P91鋼作為一種高強(qiáng)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(jī)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(qiáng)性能，因而被廣泛應(yīng)用到電力設(shè)備中[1-3]。在超（超）臨界機(jī)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(shù)規(guī)程》的要求，焊接接頭超聲檢測可按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820.2—2019《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》或NB/T 47013.3—2023《承壓設(shè)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(shè)期間，依據(jù)DL/T 5210.5—2018《電力建設(shè)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程 第5部分：焊接》，焊接無損檢測質(zhì)量要求達(dá)到DL/T 820標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的I級；依據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》，鍋爐受壓部件無損檢測方法應(yīng)當(dāng)符合NB/T 47013的要求。因此，文章依據(jù)兩標(biāo)準(zhǔn)針對P91材料的焊縫橫波斜探頭檢測靈敏度進(jìn)行了試驗(yàn)對比分析。 

1.   二者標(biāo)準(zhǔn)靈敏度的理論分析

1.1   標(biāo)準(zhǔn)靈敏度

DL/T 820.2—2019中檢驗(yàn)技術(shù)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(yàn)技術(shù)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(jì)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(zhì)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(zhì)中的縱波聲場與第二介質(zhì)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(jì)算，將第一介質(zhì)中的縱波波源轉(zhuǎn)換為軸線與第二介質(zhì)中的橫波波束軸線重合的假想橫波波源，此時(shí)整個(gè)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(yuǎn)場區(qū)，其軸線上的聲壓隨距離增加單調(diào)減小，當(dāng)$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$時(shí)，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(zhì)中縱波入射角；β為第二介質(zhì)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(zhì)中橫波波長；x為軸線上某點(diǎn)至假想波源的距離。 

當(dāng)$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$時(shí)，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(diǎn)至波源的距離；L2為入射點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)使用試塊人工橫通孔的長度分別為40，60 mm，遠(yuǎn)大于缺陷的直徑。因此，二者回波聲壓都應(yīng)采用長橫孔回波聲壓公式計(jì)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(yàn)過程

測試時(shí)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(jī)油為耦合劑，儀器各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)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(dāng)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(yàn)結(jié)果分析

針對以上數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，增益回波差值出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，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(shí)，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(nèi)，超聲波能量隨著K值的增加而衰減越發(fā)嚴(yán)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(gè)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(jìn)行分析，NB/T 47013.3—2023標(biāo)準(zhǔn)在壁厚為10~100 mm時(shí)與DL/T 820.2—2019標(biāo)準(zhǔn)在壁厚為10~100 mm時(shí)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(shí)，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(shí)，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(dāng)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(shí)測為0.8~3.6 dB。因此，NB/T 47013.3標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度與DL/T 820.2標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度相差0 dB，實(shí)測誤差為2.8~5.6 dB，判廢線理論相差0.24 dB，實(shí)測誤差為2.6~5.4 dB。NB/T 47013.3—2023在壁厚為40~100 mm時(shí)，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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度與DL/T 820.2標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度相差−0.24 dB，實(shí)測誤差為−1.6~1.2 dB，判廢線理論相差3.76 dB，實(shí)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(shí)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(shí)的距離-波幅曲線對比

4.   結(jié)論

（1）在適用范圍上，NB/T 47013.3標(biāo)準(zhǔn)適用鋼制承壓設(shè)備焊接接頭的超聲檢測，覆蓋各類承壓設(shè)備，適用范圍更廣；而DL/T 820.2標(biāo)準(zhǔn)只適用于管道焊接接頭的超聲波檢測，只服務(wù)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(biāo)準(zhǔn)也引用了NB/T 47013。而DL/T 820僅在相關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中被引用。因此，對于電站鍋爐超聲檢測來說，NB/T 47013是被強(qiáng)制引用的，二者地位不同。 

（3）在對壁厚為10~40 mm的管道進(jìn)行檢測時(shí)，NB/T 47013.3標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度與DL/T 820.2標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度相差0 dB，實(shí)測誤差為2.8~5.6 dB；判廢線理論相差0.24 dB，實(shí)測誤差為2.6~5.4 dB。在對壁厚為40~100 mm的管道進(jìn)行檢測時(shí)，NB/T 47013.3標(biāo)準(zhǔn)與DL/T 820.2標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)靈敏度相差0.24 dB，實(shí)測誤差為−1.6~1.2 dB，判廢線理論相差3.76 dB，實(shí)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(yán)重，故對于厚壁管道，宜采用小K值探頭進(jìn)行檢測及評定。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)