漏到管道区域引起。不稳定的热分层会导致冷热交替区域的应力交变，从而产生热疲劳问题。

1.1.2 弯头应力腐蚀裂纹

弯头在弯曲成型后未按要求进行固溶处理，致使该类弯头在长期高温、高压含硼水冲刷的服役过程中产生了应力腐蚀裂纹。

1.2 裂纹缺陷位置形貌

1.2.1 热疲劳裂纹

热疲劳裂纹常发生在靠近焊缝区域和管道(包含弯头)上，靠近焊缝部分的一般为周向裂纹，如图1(a)所示；管道上的裂纹一般为平行于管道轴向的平行裂纹或者龟裂，如图1(b)所示。

图1 热疲劳裂纹外观

通过金相显微镜观察热疲劳裂纹，可以清晰看到其萌生于内表面，属于穿晶裂纹(见图2)。

图2 热疲劳裂纹金相检验结果

1.2.2 制造原因引起的应力腐蚀裂纹

国外某核电机组管道弯头的应力腐蚀裂纹在弯头上的分布都与弯头轴线呈一定角度，一般为30°～45°，基本没有周向裂纹或与轴线平行的裂纹(见图3，4)。

图3 国外某核电机组管道弯头裂纹外观

图4 国外某核电机组管道弯头裂纹金相检验结果

在显微镜下观察发现的应力腐蚀裂纹都为沿晶裂纹(晶间裂纹)。

1.3 管道失效案例

热疲劳导致管道(包含弯头)失效的统计信息如表1所示，从统计数据可以看出，热疲劳产生的裂纹主要为轴向、周向裂纹，龟裂等。

表1 热疲劳导致管道(包含弯头)失效的统计信息

2 检测过程

2.1 检测对象

试验研究的对象为管道弯头，参考ASME(美国机械工程师学会)规范和行业标准，对直径超过254 mm的弯头可以采用无曲率的试块，相当于对平面进行检查。探头和试块设计研发时，选取了2″，3″，4″，6″，12″等5种规格编号的弯头。

2.2 检测区域

对于同一个弯头，超声波探头与其内拱、外拱、上下侧面接触面的贴合情况有明显不同，对这3个区域需要单独设计并计算检测区域。因此将这3个区域分成独立的区域：Ⅰ区(外拱区)，Ⅱ区(上下侧面)，Ⅲ区(内拱区)。弯管扫查分区示意如图5所示。

图5 弯管扫查分区示意

3 扫查方式的改进

目前，国内外对该类管道(包含弯头)通用的扫查方式为“十字形”扫查，其目的是检查周向裂纹和轴向裂纹。

根据某国外核电机组的管道弯头应力腐蚀裂纹的UT(超声检测)、RT(射线检测)、VT(目视检测)结果的对比，在弯头处发现的裂纹并不是规则的轴向裂纹或者周向裂纹，这样在周向扫查和轴向扫查时，就无法使超声波的入射方向与缺陷表面垂直。声束垂直于缺陷表面时缺陷波最高；但是当声束与缺陷表面有倾角时，缺陷波高随入射角的增大而急剧下降，因此缺陷漏检的可能性很大。

为了提高缺陷的检出率，改进了超声检测工艺，由原来的 “十字形”扫查改为“米字形”扫查(见图6)。

图6 弯头的超声波扫查方式

考虑到探头按照“米字形”轨迹在弯头部位进行扫查时，45°和135°方向的弯头曲率一直在发生变化，而探头面的曲率固定，这样容易造成耦合不好，影响缺陷的检出率。但是这两个方向的检测必须予以保证，因此设计时要将探头晶片发出声束的方向与周向扫查形成45°和135°的夹角(见图7)。这样探头运动方向为沿圆周方向，且曲率固定，同时45°和135°声束保证了“米字形”的4个方向(见图8)。

图7 改进后的超声波探头声束方向

图8 改进后的超声波探头在弯头上扫查声束的方向

4 探头理论分析

4.1 超声波型的选择

受检部件的检测区域为内表面，在晶粒较细的材料中，横波在端角区域的传播有较高的端角反射率；相反，纵波在端角区域的传播过程中，将分离出较强的横波成分，故端角反射率较低。根据受检部件的材料特征，超声探头应选择横波探头。

4.2 探头角度的选择

4.2.1 横波检测时角度计算

依据超声波折射原理，当第二介质(弯头) 中的纵波折射角等于90°时, 第二介质(弯头) 中只有折射的横波而没有折射的纵波, 即此时的横波折射角度最小。因此，为了保证使用纯横波检测, 根据超声波的折射定律可求出横波在弯头中的最小折射角度为33.81°，所以选择探头的角度应该不小于33.81°。

选择合适探头的同时还必须了解弯头周向横波检测的几何原理。超声波束与内壁相切时的声束路径示意如图9所示。

图9 超声波束与内壁相切时的声束路径示意

如图9所示，由入射点P向管子内表面的延长波束画入射线，并由圆心O引垂线与此线相交，折射角θ与θ1的关系为

sinθ1=sinθ/(1-2t/D)

(1)

当超声波束与内壁相切时，即θ1=90°时，如果θ再增加，则意味着有效波束不能到达管子内壁，不能检出内壁缺陷。所以将θ1=90°代入式(1)，即得到θ角的最大值。

θ=arcsin(1-2t/D)

(2)

则θ的范围为33.81°≤θ≤arcsin(1-2t/D)。

由θ的范围可知，探头选择的角度最小值固定，最大值取决于t/D(壁厚与管道直径比值)。对于核电站一回路辅助管道弯头，影响t/D的因素主要如下所述。

(1) 检测对象规格

试验研究的对象为管道弯头，包含2″，3″，4″，6″，10″，12″，14″共7种规格编号。各个规格的弯头都有自己的壁厚，t/D并非定值，因此对于不同规格的弯头，其θ角最大值arcsin(1-2t/D)并不相同。各种规格弯头对应的探头角度如表2所示。

表2 各种规格弯头对应探头角度

(2) 扫查方式

因为增加了偏转45°和偏转135°的探头声束方向，这样声束与其在弯头周向上的投影面就是一个复杂的略呈椭圆的型面，相当于壁厚和外径都在变化，因此这两个方向上的探头理论计算部分非常繁琐。探头折射角由于受工件曲率的影响，并不能完全覆盖整个壁厚区域，所以可以通过CAD软件的角度计算和CIVA软件模拟两种方式选择合理的角度。

图10 横波探头端角反射范围

4.2.2 端角反射时角度计算

横波在端角处的声压反射率随声波入射角度的不同而变化(见图10)，通常当声波入射角度在35°～55°范围内有较强的声压反射率。而根据sinθ1=sinθ/(1-2t/D)可知，θ1>θ,比如对于14″弯头，当θ为45°时，θ1为65°，所以需要计算各个规格弯头的θ值以保证端角反射，进而发现内壁处的裂纹。

4.2.3 探头角度综合选择

根据上述探头理论计算的结果，并且通过CIVA软件模拟计算，声波周向偏转135°探头选择参数如表3所示。