超临界机组高温高压管道焊缝检测方法对比

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(1.中国大唐集体科学技术研究院有限公司 火力发电技术研究院，北京 100040；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045)

随着电力工业的快速发展，国内高参数超临界、超超临界机组相继投产运行。P91/P92马氏体耐热钢以其良好的高温持久强度、热稳定性、高温抗蠕变能力及较高的抗氧化能力等优点，广泛应用于发电厂高温高压管道的制造中。

由于人们对材料认识不够、焊接工艺不成熟、焊接过程控制不严等原因，P91/P92厚壁钢管在国内投入使用的初期，制造安装过程中常产生焊接缺陷。近年，对在役P91/P92钢管道焊缝进行超声波检测时，常发现大量层间缺陷反射回波，经解剖验证，其主要为微小裂纹类缺陷、较小的气孔和夹渣，其中以微小裂纹占比最多。裂纹形貌有弧坑散射状、沿焊缝方向平直状、较小的圆弧状等，一般裂纹长度在2～5 mm，高度在2 mm左右，在不同深度层状分布，部分区域缺陷密集。超声波检测时，缺陷反射波高一般不高，很多在评定线上下，如果不能确定缺陷性质，一般按照点状缺陷判定，均符合目前在用标准要求[1]；如果判定为裂纹类危害性缺陷，根据标准要求为不合格焊缝，需要进行消缺处理。如何对待此类缺陷，是不考虑经济性的坚持不容许任何超标缺陷存在还是继续保留缺陷运行，就成为实际生产中人们关心的问题。实践证明，并非所有超标缺陷都会导致设备失效，重要的是应了解缺陷的变化状况，并进行必要的分析评定，消除那些危险系数高的缺陷，而对安全没有威胁的缺陷则予以保留，这样既保证了安全，又可减少经济损失。

因此，在采用无损检测手段对P91/P92钢焊缝内部微小裂纹缺陷进行检测时，准确测量、精确定性，随着运行时间的推移判断裂纹有无变化就变得尤为重要。目前针对在役P91/P92钢焊缝内部缺陷的检测方法一般有常规A型脉冲反射超声波法、TOFD衍射时差法和超声相控阵检测法，笔者通过理论与实际结合的方式对上述3种检测方法进行对比，分析了各自的适用性和优缺点。

1 检测方法对比

1.1 检测原理

1.1.1 脉冲回波法

脉冲回波法超声检测是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法，主要通过入射声波与反射声波之间的传播时间和声波反射信号的幅度对缺陷进行评估，是常规检测手段之一。

1.1.2 衍射时差法

衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)超声检测，是采用一发一收探头工作模式，利用缺陷端点的衍射波信号来分析缺陷位置及尺寸的一种超声检测方法，其检测原理如图1所示。检测时，衍射信号向各个方向传播，没有明显的指向性，且信号强度比反射信号弱得多，对于缺陷的识别和测量不是基于波幅，而是基于信号传输时间进行的。

图1 TOFD检测方法原理示意

1.1.3 相控阵检测

相控阵无损检测技术是多声束扫描成像技术，超声检测探头阵列单元由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，有效地控制发射超声声束(波阵面)的形状和方向，实现超声波束的扫描、偏转和聚焦(见图2)。

图2 相控阵检测时的波束偏转和聚焦示意

1.2 检测方法优缺点

1.2.1 脉冲回波法

常规超声检测广泛应用于电站设备无损检测领域，具有现场使用方便、成本低、能实时分析检测结果等优点。

超声波检测对于缺陷的判定及测量是基于反射信号的波幅进行的。影响信号波幅的因素有很多，包括仪器的性能，探头的型式、频率、带宽、晶片尺寸和角度，缺陷所在的位置、大小、取向、性质等，以及检验人员的能力素质等外界因素都会影响到超声波检测的结果，所以其对缺陷的检出具有不确定性。而且，超声波检测不具有数据存储功能，对缺陷的跟踪复检受人为影响因素大。

