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大电流导电铜管对接接头超声波探伤实践
发布时间：2017-09-01
某化工集团6万吨/年黄磷装置电炉采用DN80×16mm铜管作为电流导体。使用时铜管内通以冷却水,铜管管壁流过32000A的大电流。铜管对接焊缝采用手工钨极氩弧焊,60°V形坡口。为了防止铜管在大电流通过时被烧损、熔断,要求焊接接头无危害性缺陷和导致焊接接头有效截面积减小的缺陷。
1常见焊接缺陷
(1)坡口未熔合
铜的有关物理性能如表1,铜及大多数铜合金导热系数比普通碳钢大7～11倍,焊接时大量的热从基材散失,焊接区难以达到熔化温度,故易产生坡口未熔合缺陷。
(2)热裂纹铜能与其中的杂质以及焊接过程中产生的氧化亚铜生成多种低熔共晶,加之铜的线膨胀系数和收缩率大,焊接应力大,使焊缝和热影响区容易产生热裂纹。
(3)气孔
由于铜焊缝结晶时,氢气的过饱和程度比钢中大好几倍,另外铜导热系数大、冷却快、气体不易逸出、上浮条件恶劣,故容易形成气孔。
(4)根部未焊透
坡口不规则以及导热系数大易使铜管焊缝形成根部未焊透。
2超声波探伤
2.1探头选择
铜材晶粒粗大,不能用一般横波斜探头进行超声波探伤,只能用折射纵波进行探伤,其有机玻璃楔块中的入射角α应小于第一临界角αI,即:
选择探头还应考虑以下因素:
2.1.1有利于主要危险性缺陷的发现
(1)入射的超声波主声束与焊缝坡口的夹角越小,越有利于坡口未熔合缺陷的发现;
(2)端角反射率高有利于根部未焊透的发现;
(3)纵波折射角大,有利于裂纹的发现。
2.1.2有利于纵波与横波的区分
(1)纵波穿透率大,横波穿透率小,有利于纵波和横波的区分;
(2)纵波声压往复透过率与横波声压往复透过率相差越大,越有利于纵波和横波的区分,从有关资料可知横波折射角较小时,纵波声压往复透过率与横波声压往复透过率相差较大,但横波折射角越小对应的纵波往复透过率也越小。二者兼顾考虑,选择横波折射角略大于20°较好;
(3)纵波声速大,在荧光屏上的位置超前于横波。设纵波传播1个跨距的时间为tL,横波传播1个跨距的时间为ts,ts/tL越大,荧光屏上纵波与横波的距离越宽,越有利于纵波与横波的区分。即在1跨距范围内(检测主要范围)纵波与横波在荧光屏水平线上的可区分性与探头K值有关。由表2纵波K值探头范围看,随着探头K值的增加,ts/tL减小,即纵波横波可区分性减小。
2.1.3有利于提高信噪比,相对一定铜管焊缝的晶粒度,超声波波长增加,信噪比增大。选择纵波探伤,声速大,超声波波长长,可提高信噪比。
2.1.4晶片尺寸大,发射的超声波强度大,但与曲面铜管接触性较差。
2.1.5前沿尺寸短,一次声程抽查范围大,有利于缺陷信号的发现和区分。
综合上述各种因素考虑选用前沿10mm的2.5P8×12K1.25纵波斜探头(探头入射角26.6°)。探头楔块在导电铜管上进行适度修磨,以增加探头与铜管的接触面积,提高检测灵敏度。
2.2对比试块
由于电炉用导电铜管焊缝找不到相关超声波检测标准,如何确定检测灵敏度,即确定检测对比试块人工反射体的形状和尺寸是十分重要的问题。
加工试块时应主要考虑以下四点:
(1)导电铜管截面积满足电流安全导通,根据设计提供的数据,截面积减少量不得大于10%;
(2)使缺陷允许尺寸符合要求。对此笔者参照其他材质管道检测标准有关灵敏度对比试块的相关要求确定(如GB/T5777-1996《无缝钢管超声波探伤检验方法》标准规定,对于其他用途C10级管道对比试块人工缺陷V形槽的深度为板厚的1/10);
(3)考虑林状杂波对检测灵敏度的影响:试块材质应与被检测的铜管相同;
(4)方便现场加工。
最终确定采用该导电铜管加工成如图1的铜管焊缝检测用对比试块。
2.3仪器调试
(1)仪器:选用CTS-2200型超声波探伤仪。
(2)时基线调整:时基线调整为深度2:1。探头置于对比试块上,反复调试,使对比试块内壁V形槽一次反射波显示于荧光屏水平刻度32mm位置,对比试块外壁V形槽二次反射波显示于荧光屏水平刻度64mm位置。
(3)检测灵敏度调整:调节衰减器使对比试块内壁V形槽一次反射波波高为60%,在此灵敏度下找到外壁V形槽二次反射波。在荧光屏上画出对比试块内壁V形槽一次反射波顶点与外壁V形槽二次反射波顶点的连接线,0mm～32mm段及>64mm段作平滑延伸,此连接线即为判废灵敏度线。在判废灵敏度基础上提高6dB灵敏度即为扫查灵敏度。调整灵敏度时,当杂波信号较大时,可打开仪器抑制开关,调整抑制旋钮,使杂波幅值不超过30%。检测时,仪器应基本保持该抑制状态。
2.4检测操作
检测时,在铜管外壁作焊接接头两侧一、二次声程探伤,发现缺陷后,将灵敏度调整为判废灵敏度,对超过判废线的缺陷给予判废,对低于判废线的缺陷如果无明显裂纹和未熔合特征,仅作记录,对有明显裂纹、未熔合特征的缺陷仍然作判废处理。检测时,应注意杂波信号与缺陷信号的区分。在探头移动时,杂波信号幅值变化不明显,基本不游动,而缺陷信号随探头的移动,幅值发生变化,信号前后游动。
3检测结果与分析
经过对DN80×16mm铜管200多个对接接头进行超声波探伤,不合格判废接头有47个。对不合格接头进行现场解剖发现缺陷有坡口未熔合、层间未熔合、根部未焊透、裂纹等缺陷。施工单位将不合格接头全部割掉后重新焊接至合格,消除了重大安全隐患。
本检测方法受铜管焊缝晶粒杂波和探头角度的影响,对于某些反射量较小的缺陷可能漏检,但该检测能够满足检测对象安全使用的要求。这些铜管完工后经6年多通电运行,未发生铜管烧熔、冷却水泄漏事故。
摘自：中国计量测控网
