分享：管道超聲檢測標準的工程應用比較

P91鋼作為一種高強度馬氏體耐熱鋼，自1996年開始作為國產(chǎn)600 mW及以上超臨界機組主蒸汽管道、再熱管道的主要材料。其不僅具有高抗氧化性和抗高溫蒸汽腐蝕性能，還具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強性能，因而被廣泛應用到電力設備中[1-3]。在超（超）臨界機組的電站鍋爐建造過程中，鍋爐本體各系統(tǒng)的連接管、集箱及四大管道，更是大量使用P91/P92管道。根據(jù)DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》的要求，焊接接頭超聲檢測可按標準DL/T 820.2—2019《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規(guī)程》或NB/T 47013.3—2023《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》的規(guī)定執(zhí)行。在電廠建設期間，依據(jù)DL/T 5210.5—2018《電力建設施工質量驗收規(guī)程 第5部分：焊接》，焊接無損檢測質量要求達到DL/T 820標準規(guī)定的I級；依據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術規(guī)程》，鍋爐受壓部件無損檢測方法應當符合NB/T 47013的要求。因此，文章依據(jù)兩標準針對P91材料的焊縫橫波斜探頭檢測靈敏度進行了試驗對比分析。 

1.   二者標準靈敏度的理論分析

1.1   標準靈敏度

DL/T 820.2—2019中檢驗技術等級為B級的中直徑厚壁管、大直徑管焊接接頭距離-波幅曲線的靈敏度如表1所示。NB/T 47013.3—2023中，檢驗技術等級為B級的壁厚為8~120 mm的焊接接頭距離-波幅曲線的靈敏度如表2所示。 

1.2   理論計算

采用橫波斜探頭將入射角大于第一臨界角小于第二臨界角的縱波傾斜入射至檢測對象的界面上，折射現(xiàn)象使得第二介質中縱波全反射，只存在折射橫波。因此，橫波斜探頭輻射的聲場由第一介質中的縱波聲場與第二介質中的橫波聲場兩部分組成，兩部分聲場是折斷的。為了便于理解計算，將第一介質中的縱波波源轉換為軸線與第二介質中的橫波波束軸線重合的假想橫波波源，此時整個聲場可視為由假想橫波波源輻射出來的連續(xù)橫波聲場。 

波源附近軸線上由于波的干涉現(xiàn)象將出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域，稱為近場區(qū)N，波源軸線上至波源的距離$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">></span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$的區(qū)域稱為遠場區(qū)，其軸線上的聲壓隨距離增加單調減小，當$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$時，軸線上聲壓與距離呈反比，可以得到橫波聲場波束軸線上的聲壓公式，為 

式中：K為橫波波數(shù)；Fs為矩形波源的面積；α為第一介質中縱波入射角；β為第二介質中橫波折射角；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">s</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}$為第二介質中橫波波長；x為軸線上某點至假想波源的距離。 

當$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$時，在橫波聲場中長橫孔回波聲壓Pf為 

式中：Df為長橫孔的直徑；L1為入射點至波源的距離；L2為入射點至假想波源的距離，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}}^{}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">tan</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">tan</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$。 

所選用的探頭型號及參數(shù)如表3所示。 

二者標準使用試塊人工橫通孔的長度分別為40，60 mm，遠大于缺陷的直徑。因此，二者回波聲壓都應采用長橫孔回波聲壓公式計算，利用式（2）可以推出聲程相同，?3 mm×40 mm（長度，下同）的長橫孔回波聲壓比?2 mm×60 mm的長橫孔回波聲壓高1.76 dB。 

2.   試驗過程

測試時使用型號為HS610e的全數(shù)字智能超聲波增益型探傷儀，分別使用2.5P13×13K1，2.5P13×13K2，2.5P8×12K2，2.5P8×12K2.5 4種規(guī)格的橫波斜探頭，以機油為耦合劑，儀器各項性能指標均符合相關標準要求。試驗分別選用DL-2-3#，CSK-ⅡA-2試塊，材料均為P91鋼，所測的人工反射孔深度分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 mm，當量分別為?3 mm×40 mm，?2 mm×60 mm。所測數(shù)據(jù)如表4至表7所示。 

