分享：管道超声检测标准的工程应用比较

P91钢作为一种高强度马氏体耐热钢，自1996年开始作为国产600 mW及以上超临界机组主蒸汽管道、再热管道的主要材料。其不仅具有高抗氧化性和抗高温蒸汽腐蚀性能，还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，因而被广泛应用到电力设备中[1-3]。在超（超）临界机组的电站锅炉建造过程中，锅炉本体各系统的连接管、集箱及四大管道，更是大量使用P91/P92管道。根据DL/T 869—2021《火力发电厂焊接技术规程》的要求，焊接接头超声检测可按标准DL/T 820.2—2019《管道焊接接头超声波检验技术规程》或NB/T 47013.3—2023《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》的规定执行。在电厂建设期间，依据DL/T 5210.5—2018《电力建设施工质量验收规程 第5部分：焊接》，焊接无损检测质量要求达到DL/T 820标准规定的I级；依据TSG 11—2020《锅炉安全技术规程》，锅炉受压部件无损检测方法应当符合NB/T 47013的要求。因此，文章依据两标准针对P91材料的焊缝横波斜探头检测灵敏度进行了试验对比分析。 

1.   二者标准灵敏度的理论分析

1.1   标准灵敏度

DL/T 820.2—2019中检验技术等级为B级的中直径厚壁管、大直径管焊接接头距离-波幅曲线的灵敏度如表1所示。NB/T 47013.3—2023中，检验技术等级为B级的壁厚为8~120 mm的焊接接头距离-波幅曲线的灵敏度如表2所示。 

1.2   理论计算

采用横波斜探头将入射角大于第一临界角小于第二临界角的纵波倾斜入射至检测对象的界面上，折射现象使得第二介质中纵波全反射，只存在折射横波。因此，横波斜探头辐射的声场由第一介质中的纵波声场与第二介质中的横波声场两部分组成，两部分声场是折断的。为了便于理解计算，将第一介质中的纵波波源转换为轴线与第二介质中的横波波束轴线重合的假想横波波源，此时整个声场可视为由假想横波波源辐射出来的连续横波声场。 

波源附近轴线上由于波的干涉现象将出现一系列声压极大极小值的区域，称为近场区N，波源轴线上至波源的距离$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">></span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$的区域称为远场区，其轴线上的声压随距离增加单调减小，当$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$时，轴线上声压与距离呈反比，可以得到横波声场波束轴线上的声压公式，为 

式中：K为横波波数；Fs为矩形波源的面积；α为第一介质中纵波入射角；β为第二介质中横波折射角；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">s</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}$为第二介质中横波波长；x为轴线上某点至假想波源的距离。 

当$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\ge </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}$时，在横波声场中长横孔回波声压Pf为 

式中：Df为长横孔的直径；L1为入射点至波源的距离；L2为入射点至假想波源的距离，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}}^{}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">tan</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">tan</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$。 

所选用的探头型号及参数如表3所示。 

二者标准使用试块人工横通孔的长度分别为40，60 mm，远大于缺陷的直径。因此，二者回波声压都应采用长横孔回波声压公式计算，利用式（2）可以推出声程相同，?3 mm×40 mm（长度，下同）的长横孔回波声压比?2 mm×60 mm的长横孔回波声压高1.76 dB。 

2.   试验过程

测试时使用型号为HS610e的全数字智能超声波增益型探伤仪，分别使用2.5P13×13K1，2.5P13×13K2，2.5P8×12K2，2.5P8×12K2.5 4种规格的横波斜探头，以机油为耦合剂，仪器各项性能指标均符合相关标准要求。试验分别选用DL-2-3#，CSK-ⅡA-2试块，材料均为P91钢，所测的人工反射孔深度分别为10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 mm，当量分别为?3 mm×40 mm，?2 mm×60 mm。所测数据如表4至表7所示。 

