电站锅炉管座角接头焊缝无损检测技术研究报告.doc

电站锅炉管座角接头焊缝
无损检测技术研究

编写：杨湘伟

校核：李 光

审核：李劲柏

批准：陆佳政

湖南省电力公司试验研究院
大唐湘潭发电有限责任公司
二００七年十一月
目 录
内容 页码
电站锅炉管座角接头焊缝无损检测技术研究 3
1、综述 3
1.1 课题背景 3
1.2管座角接头焊缝无损检测方法及特点、局限性 7
1.3本项目采用的研究思路 9
2、管座角接头焊缝的结构形式、焊接特点、受力分析及失效原因 11
2.1管座角接头焊缝的结构形式 11
2.2管座角接头焊缝的焊接特点及采取的措施 14
2.3管座角接头焊缝受力状态及损坏原因分析 16
2.3.1 管座角焊缝的受力类型及产生因素 16
2.3.2管座角焊缝的应力状态分布及失效原因 17
3、管座角接头焊缝的金属磁记忆检测（MMT） 20
3.1磁记忆检测原理及理论基础 21
3.1.1磁记忆检测原理 21
3.1.2铁磁性材料的磁弹性效应 23
3.1.3产生磁记忆的机理 26
3.2磁记忆检测的特点及应用 27
3.2.1磁记忆检测应力集中区域，进行早期诊断和预测 27
3.2.2磁记忆检测速度快，有针对性的确定检验中的抽检样本 28
3.3现场进行磁记忆检测操作要求的总结 30
3.3.1对于检测对象的要求 30
3.3.2检测准备工作 31
3.3.3检测方式 31
3.3.4检测结果的处理 33
3.4磁记忆检测的局限性及发展 34
4、管座角接头焊缝的表面检测（磁粉检测和渗透检测） 35
4.1磁粉检测和渗透检测的特点及局限性 35
4.2渗透检测的一个检验实例 35
5、管座角接头焊缝的超声波检测 39
5.1有关标准关于管座角焊缝的检验范围规定 39
5.2大口径管座角焊缝的超声波检测 41
5.3中小口径管座角焊缝的超声波检测 42
5.3.1超声波探伤面、探头选择、试块及耦合剂 43
5.3.2 探伤方法 44
5.3.3 典型反射回波的分析 45
5.4小口径管座角焊缝的超声波检测实例 49
6、管座处筒体内壁的超声波检测 50
6.1问题的提出 50
6.2疏水管座处内壁裂纹的宏观形貌 51
6.2.1 耒阳电厂＃2机组高温再热蒸汽管道 51
6.2.2 金竹山电厂＃4机组高温再热蒸汽管道 53
6.3疏水管座处内壁裂纹的检测难点及重点 54
6.3.1 管道内壁裂纹的超声波检测 54
6.3.2 疏水管座处管道内壁裂纹超声波检测特点及重点 55
6.4疏水管座处内壁裂纹超声波探伤实例 57
6.4.1 超声波探伤面、探头选择、试块及耦合剂 57
6.4.2 探伤方法 59
6.4.3 探伤结果 60
7、管座角焊缝检测方法选择、检测顺序及抽检样本确定 60
7.1 管座角焊缝检测方法的选择 60
7.1.1应用原则 60
7.1.2质量评定原则 61
7.2 管座角焊缝检测方法的检测顺序 61
7.3 管座角焊缝抽检样本的确定 62
8、综合运用多种检验方法检测管座角焊缝的现场应用 63
8.1 沙角A电厂#1机组联箱管座角焊缝综合检验 63
8.1.1 机组概况 63
8.1.2 工作内容 63
8.1.3 磁记忆检验结果 64
8.1.4 渗透检验结果 66
8.1.5检验结论 66
8.2 金竹山电厂＃4机组管道管座角焊缝综合检验 67
8.2.1 机组概况 67
8.2.2 工作内容 67
8.2.3 磁记忆检测结果 67
8.2.4 磁粉检测结果 68
8.2.5 超声波检测结果 69
8.2.6 检验结果 70
9、结论 70
参考文献 70

