（河南第一火电建设公司 河南郑州 450001）
摘要：结合本公司承建的某1×1000MW超超临界火电机组在安装过程中的超声波检测实践，超声波在碳钢和P91/P92钢中的传播速度不同，通过对不同K值的探头在20#钢试块和P91试块上的对比试验，以及实际工作中的对比，探讨不同声速下调校的探头对缺陷定量以及定位的影响。
关键词：P91/P92钢；声速；超声波；火电
前言：
P91钢从20世纪90年代中期开始从国外引入我国，主要用于300WM以上机组。而发展至今，P91钢以及在此基础上进行成分改进的P92钢已成为我国超超临界火电机组高温高压管道的主要钢材。鉴于近年来国内无损检测行业的迅速发展，国内质量监督体系的不断完善，对无损检测人员提出了新的要求。本文结合对P91/P92钢超声波检测的实践，探讨材料声速对P91/92钢对缺陷定位以及定量的影响。
1 20号钢、P91/P92钢的理论声速
固体介质中的声速与介质的密度和弹性模量等有关，不同的介质，声速不同；介质的弹性模量越大，密度越小，声速越大。P91钢与P92钢材料的基本性能相近，声速特性相近，施工中通常采用同一种材料的试块进行仪器校准与调节，声速在固体介质中的计算过程如下：
在无限大固体介质中，纵波声速为[1]：
CL={ E/ρ×（1—μ）/[（1+μ）（1—2μ）] }1/2
在无限大固体介质中，横波声速为[1]：
Cs=[ E/ρ×1/2（1+μ）]1/2
式中：E——弹性模量；
ρ——介质密度；
μ——泊松比。
从相关资料查的P91钢在室温下：
E=2.18×105MPa；
ρ=7.78t/m3；
μ=0.29。
从相关资料查的20号钢在室温下：
E=2.06×105MPa；
ρ=7.85t/m3；
μ=0.3。
将以上数据带入式中计算得出：
CLp91=6034.527m/s，Csp91=3295.555m/s；CL20=5942.330m/s，CS20=3176.963m/s；
显然，P91/P92钢与20号钢的理论声速是有差别的。因此，在用20号钢制作的标准试块上调校的仪器，对P91/P92的焊缝进行检验时，对缺陷的定位是不准确的。
2 声速不同对缺陷定位、定量的影响
声速的不同会直接会影响到超声波进入钢材时的折射角，从而使探头的K值发生变化，从而影响超声波检测时对缺陷的定位。普通钢与P91/P92的组织不同、晶粒尺寸不同，晶粒尺寸越粗大，对超声波在固体中的传播的衰减越严重，从而造成对缺陷的定量不同。
2.1 声速不同引起的探头K值的变化
选取在施工过程中常用的K1、K1.5、K2这几种不同K值的探头，按照DL/T820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》的标准分别在材质为20号钢、P91钢的标准试块上对仪器进行调校。准备如下：
探头规格：2.5Z 13×13 K1、2.5Z 13×13 K1.5、2.5Z 13×13 K2；
仪器型号：HS610e；
试块：20号钢 CSK-1B/RB-3；P91钢 CSK-1B/RB-3。
每种K值的探头各五个，分别进行零偏、声速以及K值的调节，其调校结果如表1。
从表1对比可以看出，碳钢/低合金钢的实测声速与P91/P92的实测声速相差较大。声速的不同对探头K值的影响则与探头的设计K值有关，从表中我们可以看出，随着K值的增大，二者的实测K值相差也越来越大。
2.2 声速的变化引起的定位、定量的变化
碳钢/低合金钢与P91/P92钢的组织不同，晶粒尺寸不同，因此对超声波的衰减程度不同。超声波能量的衰减程度不同以及K值的变化，则直接影响超声波对缺陷的定位以及定量。为验证声速变化对缺陷定位、定量的变化影响情况，我们分别选择了三种K值的探头，探头规格分别为2.5Z 13×13 K1、2.5Z 13×13 K1.5、2.5Z 13×13 K2, 并分别在P91钢试块上进行对比。具体方案如下：
