超超临界机组 P92 钢管道焊缝缺陷的检验与分析 董树青 中国大唐集团科学技术研究院有限公司火力发电技术研究所 摘 要： 本文中采用常规超声、TOFD 和相控阵技术对某超超临界机组 P92 钢蒸汽管道焊缝进行检验, 并对缺陷进行解剖分析, 认为焊接接头中的缺陷以夹渣和裂纹为主, 而且裂纹缺陷通过常规超声检测难以有效识别, 需采用 TOFD 或者相控阵进行进一步检测, 并结合检测结果开展缺陷评定工作。关键词： P92; 焊缝; TOFD; 相控阵; 缺陷评定; 裂纹; 随着我国不断推进环低碳经济, 发电技术也由超临界向超超临界、高效超超临界机组不断进步。有大量应用经验的 T/P91 钢在使用温度超过 600时, 许用应力急剧降低, 不能满足电站高温承压管道的安全运行要求。P92 钢是日本新日铁在 P91 钢的基础上开展大量研究, 最终研制出新型 9Cr 耐热钢。T/P92 钢的主要成分是 9Cr-1.8W-0.5Mo-V-Nb, 由于合金元素含量高, 焊接性相对较差, 焊接工艺规范要求严格, 焊接过程中易产生焊接缺陷。通过对 P92 钢焊接缺陷进行统计, 打底焊过程中产生的主要缺陷以冷裂纹、焊缝根部氧化造成的焊缝根部成型不良为主要缺陷;填充盖面焊过程中产生的主要缺陷以冷裂纹、热裂纹、未熔及细小夹渣等为主要缺陷1,2,3。1 管道的焊接工艺参数某超超临界机组再热器出口蒸汽参数为 5.87MPa, 603。再热蒸汽管道规格为ID50232mm, 焊缝采用手工钨极氩弧焊打底+电弧焊填充盖面的焊接方法, 焊丝和焊条均为 Thermanit MTS 616, 焊后热处理工艺为 (77010) /6h, 升降温速度150/h。2 焊缝缺陷的检验技术2.1 检验方法对于电站锅炉管道焊缝的无损检验, 主要采用脉冲回波检测方法 (即常规超声检验) 。但是脉冲回波法存在缺陷的检出具有不确定性, 对于小裂纹等危险性缺陷容易误判或者漏检。衍射时差法主要利用缺陷端点的衍射波信号探测和测定缺陷位置及尺寸, 对缺陷非常敏感;相控阵无损检测技术是多声束扫描成像技术, 相控阵具有以下的优势:缺陷定位准确, 检测灵敏度高。检测结果直观, 可实现实时显示等优点。2.2 检验情况本项目中, 采用 Omni Scan Mx 便携式多功能超声检测系统对取样焊缝进行检测。将常规超声检验的结果与 TOFD、相控阵检验检测结果进行对比, 绘制了对比图 (图 1) 。图中上、中、下三段分别为 TOFD、常规超声和相控阵检验的结果。通过对缺陷分布进行对比, 可以看出, 将超声检验所设定的零点坐标与 TOFD 检验的零点坐标有一定偏差, 但是缺陷总体分布规律基本一致。图 1 常规超声检验和相控阵、TOFD 检验结果对比 下载原图相控阵检验, 能够直观显示缺陷位置, 并能够精确测量缺陷尺寸, 通过后期分析, 可以提供缺陷的周向位置、焊缝深度、水平位置、周向宽度、深度宽度、水平宽度六项数据, 可以精确跟踪缺陷的位置。TOFD 检验对缺陷也比较敏感, 与超声技术一样, 由超声声束宽度有限, 记录可能被延长, 导致保守评定缺陷长度。缺陷长度明显小于探头晶片大小 1.5 倍的指示会因为太小而无法用常规TOFD 规程来定量其长度, 但可通过附加算法来确定其缺欠长度。与相控阵相比, 难以获得水平位置和水平宽度两项数据。常规超声检验, 对于其缺陷尺寸评定往往指超过 10mm 长的缺陷, 对于难以准确测量尺寸的点状回波显示, 一般标记为 5mm。3 缺陷的解剖与研究如前述三种方法对焊缝进行检验, 发现焊缝区存在大量缺陷。图 4图 7 显示出了焊缝区缺陷的典型形貌。缺陷从形态上看, 主要有三类:一种为呈圆形或椭圆形的白色斑点, 斑点内有发丝状裂纹存在 (图 2) , 裂纹在斑点内部呈放射状分布, 这种缺陷的数量;一种为宏观的夹渣等缺陷 (图 3) ;一种在光学显微镜下看, 为线性分布的微观裂纹 (图 4, 5) 。图 2 白点缺陷 SEM 形貌 下载原图图 3 夹渣缺陷的 SEM 形貌 下载原图图 4 夹渣缺陷的 SEM 形貌 下载原图图 5 裂纹缺陷的 SEM 形貌 下载原图经过测量, 微观裂纹尺寸多在 1020m 之间, 发现的最大裂纹长度为260m。