3.   試驗結果分析

針對以上數(shù)據(jù)進行分析，可以得出DL-2-3#，?3 mm×40 mm橫通孔的反射回波增益值比CSK-ⅡA-2，?2 mm×60 mm橫通孔的反射回波增益值低，通過對同種探頭相同孔深不同反射孔的增益值進行相減處理，所得的每種規(guī)格探頭的回波增益差值曲線如圖1所示。由圖1可知，K值為1的探頭在孔深為10~100 mm時，隨著深度增加兩試塊的回波增益差值較為穩(wěn)定，差值維持在2~4 dB。分析K值為2及2.5的探頭采集到的兩試塊回波增益差值，可以得出孔深為10~100 mm時，其回波增益差值隨著孔深的增加呈遞減態(tài)勢；在孔深40~60 mm時，增益回波差值出現(xiàn)一個拐點，即在孔深較淺處回波增益值相差較大，在孔深較深處回波增益值相差較小。這主要是由于超聲波能量是以指數(shù)級遞減的方式衰減的。同時，分析不同K值探頭回波增益差值可以得出，在一定聲程范圍內，超聲波能量隨著K值的增加而衰減越發(fā)嚴重。 

圖  1  每種探頭不同反射橫通孔的回波增益差值曲線

所分析的4個探頭具有同樣的趨勢，因此，在這里僅針對2.5P13×13K2探頭的DAC（距離-波幅）曲線進行分析，NB/T 47013.3—2023標準在壁厚為10~100 mm時與DL/T 820.2—2019標準在壁厚為10~100 mm時的距離-波幅曲線對比分別如圖2，3所示。通過距離-波幅曲線靈敏度與理論分析可知，NB/T 47013.3—2023在壁厚為10~40 mm時，其評定線、定量線、判廢線幅值分別為−18，−12，−4 dB；DL/T 820.2—2019在壁厚為10~40 mm時，其評定線、定量線、判廢線幅值分別為−18，−12，−6 dB。根據(jù)理論分析可知NB/T 47013.3—2023的CSK-ⅡA-2，?2 mm×60 mm長橫通孔的反射當量比DL/T 820.2—2019的DL-2-3#，?3 mm×40 mm長橫通孔的低1.76 dB，實測為0.8~3.6 dB。因此，NB/T 47013.3標準的基準靈敏度與DL/T 820.2標準的基準靈敏度相差0 dB，實測誤差為2.8~5.6 dB，判廢線理論相差0.24 dB，實測誤差為2.6~5.4 dB。NB/T 47013.3—2023在壁厚為40~100 mm時，其評定線、定量線、判廢線幅值分別為−14，−8，+2 dB；DL/T 820.2—2019在壁厚為45~100 mm時，其評定線、定量線、判廢線幅值分別為−16，−8，0 dB。因此，NB/T 47013.3標準的基準靈敏度與DL/T 820.2標準的基準靈敏度相差−0.24 dB，實測誤差為−1.6~1.2 dB，判廢線理論相差3.76 dB，實測誤差為0.4~3.2 dB。 

圖  2  NB/T 47013.3—2023與DL/T 820.2—2019在壁厚為10~40 mm時的距離-波幅曲線對比

圖  3  NB/T 47013.3—2023與DL/T 820.2—2019在壁厚為45~100 mm時的距離-波幅曲線對比

4.   結論

（1）在適用范圍上，NB/T 47013.3標準適用鋼制承壓設備焊接接頭的超聲檢測，覆蓋各類承壓設備，適用范圍更廣；而DL/T 820.2標準只適用于管道焊接接頭的超聲波檢測，只服務于電力行業(yè)。 

（2）TSG G 0001規(guī)范4.5.4.3條明確引用了NB/T 47013；《電力行業(yè)鍋爐壓力容器安全監(jiān)督規(guī)程》中的9.5.1條、GB/T 16507《水管鍋爐》等標準也引用了NB/T 47013。而DL/T 820僅在相關電力行業(yè)標準中被引用。因此，對于電站鍋爐超聲檢測來說，NB/T 47013是被強制引用的，二者地位不同。 

（3）在對壁厚為10~40 mm的管道進行檢測時，NB/T 47013.3標準的基準靈敏度與DL/T 820.2標準的基準靈敏度相差0 dB，實測誤差為2.8~5.6 dB；判廢線理論相差0.24 dB，實測誤差為2.6~5.4 dB。在對壁厚為40~100 mm的管道進行檢測時，NB/T 47013.3標準與DL/T 820.2標準的基準靈敏度相差0.24 dB，實測誤差為−1.6~1.2 dB，判廢線理論相差3.76 dB，實測誤差為0.4~3.2 dB。 

（4）由于聲波能量隨K值的增加而衰減逐漸嚴重，故對于厚壁管道，宜采用小K值探頭進行檢測及評定。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)