每种K值的探头分别在20号钢 CSK-1B/RB-3和P91钢 CSK-1B/RB-3试块上进行仪器调校，并绘制相应的DAC曲线,(其中P91试块调校的探头K值分别为K0.98、K1.61、K2.19，20号钢的为K0.98、K1.47、K1.94）。依据标准DL/T820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》绘制评定线、定量线、判废线；
分别用绘制好的6条曲线对P91钢试块上的10mm、30mm、50mm、70mm、90mm、110mm深的平底孔进行定位和定量，具体结果如表2-表4：
注：K1探头在10mm、20mm的曲线制作过程中受近场区及其它因素的影响，无法找到准确的最高波，故舍去。
注：在用20号钢调校的探头曲线去扫查P91钢RB-3试块的110mm深的平底孔时，回拨已超出DAC曲线的覆盖范围，故无法显示回波高度的dB值。
通过表2、表3、表4可以看出，在用20号钢的试块上调校制作的曲线的去扫查P91钢试块上的不同深度的平底孔时，对缺陷的定位、定量是有差异的。并且随探头K值的增加差异性逐渐增大，深度定位、以及水平距离定位的偏差则随平底孔深度的增加呈逐渐变大的趋势；用20号钢调校的探头在检测P91钢材时，对同一深度的相同缺陷的反射回波要高于P91钢试块上调校的探头的检测回波。
3 声速的变化对实际检测的影响及缺陷原因分析
由于P91/P92钢的合金含量大于10％，淬硬倾向较大，焊接熔池较为粘稠，且焊接过程均需采用低的线能量进行施焊，如操作不当，很容易造成裂纹、夹渣、未熔合等缺陷。作为马氏体耐热钢的P91/P92钢，其硬度较高，且受现场施工条件限制，对于局部返修的焊缝返修较为困难，同时也对P91/P92钢缺陷的定位、定量的准确性提出了更高的要求。
3.1 声速改变对实际检测定位、定量的影响
施工现场的检测条件与实验室条件是有着巨大差距的。对于标准试块，其组织均匀性、表面粗糙度均是按照标准制作的。而现场施工受施工条件所限，焊缝两侧打磨粗糙度往往达不到标准要求，组织的不均匀性等因素都会对超声波检测造成影响。经现场实际验证，在20号钢试块调校的探头去检测P91/P92焊缝时，对缺陷的定位、定量偏差较试块对比要大。
为验证声速改变对实际检测定位、定量的影响，针对本工程的主汽（材质为ASTM335P92，规格为Di344×98。）、热段（材质为ASTM335P92，规格为Di686×55。）的超声波检测工作进行现场验证。具体实施如下：
探头规格：2.5Z 13×13 K1、2.5Z 13×13 K2（单侧检验时增加2.5Z 13×13 K1.5）
仪器：HS610e
检验标准：DL/T820-2002 B级检测
验收标准：DL/T869-2012
耦合剂：化学浆糊
检验前对主汽、热段的实测厚度如表5：
从实际测厚结果并结合以往工程经验来看，对于火电机组锅炉承受高温高压的主蒸汽管道和再热热段蒸汽管道而言，其实际壁厚一般都大于设计壁厚，这就要求超声波检验者在检测此类焊缝时要做好检前测厚工作。
在实际检测过程中，对于用P91/P92钢专用试块调校的探头和用20号钢试块调校的同一探头对同一缺陷的定位、定量情况如下：
图1 同规格探头（K2）对同一缺陷的实际检测
从表6、表7的实际检测数据对比来看，声速的不同对缺陷的定位、定量是影响比较大的。从在检测中常用的K2探头来看，深度上的差别并不大，深度差大概在3mm左右，这对缺陷返修影响不大；水平距离偏差却相差近10mm，这在实际局部返修过程中很容易出现“缺陷挖不到”的情况；对缺陷的定量决定了对大多数点状缺陷的返修与否，而在对缺陷定量过程中，二者相差近3dB，在使用20号钢调校的探头去检测P91/P92焊缝时则容易造成误判，增加没必要的返修。而随着探头K值的减小，对缺陷深度的定位的影响则是逐渐减小。