电站锅炉管座角接头焊缝无损检测技术研究
1、 综述
1.1课题背景
电站锅炉中管座角接头焊缝大量应用。在电站锅炉的汽包及联箱的制造和工程工艺管道的配管过程中，为便于汽水输送、测量及仪表的安装，会大量出现两个圆柱体正交或斜交相贯的情况，对相贯线实施焊接所形成的焊缝就是角接头焊缝。为避免强制对口和方便现场施工，在汽包或联箱与接管间往往加装管座，于是在电站锅炉的汽包、联箱、管道上均设计了大量的管座角接头焊缝，并在电站锅炉的总焊缝中占有很大比例。如一台300MW亚临界锅炉的汽包上，就设计有各类管座角接头近300个，其接管座设计规格最大为集中下降管接管座，达到Φ595×95mm，为插入式管座角焊缝，共6只，设计最多的水冷壁上升管接管座，规格为Φ159×18mm，为安放式（骑座式）管座角焊缝，共202只。一台600MW超临界机组，仅高温过热器出口集箱，其设计的角焊缝总数就达到984只。可见电站锅炉的管座角接头焊缝数量很多。
电站锅炉中，管座角接头焊缝不仅数量多，而且其结构复杂，管座角接头的形式也多种多样，最常用的包括安放式（骑座式）和插入式，其焊缝一般呈马鞍形，几何形状多变，受力状况复杂。制造过程中，施焊条件困难，由于接管座与母体的厚度往往相差很大，角焊缝在焊接过程中由于冷却速度较快，容易出现未焊透、未熔合和裂纹等缺陷，焊接质量难以保证。运行过程中，锅炉管座角焊缝，特别是锅炉集箱小口径接管座角焊缝是连接管排与集箱的刚性结构，其结构应力主要集中在角焊缝的根部，若管排膨胀不畅，焊缝的根部将造成很大的应力。在锅炉启停和运行过程中，瞬间的温度变化和运行工况的波动都会造成接管与集箱之间产生较大的温差，由此会产生较大的热应力，从而导致原有焊接缺陷的扩展和热疲劳裂纹的形成和发展。
基于管座角焊缝的结构特点，对这些角焊缝进行有效的检测是质量控制的重要环节，现行的技术规范、标准对接管座熔化焊角焊缝的无损检测给出了要求。如劳部发［1996］276号《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第86条规定：额定蒸汽压力大于或等于3.8MPa的锅炉，集中下降管的角接接头应进行100%射线或超声波探伤；每个锅筒和集箱上的其他管接头角接接头，应进行至少10%的无损探伤抽查。并对角接接头的探伤方法及遵循标准提出了要求，如第89条规定：集中下降管的角接接头的超声波探伤可按JB3144《锅炉大口径管座角焊缝超声波探伤》的规定执行。DL647-2004 《电站锅炉压力容器检验规程》对于制造质量的监检4.8、4.9条就明确规定，对于汽包抽查焊接质量中，采用超声波探伤100％检查集中下降管座角焊缝，采用超声波探伤或其他无损检测方法100％检查给水管座角焊缝；对于联箱，高过、高再联箱管座角焊缝应抽10％，每种管座角焊缝至少抽查一个做磁粉探伤，有条件时做射线探伤。
近年来，各制造、安装、使用单位严格执行质量验收标准，各检验单位积极开展质量检查工作，使电站锅炉构件的对接焊缝质量提高了许多。然而管座角接头焊缝由于坡口形状和结果复杂，给制造和焊接工艺带来了困难，而管座角接头焊缝的无损检测也十分困难，检验难以到位，导致在实践检验过程中发生多起管座角焊缝的重大制造缺陷。而角焊缝在制作过程中形成的未焊透、未熔合和裂纹等缺陷在运行中扩展而发生的，国内各电厂也经常发生管座角焊缝由于泄漏导致的停机。