夹渣缺陷从解剖尺寸约在 0.11.5mm 之间。为了证实上述缺陷, 对缺陷区域进行了微区成分分析。结果表明, 白色斑点区域的平均氢含量为 0.7ppm, 明显高于无白色斑点区域 (0.27ppm) , 表明此类缺陷主要为氢致裂纹;另外, 夹渣及裂纹分布区域可见较多的 Ca、Si、Mn、Ti 等元素。4 讨论通过常规超声、TOFD、相控阵等技术对 P92 钢焊缝进行检测, 焊缝中存在大量点状缺陷, 其最大尺寸均小于 10mm。常规超声检测时, 由于缺陷的反射当量较低, 低于距离-波幅曲线中的评定线, 在检测结果中无法体现。根据检测报告, 在 1800mm 周长的范围内, 发现 3 处记录缺陷, 6 处超标缺陷。对比 TOFD 和相控阵检验结果中尺寸较大的缺陷, 其尺寸大致在 4mm7mm。通过相控阵技术对焊缝进行检验, 可以获得更加直观的焊缝缺陷分布情况, 除了少量尺寸较大缺陷以外, 焊缝中存在大量的微小点状缺陷, 参考NB/T47013.10-2015 中点状缺陷的评价方法, 选定较严重的 100mm 评定区, 可以发现存在近 20 处点状缺陷。通过对焊接接头缺陷进行随机取样分析, 发现缺陷主要有两类, 一类是氢致裂纹, 该区域的颜色明显有别于无缺陷区域, 呈圆形或椭圆形的白色斑点, 且氢含量明显高于缺陷少的区域;第二类为夹渣, 夹渣缺陷的形态既有长宽比接近 1:1的圆形夹渣, 也有近似于裂纹形态的夹渣缺陷, 缺陷中含有较多的 Si、Ca、Ti等焊接熔渣成分。微观裂纹尺寸多在 1020m 之间, 发现的最大裂纹长度为 260m, 通过分析, 认为这些裂纹主要是氢致裂纹4, 5。夹渣缺陷从解剖尺寸约在 0.11.5mm 之间, 由于通过解剖方法测量缺陷尺寸时, 往往是对缺陷的某一截面尺寸进行测量, 难以获得缺陷的最大尺寸, 所以实际缺陷尺寸往往大于测量值。根据上述结论, 可知在无损检测过程中, 认定的危害较大缺陷多为夹渣缺陷, 其实际危害远小于焊缝中存在的大量冷裂纹。对于 P92 钢焊缝中的微小裂纹, 超声波检测时, 不仅要分析判废线, 定量线之间的反射波幅, 对评定线以下的反射波幅也应该进行分析1,6, 或者采用TOFD 和相控阵仪器进行进一步检测, 并进行缺陷安全性评定7。5 结论(1) 常规超声技术对于 P92 焊缝缺陷的检出率远低于 TOFD 和相控阵方法。(2) 焊接接头中的缺陷类型为氢致裂纹和夹渣, 其中危害程度较高的裂纹缺陷尺寸均小于 1.5mm, 在超声检测过程中, 其回波信号低于检测评定线, 常规检测无法有效检出此类缺陷。(3) 在超声检测时发现在一定范围内存在大量回波信号, 建议采用 TOFD 或者相控阵仪器对焊缝进行复检, 根据缺陷分布和尺寸, 进行缺陷安全性评估。参考文献1董永红, 杨文峰, 陈君平.P91/P92 新型马氏体耐热钢焊接缺陷特征与产生机理探讨J.华北电力技术, 2012 (07) :55-57+66. 2洪鼎华, 王环丽, 李武平, 等.在役 P92 钢蒸汽管道焊接接头中缺陷的研究J.机械工程学报, 2017, 53 (18) :113-120. 3谢逍原.P92 集箱环焊缝内部焊接缺陷的定性分析A.2015 年全国失效分析学术会议论文集C.中国机械工程学会失效分析分会、中国机械工程学会理化检验分会:, 2015:5. 4江波, 陈刚, 崔银会, 等.车轮钢中的白点J.钢铁, 2007, 42 (4) :61-66. 5隋然.钢中的白点的检验J.钢铁研究, 1997 (5) :37-41. 6杨美媛, 郭建新.P92 钢焊接接头超声波检测缺陷的分析J.无损检测, 2013, 35 (03) :12-15+21. 7崔锦文, 丰德友, 王飞, 等.P92 钢主蒸汽管道焊缝缺陷检测与修复J.铸造技术, 2016, 37 (01) :137-139. 8刘毅, 张国栋, 赵彦芬, 等.含缺陷在役 P92 蒸汽管道与时间相关的失效评定曲线及缺陷评定J.中国电力, 2016, 49 (05) :67-71.