3.   试验结果分析

针对以上数据进行分析，可以得出DL-2-3#，?3 mm×40 mm横通孔的反射回波增益值比CSK-ⅡA-2，?2 mm×60 mm横通孔的反射回波增益值低，通过对同种探头相同孔深不同反射孔的增益值进行相减处理，所得的每种规格探头的回波增益差值曲线如图1所示。由图1可知，K值为1的探头在孔深为10~100 mm时，随着深度增加两试块的回波增益差值较为稳定，差值维持在2~4 dB。分析K值为2及2.5的探头采集到的两试块回波增益差值，可以得出孔深为10~100 mm时，其回波增益差值随着孔深的增加呈递减态势；在孔深40~60 mm时，增益回波差值出现一个拐点，即在孔深较浅处回波增益值相差较大，在孔深较深处回波增益值相差较小。这主要是由于超声波能量是以指数级递减的方式衰减的。同时，分析不同K值探头回波增益差值可以得出，在一定声程范围内，超声波能量随着K值的增加而衰减越发严重。 

图  1  每种探头不同反射横通孔的回波增益差值曲线

所分析的4个探头具有同样的趋势，因此，在这里仅针对2.5P13×13K2探头的DAC（距离-波幅）曲线进行分析，NB/T 47013.3—2023标准在壁厚为10~100 mm时与DL/T 820.2—2019标准在壁厚为10~100 mm时的距离-波幅曲线对比分别如图2，3所示。通过距离-波幅曲线灵敏度与理论分析可知，NB/T 47013.3—2023在壁厚为10~40 mm时，其评定线、定量线、判废线幅值分别为−18，−12，−4 dB；DL/T 820.2—2019在壁厚为10~40 mm时，其评定线、定量线、判废线幅值分别为−18，−12，−6 dB。根据理论分析可知NB/T 47013.3—2023的CSK-ⅡA-2，?2 mm×60 mm长横通孔的反射当量比DL/T 820.2—2019的DL-2-3#，?3 mm×40 mm长横通孔的低1.76 dB，实测为0.8~3.6 dB。因此，NB/T 47013.3标准的基准灵敏度与DL/T 820.2标准的基准灵敏度相差0 dB，实测误差为2.8~5.6 dB，判废线理论相差0.24 dB，实测误差为2.6~5.4 dB。NB/T 47013.3—2023在壁厚为40~100 mm时，其评定线、定量线、判废线幅值分别为−14，−8，+2 dB；DL/T 820.2—2019在壁厚为45~100 mm时，其评定线、定量线、判废线幅值分别为−16，−8，0 dB。因此，NB/T 47013.3标准的基准灵敏度与DL/T 820.2标准的基准灵敏度相差−0.24 dB，实测误差为−1.6~1.2 dB，判废线理论相差3.76 dB，实测误差为0.4~3.2 dB。 

图  2  NB/T 47013.3—2023与DL/T 820.2—2019在壁厚为10~40 mm时的距离-波幅曲线对比

图  3  NB/T 47013.3—2023与DL/T 820.2—2019在壁厚为45~100 mm时的距离-波幅曲线对比

4.   结论

（1）在适用范围上，NB/T 47013.3标准适用钢制承压设备焊接接头的超声检测，覆盖各类承压设备，适用范围更广；而DL/T 820.2标准只适用于管道焊接接头的超声波检测，只服务于电力行业。 

（2）TSG G 0001规范4.5.4.3条明确引用了NB/T 47013；《电力行业锅炉压力容器安全监督规程》中的9.5.1条、GB/T 16507《水管锅炉》等标准也引用了NB/T 47013。而DL/T 820仅在相关电力行业标准中被引用。因此，对于电站锅炉超声检测来说，NB/T 47013是被强制引用的，二者地位不同。 

（3）在对壁厚为10~40 mm的管道进行检测时，NB/T 47013.3标准的基准灵敏度与DL/T 820.2标准的基准灵敏度相差0 dB，实测误差为2.8~5.6 dB；判废线理论相差0.24 dB，实测误差为2.6~5.4 dB。在对壁厚为40~100 mm的管道进行检测时，NB/T 47013.3标准与DL/T 820.2标准的基准灵敏度相差0.24 dB，实测误差为−1.6~1.2 dB，判废线理论相差3.76 dB，实测误差为0.4~3.2 dB。 

（4）由于声波能量随K值的增加而衰减逐渐严重，故对于厚壁管道，宜采用小K值探头进行检测及评定。 

文章来源——材料与测试网