如华能石洞口二厂锅炉集箱小口径接管座角焊缝制造缺陷。华能石洞口二厂安装的是两台600MW超临界机组，锅炉是瑞士SULER制作，1990年安装投运。1号炉高温再热器集箱在运输（码头吊装）过程中不慎发生碰撞，造成两根短管角焊缝断裂。检查断裂角焊缝，发现存在未焊透等严重缺陷，引起重视，决定进行检查。一开始采用X射线拍片进行抽查，结果发现管座角焊缝大量严重缺陷，于是决定采用超声波进行全面检查。经了解管座角焊缝由于检验工艺没有规定，焊后热处理后仅采用渗透探伤/磁粉探伤表面探伤合格，焊缝未作射线探伤或超声波探伤。
探伤结果：1号炉过热器出口集箱（加拿大制作），集箱规格：Ф588.8×100，接管是Ф38.4×8，材料均为F12。管座与集箱采用内孔焊接封底，外层用2 1/4CrMo钢焊条焊接，集箱共计角焊缝984只，100％UT,结果71只不合格。1号炉高温再热器出口集箱（加拿大制作），集箱规格：Ф807×61，接管是Ф63.5×4.5，材料均为F12。集箱共计角焊缝528只，100％UT。探伤结果133只不合格。现场返修53只，其余作内孔修磨处理。两台锅炉共计38只集箱， 25只集箱发现1000多只角焊缝不合格，缺陷类型大多为未熔合、未焊透、裂纹、长条形夹渣以及少量气孔和内凹。
2001年，国华内蒙古准格尔2×330MW发电机组2号锅炉安装过程中，在锅炉水压试验过程时，发现炉顶过热器联箱管座焊缝处存在大量漏点，经检验，泄漏原因为联箱管座角焊缝存在裂纹。最终对联箱的管座焊缝进行全面检测，共发现管座角焊缝裂纹32处，其中屏式过热器上联箱管座角焊缝裂纹23处，二级过热器出口联箱管座角焊缝裂纹5处，再热器出口联箱管座角焊缝裂纹4处。焊缝外表观察，裂纹均产生在焊接过程的接头位置，经跟踪打磨，裂纹均延伸至角焊缝根部，并且根部存在大量的夹渣、气孔、未焊透、收头弧坑等缺陷。
根据近年来对锅炉集箱接管座角焊缝的泄漏统计和分析，大部分的泄漏是由于集箱管座角焊缝在制作过程中形成的未焊透、未熔合和裂纹等缺陷在运行中扩展而发生的。
华能德州电厂660MW机组5号锅炉系德国BABCOCK公司设计、制造的2209t/h锅炉，主汽压力为17.42MPa、温度541℃，与2002年6月29日投运，2003年8月14日、2003年11月2日和2006年1月25日先后因高温再热器联箱充氮管管座、低温过热器联箱管座和屏式过热器管座开裂泄漏导致了三次停机。其管座角焊缝主要原因是焊接质量不良。
湖南大唐耒阳发电厂1号锅炉型号为HG-670/13.82-WM10,系哈尔滨锅炉厂生产，于1988年6月投产。至2005年，机组运行约十万小时。2005年机组大修后，对流过热器出口联箱接连发生了2次联箱上短管与管排对接焊口和1次管座角焊缝的泄漏，经后来全面检验，共在管座角焊缝中发现4只焊缝存在周向裂纹，长30－45mm，裂纹形貌如图1所示。1只管座外壁表面存在严重凹坑，1只焊缝表面存在气孔。