1.2.2 衍射时差法

TOFD检测根据衍射信号来判断缺陷，不受缺陷方向的影响，对缺陷的检出率比常规超声方法高；根据衍射信号的传播时间对缺陷进行定位及尺寸测量的精度高，尤其是对缺陷高度的测量精度可达零点几毫米；可根据TOFD图谱(见图3)中缺陷显示的相位关系来区分体积型缺陷和面积型缺陷[2]，还可根据显示的明亮程度和尖端轮廓的变化来对裂纹进行辨别；具有图像采集和保存的能力，能定期对缺陷的扩展、裂纹的增长进行有效监控。

图3 TOFD检测数据示例

TOFD检测的缺点是：在焊缝上、下表面存在盲区，对该区域检测的可靠性不够；对缺陷定性比较困难；非平行扫查时横向裂纹的显示近似点状，容易造成漏判；缺陷在图像上是二维显示，不能完全体现缺陷的空间位置；图像分析需要结合多方面因素综合考虑，对检测人员要求较高；现场检测会受到工件结构限制；数据采集也需综合考虑声束覆盖范围和衰减与检测分辨力的匹配，对于重点缺陷区域应优先考虑检测分辨力。

1.2.3 相控阵检测

相控阵检测可设置扫查范围，通过电子技术实现声束偏转和聚焦，相比于常规超声检测，其通过对缺陷的立体化扫描成像，能有效地发现不同角度的缺陷，检测灵敏度高，缺陷定位准确，检测结果直观，可实现实时显示，通过软件分析可以得到缺陷的周向位置、焊缝深度、水平位置、周向宽度、深度宽度、水平宽度6项数据。现场检测受工件结构影响小，检测速度快，在扫査的同时可对焊缝进行分析、评判，配合编码器可以记录缺陷的信息，并能实现检测结果的永久性保存(见图4)。

图4 相控阵检测数据示例

相控阵技术对焊缝内缺陷的检测同样利用了声波反射原理，对于缺陷上、下端点的精确测量需要考虑缺陷深度与焦点位置的关系。

1.3 检测的影响因素

1.3.1 缺陷尺寸

P91/P92钢焊缝内部裂纹缺陷长度一般为2～5 mm，高度约2 mm左右，根据声波的传播特性，当缺陷直径大于波长的3倍时，不论是垂直入射还是倾斜入射，都可把缺陷对声波的反射看成是镜面反射。而当缺陷直径小于波长的3倍时，缺陷反射就不能看成镜面反射，这时的缺陷波能量呈球形分布。此时，不论缺陷表面光滑与否，声波的反射指向性基本不受探头角度的影响[3]。常规2.5 MHz探头在钢中的横波波长约为1.3 mm，而P91/P92钢焊缝中微小缺陷的尺寸一般与3倍波长相近，超声波反射特性不同于一些尺寸较大的缺陷，其缺陷波可类似看成球形分布，不论是垂直入射还是倾斜入射，都能得到一定幅度的缺陷反射回波，反射回波当量普遍较低。

TOFD检测法通常使用抛物线指针与信号弧线拟合的方式进行测量，对于有一定长度的与焊缝表面平行的缺陷，测量误差较小；但对于长度明显小于探头晶片大小1.5倍的缺陷显示，则无法准确测量其长度[4]，需通过合成孔径聚焦技术(SAFT)加6dB法来确定缺陷长度，这需要花费较多的时间。

1.3.2 检测分辨力

超声脉冲自身有一定宽度，并存在声束扩散现象，在相邻和深度方向上分辨两个相邻信号的能力有一个最小限度，称为分辨力，其对于区分单个缺陷与多个小缺陷、连续缺陷或断续缺陷，从而正确判断缺陷的大小和性质，有重要实用价值。影响检测分辨力的因素不仅包括频率、晶片尺寸，还包括仪器性能、探头性能、仪器与探头的组合性能、声束扩散角、被检材料和缺陷性质等。

超声波的横向分辨力是指与声束轴线垂直的平面上两个反射体的可分辨距离，与声束宽度有关，理论上约为声束直径的二分之一；纵向分辨力是指超声波对声束轴线上不同深度两个相邻反射点的分辨能力，理论上约为波长的二分之一。然而，在常规超声实际检测过程中，要综合考虑检测参数的选取，检测分辨力远远达不到理论值。

