大壁厚耐热钢窄间隙焊接接头超声检测实验研究

金 亮 姜学平 马向东

（1.江苏电力装备有限公司 常州 213012）

（2.河海大学 物联网工程学院 常州 213022）

（3.江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036）

耐热钢以其优异的高温热强性和耐腐蚀性，在火电配管预制中广泛应用。多年的实际经验已对焊接性、焊接工艺以及焊接接头的性能有了比较全面的认识。而全位置窄间隙热丝TIG焊接技术的实际运用在优化焊接参数、提高接头性能具有重要意义。

相控阵超声检测作为一种超声新技术，具有声束灵活可控、快速成像、适用面广等特点，通过偏转、聚焦等方式弥补了传统超声技术的一些不足，可解决一些常规超声UT难以实施的问题。

NB／T 47013.15—2021《承压设备无损检测 第15部分：相控阵超声检测》[1]标准未实施前，相控阵检测焊接接头工艺中对设备的参数设置、路径示踪、声场覆盖等内容参考了ASTM E2700或ISO 13588系列标准，而在标准实施后对上述条款内容都有明显的细化。

本文为实际工件手工UT检测中显示的缺陷，采用新标相控阵PA检测验证的案例。

1 管道规格与焊缝位置

电力行业管道预制产品结构基本为大壁厚管子与管件对接，材质为耐热钢系列，焊接规程一般采用DL／T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》[2]。

本案例采用的验证件是主蒸汽管道与正三通（2MS-17）的对接焊口（编号WF-30），主蒸汽管道的材质为SA-335P91，规格为φ429 mm×78 mm，坡口型式为U型，工件参数和焊接示意如图1所示。

图1 工件参数和焊接示意图（续）

图1 工件参数和焊接示意图

焊接方法为窄间隙自动氩弧焊，即NG-TIG打底+填充至盖面完成。施焊时管道固定，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全位置焊接。

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。而后通过分区段工艺参数设定与修正，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[3]。

焊前预热150～250 ℃，焊接过程中控制层间温度为150～280 ℃，焊接完成脱氢，最后整体热处理。

2 常规UT检测工艺及结果

依据TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》[4]的要求，检测和验收采用NB／T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》[5]，技术等级B级，I级合格。

2.1 UT准备

超声波检测设备为HS610e，探头型号为2.5P13×13K1、2.5P13×13K2、5P8×12K2.75， 试 块型号为CSK-IA（P91）和RB-C曲面φ450（P91），检测灵敏度为φ2×40-14 dB（纵向）、φ2×40-14-6 dB（横向），表面补偿3 dB，耦合剂为工业浆糊。主蒸汽管道焊缝扫查位置示意如图2所示。

图2 主蒸汽管道焊缝扫查方式示意

2.2 UT工艺

因几何结构所限，扫查方式只能采用单面单侧、一次波扫查。3种角度探头使用前后、左右、转动和环绕4种扫查方式，其中K1、K2以1.1T对应声程位置起始扫查，K2.75对近表面缺陷扫查；同时进行斜平行扫查。

2.3 检测结果

检测发现，焊缝有2处波高位于Ⅲ区的超标缺陷，1处波高位于Ⅱ区的缺陷，最大连续指示长度为110 mm（见表1，表中SL为定量线）。

表1 超声波检测数据

缺陷1分析：K1静态波形尖锐陡直，无分叉，类似Ⅲa；K2静态波形尖锐陡直，但波趾有分叉，类似Ⅲb。K1、K2前后扫查动态波形类似钟形，但K2波趾同时跟随变动，类似Ⅲb。K2在转动探头时，反射波波趾错动明显。左右扫查为相邻链状，初步判定为混合缺陷（链状缺陷中有裂纹）。

缺陷2和缺陷3分析：K1、K2静态波形尖锐，波趾分叉，主波与相邻次波的波幅差为K1、K2都大于6 dB；前后扫查时动态波形类似Ⅳ，次波在波趾宽度范围内跟随主波移动的同时交替变动。在转动探头时，有明显的指向性，K1、K2两种角度最大波幅差等于9 dB，初步判定为未熔合。