图1 对流过热器联箱管座角焊缝裂纹宏观形貌（渗透探伤）

1.2管座角接头焊缝无损检测方法及特点、局限性
管座角接头焊缝的传统方法有磁粉检测、渗透检测、射线检测、和超声检测。涡流检测也可用于管座角焊缝的表面检测。各种传统检测方法均各有特点，能对管座角焊缝进行部分的检验，并被一些标准中规定采用。但都具有一定的局限性，不能实现对管座角接头焊缝全面、快速、有效的检测。不能实现对管座角焊缝的应力集中、早期失效等进行快速、准确诊断。对于管座角焊缝检测的抽查样本的确定，还存在较大的随意性。
1.2.1磁粉检测、渗透检测
磁粉和渗透检测目前是管座角焊缝，特别是中小口径管座角焊缝常用的检测手段，尤其是对在役锅炉集箱的检验应用十分普遍，检验中，磁粉和渗透检测方法简单可靠，可直接观察，利于判断。
磁粉和渗透检测的主要特点是容易检测管座角焊缝表面或近表面（磁粉探伤）的缺陷，但无法检测管座角焊缝的内在缺陷，且常常受到现场操作和观测条件的限制而无法实现全部检测；磁粉和渗透探伤另一个特点是对探伤面的要求较高，在役锅炉集箱管座角焊缝表面的打磨是十分困难的，探伤面的要求往往难以保证，因而直接影响磁粉和渗透的探伤灵敏度。
1.2.2射线检测
射线检测可用于管座角接头焊缝的检验，据资料，对于接管外径大于或等于108mm的管座角焊缝接管座，特别是筒体及接管座均较薄的管座角接头焊缝，可采用射线检测的方法。
但是对于大多数管座角焊缝，由于缺乏检验位置，特别是集箱上的管座角焊缝，管排密集，间距小，大部分位置无法摆放射线机，没有合适的透照角度；由于最佳投影角度受到限制，射线对未焊透、未熔合和裂纹等面积型缺陷检测率较低；管座角焊缝数量多，射线探伤效率低。所以射线检验在管座角焊缝的检验中使用较少，管接头角焊缝射线透照方法与验收条件在我国还未有专门的标准。
1.2.3 超声波检测
超声波检测也是管座角焊缝的常用的检测方法。超声波检测方法对未焊透、未熔合和裂纹等面积型缺陷比较敏感，灵敏度较高，且操作不易受现场条件的限制，工作效率高。
超声波检测有专门的标准，其中JB 3144-1982《锅炉大口径管座角焊缝超声波探伤》规定了大口径管座角焊缝的探伤检验要求。JB/T4730.3—2005《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》也对管座角焊缝的超声检测作出了要求，根据结构形式，规定了管座角焊缝的检测有五种检测方式，考虑主要检测对象和几何条件的限制，可选择其中一种或几种方式组合实施检测。
经过探伤人员多年的努力，对一些大口径、厚壁管座角焊缝，如汽包的集中下降管等的角焊缝超声波探伤已找出基本规律，得到较好的应用。
但对于中小径管座角焊缝，由于受曲率、壁厚较薄等因素影响，以及探测位置的局限，导致缺陷信号的识别难度大，缺陷的定位困难。并且一般横波斜探头由于前沿大，近场区长，超声波探伤困难。所以至今中小管径管座角焊缝检测尚未统一标准，检测也较难到位。