相控阵检测成像为三维图像，检测分辨力指焊缝内缺陷的空间分辨力，不仅包括横向(水平)分辨力和纵向(轴向)分辨力，还包括角度分辨力[5]。相控阵仪器可通过控制聚焦参数、优化焦点尺寸、改变焦距深度和声束方向，使检测分辨力得到提高。而焦点尺寸和焦距深度既影响检测分辨力也影响检测灵敏度和成像质量。焦点尺寸大小取决于声束发射孔径和波长，不同尺寸的焦点对缺陷测量存在较大偏差[6]。焦距深度的变化影响聚焦强度和焦点尺寸，焦距增加，聚焦强度减弱，焦点直径增大，缺陷回波幅度减小，成像分辨力降低[7]。图5为相控阵扫描CSK-ⅠA试块上的50，44，40 mm阶梯孔的成像，可见其成像清晰，分辨力高。

图5 相控阵扫描CSK-ⅠA试块上的3个阶梯孔的成像

TOFD检测分辨力是指分辨一个小裂纹上、下端点的衍射信号的到达时间。通常选用宽频带、窄脉冲探头，通过减少脉冲信号的周期数从而减少信号持续时间来提高检测分辨力;也可以通过提高探头频率，改变探头间距或者采用SAFT来提高检测分辨力。常规的5 MHz探头，理论上可计算出焊缝层间的分辨力约2 mm[8]，这并不能使微小裂纹的上、下端衍射波形清晰地显示出来，对于微小裂纹的判读不能给出准确的直观分析结果，但这个分辨力足够对相邻或断续缺陷进行辨别。

1.3.3 声束扩散角

超声声束扩散角的纵向宽度由主声束和上、下半扩散角(见图6)以及声束旁瓣组成[3]。在不考虑声束旁瓣的情况下，以厚度60 mm的P91/P92钢工件为例，楔块内纵波声速为2 730 m·s-1，钢中横波声速为3 310 m·s-1，计算可得不同探头在P91/P92钢中传播的角度范围(见表1)，声束覆盖范围见图7。

图6 超声波声束近场区及扩散角

表1 不同探头在P91/P92钢中传播角度范围

图7 2.5 MHz K1探头波束覆盖范围

如图7所示，超声波束在焊缝内传播时，因声束扩散使声波覆盖纵深可达20 mm左右，P91/P92焊缝内每层焊道厚度不超过4 mm，则波束覆盖约5层焊道。如果在波束覆盖范围内每层焊道均有缺陷，在仪器上就会有多个缺陷回波显示，部分声波会被前面的缺陷遮挡，还有部分声波会在缺陷之间形成杂乱无章的反射与折射，而伴随探头的移动，回波反射会此起彼伏，很难做到对单个缺陷具体分析。

相控阵检测可根据被检工件的规格尺寸，使超声波束对焊缝全覆盖(见图8)，一次采集焊缝内所有缺陷数据，再分别对缺陷进行具体分析，避免因探头移动扫查导致缺陷回波的不停变化。

TOFD技术使用的探头不要求小的扩散角和好的声束指向性。通常为了增大覆盖范围、提高检测速度且有利于衍射发生，采用小尺寸晶片的大扩散角探头，并且要求探头有好的发射和接收性能。

图8 相控阵波束对焊缝全覆盖

2 实际应用对比

对某1 000 MW超超临界机组在役再热蒸汽管道进行焊缝内部缺陷无损检测时，采用常规超声波检测方法、TOFD检测方法和相控阵检测方法对同一焊缝(材料A335P92、直径×壁厚为566 mm×32 mm)分别进行扫查分析，将常规超声检验的结果与TOFD、相控阵检验结果进行对比，绘制了对比图(见图9)。图中上、中、下三段分别为TOFD、常规超声和相控阵检测的结果，其中常规超声检测结果是根据检测报告所标注的位置和缺陷评级进行图形化处理而得到的。由于在相控阵检测期间，焊缝已经开始加工取样，因此仅对剩余部分进行测试。TOFD和相控阵检测所用坐标相同，以便于结果的对比，而超声检测结果的零点坐标有所不同，坐标对比有一定偏差，但是缺陷总体分布规律基本一致。

超声检测选用频率为2.5 MHz、晶片尺寸为13 mm×13 mm的K1/K2探头进行单面单侧扫查，执行标准为NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》。检测发现焊缝内6处超标缺陷和大量可不记录缺陷，缺陷反射回波不高，测长以点状缺陷为主，部分区域缺陷密集，很难分辨具体缺陷数量。