3 按新标准制定PA检测工艺

3.1 相控阵分区及参数设置

检测设备为ISONIC 2010 32:32，对比试块为P91、RB-C曲面φ450。按标准设置成2个分区：0～ t／2，即 0～ 39 mm，二次波检测；t／2～ t，即39～78 mm，一次波检测。分区覆盖要求：0～39 mm，29～78 mm。

1）第一分区设置：探头放置在直管侧距焊缝熔合线S1=25 mm位置，探头为5.0L32-0.5P×10，扇形角度35°～70°，采用多项扫描模式。采用φ2 mm×40 mm横孔制作DAC曲线（多项每层至少3点），角度步进为0.5°，扫查速度为100 mm／s，扫查灵敏度为φ2×40-14 dB，如图3所示。

图3 第一位置覆盖

2）第二分区设置：探头放置在直管侧距焊缝熔合线S2=65 mm位置，探头为2.5L32-1.0P×15，扇形角度35°～65°，采用多项扫描模式。采用φ2 mm×40 mm横孔制作DAC曲线（多项每层至少3点），角度步进为0.5°，扫查速度为100 mm／s，扫查灵敏度为φ2×40-14 dB，如图4所示。

图4 第二位置覆盖

3）单面单侧组合覆盖，如图5所示。

3.2 缺陷谱图

两分区数据起点0位、方向相同，缺陷见图6。

图6 缺陷谱图

3.3 数据评定（见表2)

表2 PA评定

3.4 数据结果分析和比对

1）从图6（a）和图6（d）中容易看出，S显示中二次波与焊缝坡口有较好的重合，图像上缺陷中心部位亮度较高。一次波和二次波都有显示，坡口反射波波幅相差不大。

2）从图6（b）和图6（e）中可判定为未熔合。一次波和二次波都有显示，探头侧二次波坡口反射波波幅差较大。C显示中为连续显示，二次波边界比较清晰，且缺陷中部呈红色，亮度明显。

3）从图6（c）和图6（f）中可判定为未熔合。C显示中为断续显示，二次波边界清晰，缺陷中部呈红色，亮度明显；S显示中位于探头侧下坡口68 mm附近处。

3.5 返修验证

缺陷1～缺陷3的返修比对见图7、图8。

图7 缺陷1返修比对

图7 缺陷1返修比对（续）

图8 缺陷2和缺陷3返修比对

3.6 小结

NG-TIG采用多层单道全位置焊接工艺，产生的侧壁或层间未熔合缺陷是超声检测的重点内容。

1）手工UT单面单侧一次波检测，探头置于焊趾线边缘为限，前端或入射点到焊缝中心线的距离S对近表面盲区有影响。虽然窄间隙焊缝宽度W相对小，但探头侧未熔合和探头对侧上部存在一定区域漏检情况。

2）PA单面单侧采用一次波+两次波分别设置进行全覆盖，弥补手工UT的盲区。二次波对探头侧（1／2t～t深度区间）坡口或层间未熔合，有较好的显示、较高的检出率。同时需要考虑二次波声程范围内是否存在变形波的影响，通过仿真软件模拟路径去伪存真。

3）实物返修照片证实PA的检测结果为后续返修工作提供数据（定位、定量、定性），PA检测可优化返修方案，是有效的检测技术。

4 结束语

目前NB／T 47013.15—2021已颁布实施，在TSG 11—2020有关特殊情况的处理条款中，为可记录超声相控阵检测的应用提供了技术评审的途径。

可记录的相控阵超声成像检测技术即选用校准合格的设备，通过仿真模拟焊缝实际结构尺寸成像的方式来优化工艺参数，提高对缺陷的“三定”，解决一些以往较难解决的产品结构问题，以高可靠性、高灵敏度、高效率来适应焊接质量检测的需求。

因此，为了确保管道预制产品质量，达到安、稳、长、满、优运行的基础，适时地推动相控阵检测技术在厚壁管道焊缝上逐步应用，显得十分必要。