1.3本项目采用的研究思路
本项目希望通过对管座角接头焊缝结构形式分析、失效原因分析的总结，综合运用磁记忆检测、表面检测（磁粉和渗透）、超声波检测等方法对管座角焊缝进行检测，并对管座角焊缝处筒体内壁裂纹进行超声波检测的方法进行研究。
经总结和实践后，通过实际检验案例的运用，证明综合检验方法的可行性和科学性。
（1） 利用最新的检测手段磁记忆检测方法来检测管座角焊缝，以期对角焊缝的应力集中、早期失效等进行快速、准确诊断。对磁记忆检测用于管座角焊缝检测的检测要求、检验方式、检验结果的处理进行总结。并将磁记忆检测用于管座角焊缝检测的抽查样本的确定，使得检验样本、检验方法的选取具有系统性、全面性和针对性。
（2） 总结常规表面检测（磁粉和渗透）检测管座角焊缝的特点，以便更好的在管座角焊缝检测加以应用。
（3） 利用超声波检测方法，采用大角度、高频率、短前沿、小晶片斜探头从管座侧入射的超声波检测方法检验实现对中小口径管座角焊缝的检测。对典型角焊缝检测中探头的选择及要求，典型缺陷的反射回波进行总结。
（4） 对管座角焊缝处筒体内壁裂纹，通过加工内壁裂纹试样和实际开裂管样，初步探讨内壁裂纹检测方法和裂纹反射波的判断。
（5） 综合运用磁记忆检测、表面检测、超声波检测方法进行管座角焊缝的检测。探讨各种检测方法的应用原则和质量评定原则。确定检测的顺序。
（6） 通过多个实际检验案例中的运用，证明综合检验方法的可行性和科学性。并对检验中的方法、处理进行总结。
2、 管座角接头焊缝的结构形式、焊接特点、受力分析及失效原因
研究管座角接头焊缝的结构形式、焊接特点及受力分析，是管座角接头焊缝无损检验的基础，可充分理解检验的必要性，了解检验的重点和难点。
管座角接头焊缝的结构形式多种多样，结构较复杂，了解其结构形式能指导现场检验，特别是超声波检验的基础。
管座角接头焊缝焊接主要特点是由于筒体和接管座厚度壁厚差异大、焊接位置较差，如焊接工艺控制不好，焊接时会产生很大的应力，并且容易产生未焊透、未熔合和条渣等缺陷。
管座角焊缝受力复杂，筒体开孔后，有明显应力集中现象。应力集中严重、结构形式不合理、根部未焊透等缺陷是管座角焊缝失效的主要原因。
2.1 管座角接头焊缝的结构形式
电站锅炉中，管座角接头焊缝不仅数量多，而且其结构复杂，管座角接头的形式也多种多样。在设计制造过程中，管座的开孔坡口形式在总结实践经验的基础上不断的进行调整，最常见有两种坡口形式，即安放式（骑座式）和插入式。典型结构形式如图2至图5所示。其焊缝一般呈马鞍形，几何形状多变，受力状况复杂。其中图5所示的插入式管座常用于大口径接管座的管座结构形式。如电站锅炉汽包的集中降水管座。汽包及联箱上的中小径管座常用图2至图4所示的管座角焊缝结构形式。