图9 某焊缝的常规超声,TOFD与相控阵检测结果对比

TOFD检测选用频率为5 MHz、直径为6 mm、声束角度为60°的探头。检测发现焊缝内存在大量点状缺陷，未见明显条形缺陷，在500～1 350 mm长度范围内缺陷较密集，扫查图像可以清楚地分辨点状显示，直观地显示缺陷在焊缝内的分布情况，对缺陷的深度位置、长度、自身高度等参数便于测量。

相控阵检测选用5L64-A32探头，根据焊缝宽度、厚度及坡口形式调整扫查角度、步进偏移和聚焦深度，使得一次扫查覆盖全焊缝，通过软件对扫查图像进行分析，结合A、B、S、C扫描，测量缺陷信息。在取样焊缝内部发现存在多处点状缺陷，其中在620～1 000 mm长度段焊缝内的缺陷分布较为集中。

选取一处缺陷部位进行解剖，其TOFD和相控阵图谱如图10，11所示，其缺陷检测数据如表2所示。

图10 某解剖缺陷的TOFD检测图谱

图11 某解剖缺陷的相控阵检测图谱

表2 解剖缺陷的测量数据 mm

解剖后发现此缺陷是一个微小裂纹，形貌见图12，缺陷位于焊缝中心，其深度为17 mm,长度为4 mm,高度为2.5 mm。结合实际缺陷对比三种检测方法，结果最为直观的是相控阵检测方法，其以图形化方式显示出缺陷位置，定位清晰，缺陷尺寸测量准确，检测灵敏度高，可保存采集文件以进行后续的缺陷跟踪和复检，检测时可一次扫查全覆盖，能实现对焊缝内部信息的快速采集；TOFD检测对缺陷也比较敏感，数据采集文件也可以保存并对缺陷进行跟踪或复检，但由于受声束宽度限制，记录可能被延长，与相控阵相比，难以获得水平位置和水平宽度两项数据，而且由于管道焊缝两侧存在结构偏差，需要进行非平行扫查结合偏置非平行扫查以保证声束对焊缝的全覆盖，增加了检测工作量；常规超声检测对于长度小于10 mm的缺陷，一般直接标记为点状缺陷，没有精确的数据记录，对于P91/P92钢焊缝内部密集型小裂纹仅能大致检测出数量且不能保存检测数据，很难对缺陷进行跟踪和复检。

图12 解剖的微小裂纹形貌

3 结语

目前在役P91/P92钢焊缝内部微小裂纹缺陷的存在已经不容置疑，虽然超出标准要求，可并没有发生过因此类缺陷引起的事故，设备运行多年，状况稳定。但是近两年国内机组普遍进行调峰以满足能源配比需要，尤其是深度调峰会使设备承受的交变载荷增加，其对此类缺陷稳定性的影响尚待考证。

根据P91/P92钢焊缝内部微小裂纹的特点，在超声检测过程中，应关注未达到缺陷记录标准的回波信号，对于因条件限制不能进行返修处理的断续缺陷、局部密集缺陷、自身具有一定高度的缺陷等存在扩展可能的缺陷，应增加TOFD或相控阵检测进行精确测量和分析，根据缺陷分布和尺寸进行安全性评估，并对缺陷变化情况进行监督跟踪，以提高设备运行安全系数，避免设备失效情况发生。

参考文献:

[1] 陈君平,杨文峰.P91/P92钢管道对接焊缝微裂纹的超声波检测[J].无损检测,2016,38(8):44-46.

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[3] 郑晖,林树青.超声检测[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.

[4] 徐秋磊.ARM9超声波检测系统的TOFD技术研究[D].南京:东南大学，2008.

[5] 王悦民,李衍,陈和坤.超声相控阵检测技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2014.

[6] 李衍.焊缝超声检测相控阵参数与缺陷显示的相关性[J].无损探伤，2010,34(3):1-4.

[7] 杨平华,林莉.相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析[J].仪器仪表学报，2011,32(6):1384-1389.

[8] 强天鹏.衍射时差法(TOFD)超声检测技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社,2012.