3.2 焊缝解剖实例分析
在对汽机主汽3#焊缝的一缺陷（深度35mm，SL+10.2dB）进行返修过程中发现，当用20号钢调校的探头对缺陷进行扫查定位时，显示水平距离接近焊缝中心线，而用P91试块调校的探头扫查显示的水平距离则接近下破口，二者相差5mm。
施工人员按照20号钢调校的探头扫查标记的深度、水平标记的点对焊缝打磨返修。如图2：
图2 不同声速下对同一缺陷的水平定位
在最初用20号钢调校的探头曲线扫查时，对缺陷的定位在焊缝中心线，而在打磨至50mm深时仍未发现，随即向下焊缝继续打磨8mm左右进行渗透检验，发现一条长约7mm的裂纹。
而在对主汽10#、16#焊口进行返修过程中的情况依然如此，如焊缝10#口的缺陷深度与3#焊缝深度相近，二者水平定位偏差5mm，如图3：
（a）P91钢试块调试的探头超声波回波；（b）20号钢试块调试的探头超声波回波；（c）碳钢曲线定位打磨未发现缺陷；（d）、（f）在c的基础上向上打磨5mm后发现的未熔合；（e）缺陷清除后的渗透检验。
3.3 缺陷原因分析
对于本1000MW超超临界火电机组工程，主汽、热段均采用能够承受工作压力、温度更高的P92钢。虽然P91钢、P92钢的基本性能相近、焊接工艺相近，但P92钢在焊接过程中对层问温度的敏感性要高于P91钢，当层间温度大于300 ℃时，由于P 92钢合金含量的进一步提高，铁水粘稠度增加，熔池中小夹渣不易浮出[2]，层间出现裂纹的可能性就会增大，再加上焊工一旦操作不当就会产生未熔合。
在返修的3道主汽焊缝中，16#焊缝为夹渣，最大2.5mm，呈链状分布；10#焊缝为未熔合，并伴有夹渣；3#焊缝为裂纹，裂纹附近分散有细小夹渣；且3道返修焊缝的缺陷位置均靠近坡口处。经过调查，3#焊缝在施焊过程中遇到大雨天气，而承包单位为抢工期，依然冒雨施焊，焊工焊接速度加快，熔渣不易浮出，导致此焊缝40-30mm深的位置细小夹渣较多。再加上焊工焊接过程中手中随时拿着两根焊条，而雨天空气潮湿，使焊条受潮，因此导致裂纹的出现。16#、10#焊缝的夹渣、未熔合，则是焊工在焊至坡口边缘时操作不当，产生“夹沟”现象，导致清渣困难，而此时如将“夹沟”位置进行打磨清理便可避免此类大缺陷的产生，倘若继续施焊则容易产生此类缺陷。
（a）焊缝解剖整体形貌；（b）裂纹近照
图3 主汽3#焊缝缺陷解剖情况
图4 主汽10#焊缝解剖情况
4 结论
由于碳钢/低合金与P91/P92声速的差异性，直接影响超声波检测对缺陷的定位以及定量。对点状小缺陷的定量影响较为明显；对深度较深、波高远超判废线的缺陷的定位影响较大；
在对P91/P92对接焊缝进行超声波检测时，应尽量采用专用试块进行仪器探头的调校。如用碳钢试块进行调校，应尽量采用小K值的探头，同时必须对缺陷的定位、定量进行修正；
对于经常参与检测两种钢材声速特性相差较大的检测单位，所使用仪器应具备声速可调功能；
对P91/P92进行施焊前应加强焊工对此类钢材的专业知识培训，应进一步加强焊接过程监控，严格执行工艺要求，杜绝违规行为。
参考文献：
[1] 郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.
[2] 李振山，严 正，柳志明，孟庆若，祁乃春.P91/P92钢管道焊接接头的无损检验[J].电力建设，2010,31 （8）：94-99.
论文作者:吴海涛, 王选鹏, 马超
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/9/26
标签：声速论文; 缺陷论文; 调校论文; 定量论文; 超声波论文; 深度论文; 过程中论文; 《电力设备》2016年第13期论文;