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图2骑座式角焊缝结构形式
　注：t－为接管壁厚

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图3 插入式角焊缝结构形式之一
　注：t－为接管壁厚

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图4 插入式角焊缝结构形式之二
　注：t－为接管壁厚

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图5 插入式角焊缝结构形式之三
　注：t－为接管壁厚

2.2 管座角接头焊缝的焊接特点及采取的措施
管座角接头由于结构形式的特点，焊接过程中存在区别于一般对接焊缝的特点。
筒体和接管座厚度壁厚差异大，热容量相差悬殊，焊接时接管座温升很快而筒体温升很慢。如果筒体未经预热，或预热不足，焊接规范不当，工艺控制不好，那么焊接时会产生很大的应力，并且容易产生未焊透、未熔合和条渣等缺陷。而且如果焊接过程中，线能量过大和冷却速度过快，在接管座外壁的焊接热影响区处出现马氏体组织，该组织硬度远高于基体的硬度，使管座角焊缝局部的脆性增大，塑性和抗变形能力降低，且存在较高的残余应力，从而使角焊缝局部的综合性能下降。
管座角焊缝因为一般是接管座与筒体垂直相接，位置常常不利于焊工的施焊和清理，特别是对于某些电站锅炉联箱上的管座角焊缝，由于联箱上管座设计较多，管座之间的间距较小，也给施焊带来了不便。
而对于这种易于产生缺陷的管座角焊缝，焊工在施焊过程却未引起足够重视。这是因为对于管座角焊缝缺乏有效检测手段,标准中又未强制规定明确的检验方法，以往的管座角焊缝的检测往往只进行表面检测，未对焊缝的内部质量进行检验。导致管座角焊缝的内孔封底焊根部，焊缝内部存在大量未焊透、夹渣和气孔等严重缺陷。
譬如我国某大型锅炉厂的锅炉汽包的Φ133mm及Φ159mm引出管管座的焊接，以往在焊后仅进行表面磁粉探伤，而大家一般主要将注意力集中在汽包的纵缝、环缝及集中下降管、给水管管座角焊缝上。后来逐渐重视，开始对中径管管座角焊缝采用超声波探伤检查后，最初的连续两台产品的锅筒管座角焊缝一次合格率竟然不到10％。而后采取改变设计坡口型式，完成焊接工艺评定；细化提高操作工艺，才使管座角焊缝一次合格率达到正常。
针对管座角焊缝的焊接特点，特提出以下工艺措施。
（1） 采用合适的管座及坡口形式。管座角焊缝处于承压部件的应力集中区，而且本身的应力水平又非常高，为保证管座有足够的强度推荐使用加厚型接管座(即下部壁厚加大)。同时，为保证根部焊透。应优先选用安放式接管座形式。
（2） 重视定位焊过程。在以往的现场焊接中，曾出现由于焊接不当或应力变形过大，而使定位焊缝开裂的现象。为防止定位焊缝开裂，定位焊缝的焊接工艺也应该遵循既定焊接工艺， 同时，定位焊缝要有一定的厚度和长度(长不小于15mm，厚度不小于3 mm)。
（3） 严格按照工艺进行预热。预热的目的是降低焊缝冷却速度，减少热影响区的宽度，减少焊缝和热影响区的淬硬组织。由于条件所限，现场许多情况下焊后热处理温度达不到要求，只能起到消氢和消除应力的作用，对改善焊缝组织状态作用不大。在这种情况下，预热的重要性就更加突出。因此，一定要严格按照工艺进行预热。
（4） 选择正确焊接方法及焊接顺序。由于角焊缝根部极易出现各种缺陷， 因此，为获得良好的根部焊缝应采用氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面工艺，同时采用碱性焊条施焊以提高焊缝强度。采用多层多道施焊，以利于细化晶粒、减小应力和变形。
（5） 适当选择焊后热处理工艺。若焊缝两侧材料相同，则按照壁厚大的一侧选择热处理温度及保温时间。两侧材料不同，则综合材料及壁厚因素，按照焊接性差的一侧选择热处理温度及保温时间。在热处理过程中应严格控制升降温速度， 以避免内外壁温差太大产生热应力，对焊缝造成不良影响。
2.3 管座角接头焊缝受力状态及失效原因分析
2.3.1 管座角焊缝的受力类型及产生因素
在角焊缝中产生的应力是非常复杂的，有拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力和复合应力。角焊缝中的应力大致由以下因素产生：
（1） 由于锅炉内的压力作用而产生的内应力，可以是拉应力、压应力、剪切应力和复合应力。
（2） 由于锅炉各个受压元件的热胀冷缩而产生的附加应力。
（3） 焊接过程中形成的残余应力，这种焊后残余应力可以通过热处理予以降低。
（4） 由于锅炉部件自身质量而产生的附加应力。
（5） 由于其他因素，如运行中的启停、振动等影响，在角焊缝中还可产生峰值应力、二次应力等。
焊缝表面粗糙和表面缺陷（如咬边、凹坑等）以及焊缝中的缺陷，如夹渣，气孔，特别是未焊透，都会造成焊缝中的应力集中，致使焊缝的疲劳强度降低。锅炉在启停和运行过程中，瞬间温度变化和运行工况的波动，都会使接管与联箱之间出现大的温差，尤其是接管和筒体壁厚相差很大时，在机组启停过程中，彼此瞬间温差比正常运行时更大，由此产生较大的热应力。另外在运行时由于工况波动，也使诸如水冷壁管与联箱之间始终存在热应力，热应力的长期作用于管座角焊缝的应力集中区域，将导致热疲劳裂纹的形成和发展。
2.3.2 管座角焊缝的应力状态分布及失效原因
筒体开孔后，应力集中现象很严重，最大的应力出现在垂直于拉伸方向的截面上(图6)。但孔边应力集中具有局限性，离孔边不远处，应力迅速衰减。接管座与筒体之间的非焊透接头往往存在间隙，接头传力时力流线偏转很大，应力分布很不均匀，在角焊缝的根部和焊趾处都有很大的应力集中(图7)。全焊透的接头应力集中和传力相对均匀一些。

