薄壁不锈钢小径管的失效分析及相控阵检测

2018-06-25，，，

无损检测 2018年6期

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(天津市思维奇检测技术有限公司，天津 300350)

某100 kW超超临界电厂规格(直径×壁厚)为φ54 mm×4 mm,材料为10Cr18Ni9NbCu3BN的再热器管子频繁发生爆管，对该管子进行割管取样并进行失效分析及相控阵检测。

1 材料分析

利用斯派克电火花式直读光谱仪对管子进行材料分析，得到如表1所示的结果(取5次平均值)，结果显示母材为10Cr18Ni9NbCu3BN，焊材为YT-304H，YT-304H为日本住友焊丝，用于焊接超(超)临界锅炉机组的奥氏体不锈钢。正常Ni含量(质量分数)为16.02%，但是该焊缝Ni含量为14.56%，比正常值偏低，这可能是由于母材Ni含量较低，焊接的过程中发生了稀释作用而造成的。

2 显微组织分析

对未开裂和已经开裂的管子进行显微组织分析，图1为未开裂和已开裂焊接接头的显微组织分析结果。

表1 实际检测母材及焊缝成分(质量分数)和标准规定成分的对比 %

图1 未开裂和已开裂焊接接头的显微组织分析

根据金属平均晶粒度测定方法[1]，热影响区附近母材晶粒度约为3级，母材处晶粒度为9级，完全符合高压锅炉用无缝钢管10Cr18Ni9NbCu3BN的晶粒度要求(7～10级)[2]。根据高压锅炉无缝钢管的晶粒度要求，焊缝的等轴晶处及柱状晶处组织未见异常，热影响区处母材存在晶间腐蚀。

3 无损检测过程与检测结果

针对该电厂再热器小径管频繁发生爆管的现象，对该小径管割管取样进行分析，通过金相分析发现焊缝金相组织为奥氏体+鱼骨状铁素体，母材为奥氏体，晶粒度约为3级，热影响区处存在晶间腐蚀。其部分管子存在宏观裂纹，这是由于奥氏体不锈钢小径管晶间腐蚀发生以后，会逐渐在运行的过程中不断延伸，最后发展成为宏观裂纹，而宏观裂纹在运行过程或者启停过程中极易导致爆管事故的发生。

通过金相分析，晶间腐蚀长度级别为10～400 μm。对于频率为7.5 MHz的超声波横波，其在钢中的传播速度按3 230 m·s-1计算，得到其波长为430 μm。按照超声波检测最小分辨尺寸为半个波长的理论，理论上可以发现部分晶间腐蚀，但是用超声波方法来检测晶间腐蚀并不可行，这是由于以下几方面原因：① 超声波在尺寸相差不大的晶间腐蚀处衍射作用强，反射强度降低；② 晶间腐蚀方向的不确定性使得反射波束不能保证被探头接收；③ 由于晶间腐蚀处两晶粒晶界仍然是紧密结合的，超声波到达晶间腐蚀时会存在超声波透射作用，超声波反射能量降低。

但是如果晶间腐蚀已经发展成为宏观裂纹，且宏观裂纹出现于内表面处且延伸方向垂直于内表面，对其进行超声检测时，根据端角反射规律[3]，如图2所示，在45°(K1)左右的波束探头对端角反射会有很强的敏感性，理论上可以检测出宏观裂纹。

图2 超声端角反射理论示意

根据现行的相控阵超声检测标准[4]规定的相控阵可以检测的小径管最小壁厚为6 mm，对于小于6 mm的工件，没有规定对比试块，于是笔者制作了符合现场检测需要，针对热影响区晶间腐蚀开裂的对比试块，并采取刻槽方式模拟裂纹。试块以现场割管做成，其规格(外径×壁厚)为φ54 mm×4 mm，材料为10Cr18Ni9NbCu3BN,在管子内部焊缝上下熔合线处刻槽，管子外部熔合线处刻槽，槽的尺寸(长×深×宽)为8 mm×0.8 mm×0.3 mm,如图3所示(图中F1,F2,F3为刻槽)。