图6 筒体开孔处应力分布

图7 管座角焊缝应力分布

（1）管座失效原因分析
从以往发现的管座失效情况看，管座的失效大致可以分成两种类型：高温蠕变裂纹和应力腐蚀裂纹。两种裂纹开裂的位置不相同。蠕变裂纹在外壁焊趾处开裂，裂口向外张开，裂纹平面与管轴线垂直；应力腐蚀裂纹发生在管座内壁，裂纹方向也与管座轴线垂直，但裂纹位置却离焊口有一定距离，一般在10～20mm，并且腐蚀区域一般位于管轴线的一侧。这两种裂纹不发生在同一位置，是应力分布和环境因素共同决定的。轴向应力分布情况见图8。

图8 接管座内外壁应力分布情况

轴向应力是内压应力、弯曲应力及焊接残余应力的总和。在外壁焊趾截面I— I处这3个应力分量都在外表面集中，因而焊趾是管座外壁的最大应力作用点。而且此处靠近焊接热影响区，为焊缝的最薄弱处。在Ⅱ一Ⅱ截面处， 由于传递轴向应力和弯曲应力的应力集中已经消失，而焊接残余应力是自身平衡的应力，在焊缝两侧的内壁必有一个区域作用有拉应力。因此，内壁轴向拉应力的最大作用点不在焊趾处，而在距离焊趾10—20 mm的Ⅱ一Ⅱ截面处。从量值上看，截面I— I处的外壁应力大于Ⅱ一Ⅱ截面处。由于管座的温度是均匀的，因此蠕变裂纹总是选择应力最大点开裂，故总是发生在外壁焊趾处。而应力腐蚀裂纹是在应力与腐蚀介质的共同作用下发生，且内壁存在腐蚀介质，所以应力腐蚀裂纹发生在管座内壁且距离焊缝10—20 mm处(此处内壁应力最大)。造成此两类裂纹的因素除温度及腐蚀环境外(在实际生产中此两种因素难以避免)，都与管座应力过大有关，即管座强度不足。
（2）角焊缝本身失效原因分析
a.焊缝强度不足（含焊缝内部缺陷）造成失效
目前对火电厂承压部件的焊接，工艺要求用碱性焊条施焊。但在实际检修、安装中存在用酸性焊条代替碱性焊条的现象，致使焊缝强度降低。或者焊接质量控制不当，焊缝内部存在缺陷，会降低焊缝强度，但由于管道安全系数较大，如果焊缝强度降低得不是太大，或没有其它因素诱发，还不至于导致失效。所以，这不是角焊缝失效的最主要原因。
b.结构不合理造成失效
结构不合理常会引起严重的应力集中，而在应力集中处又可能导致萌生裂纹。20世纪50年代前苏联的老机组常用插入式接管座形式，造成根部焊不透，产生严重的应力集中，容易诱发裂纹造成泄漏。后采用骑座式全焊透结构，泄漏大大减少。
c.根部缺陷造成失效
焊缝根部是最容易产生缺陷的部位，由根部缺陷造成焊缝失效较普遍。能否焊出高质量的根部是整个焊缝质量好坏的关键。有的焊接工艺参数推荐根部间隙为0～2 mm，根据经验，这需要较大的焊接电流。若不能均匀焊透，就必须在背面进行较深的清根(现场往往无法做到)，根据现场经验，根部间隙为2～3 mm较合适，对氩弧焊、焊条电弧焊打底都适用。选用合理的根部间隙和正确的焊接方法，能最大程度的避免根部缺陷。
角焊缝中未焊透、未熔合、条渣等缺陷在联箱整体热处理时可能产生裂纹，这些裂纹可能是宏观的、表面的，但更多时候是微观的、内在的。锅炉安装投产以后，在高温高压工作状态下，尤其是经过多次锅炉启停的交变应力作用下，裂纹会扩展成贯穿性裂纹，导致泄漏事故的发生。

3、 管座角接头焊缝的金属磁记忆检测（MMT）
金属磁记忆检测（Magnetic Memory Testing ，MMT）是近年来兴起的新无损检测技术,由于能有效地对铁磁构件的早期损伤进行诊断, 准确探测出被测对象上以应力集中区为特征的危险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断惟一行之有效的无损检测方法。在电力、特种设备、建筑、航空、航天、铁道、石油、化工、机械、桥梁等领域均有极其广阔的应用前景。
本项目将该检测技术引用于电站锅炉管座角接头焊缝的检测。通过对磁记忆检测用于管座角焊缝现场检验的总结，对检测对象及环境的要求、检验方式、检验结果的处理提出了具体要求。充分利用磁记忆检测方法的优势，对角焊缝的应力集中、早期失效等进行快速、准确诊断。将磁记忆检测用于管座角焊缝检测的抽查样本的确定，使得检验样本的选取具有针对性。
3.1 磁记忆检测原理及理论基础
1997年，俄罗斯学者Doubov率先提出金属应力集中区域－金属微观变化－磁记忆效应相关学说，并形成一套全新的无损检测与诊断技术——磁记忆检测技术。
磁记忆检测技术借助于天然的地磁场作用，利用金属内部各种微观缺陷和局部应力集中对地磁场作用的特殊反应机制（磁记忆效应），从而对铁磁性金属构件进行早期诊断及寿命评估。
3.1.1 磁记忆检测原理
磁记忆原理可以表述为,处于地磁环境下的铁制构件受工作载荷的作用,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp 的变化。即磁场的切向分量Hp(x)具有最大值,而法向分量Hp(y)改变符号且具有零值点，如图9。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留。从而通过漏磁场法向分量Hp(y) 的测定,便可准确推断工件的应力集中部位。
铁磁性金属构件
应力集中区域

图9 铁磁性金属构件应力集中区域磁场分布
磁记忆检测原理可以由拉伸试验得到验证。钢制拉伸试件安装到拉力试验机上, 测量试件表面沿轴线漏磁场Hp ( y) 分布如图10a 所示。其中Hp ( y)= 0 处表示试验中检出的应力集中线,此后,在继续对试样加上和应力集中线垂直的负载P 的情况下做拉力试验。从图10b 可见,该试样的断裂出现在应力集中线( Hp ( y) = 0) 处。铁磁体在应力作用下具有磁弹性效应早已为铁磁学的研究所证实。磁记忆检测最重要的贡献在于只需在地磁环境下测量铁制构件表面漏磁场法向分量Hp ( y) 就能确定工件上的应力集中区域。

图10 磁记忆检测原理试验

3.1.2 铁磁性材料的磁弹性效应
铁磁学的研究表明,磁弹性效应是指当弹性应力作用于铁磁材料时,铁磁体不但会产生弹性应变,还会产生磁致伸缩性质的应变,从而引起磁畴壁的位移,改变其自发磁化的方向。究其原因,产生磁弹性效应是因为铁磁体在受到外应力作用后,会在磁晶体内增添应力能引起的。以各向同性磁致伸缩材料为例,其应力能Eσ由下式给出
( 1 )
式中　σ———应力
λs ———磁致伸缩系数
θ———应力方向与磁化方向之间的夹角
在没有外应力和外磁场作用时, 处于稳定状态的磁晶体内的总的自由能E 为
E = Ek + Ems + Eel (2)
式中　Ek ———磁晶体各向异性能
Ems ———磁弹性能
Eel ———弹性能
铁磁体受到外应力的作用,磁晶体总的自由能则应添加由外应力引起的应力能部分,即E 为
E = Ek + Ems + Eel + Eσ (3)
此时,根据实际存在的状态必定是能量最小的状态的原则,只有减小应力能, 使其趋于最小;或者改变铁磁体原有的磁弹性能等, 才有可能使总的自由能趋于最小,从而使铁磁体处于新的稳定状态。
由式(1) 可以看出,减小应力能的途径是改变磁化强度的方向。当存在外应力时, 对于各向同性磁致伸缩的材料而言,若λs > 0 时,在θ= 0 或π时都将使应力能最小,这表示对于磁致伸缩为正的材料,施加拉力时将使材料的磁化强度方向趋于拉力的方向,也就是说,对于正磁致伸缩的材料,拉力方向是易磁化方向,所以在此方向上铁磁材料变得容易磁化了;而当λs < 0 时,则θ=π/ 2 或3π/ 2 时才能使应力能最小。这就是说,在负磁致伸缩材料中,施加拉力将使材料的磁化方向趋于垂直拉力的方向,换言之,对负磁致伸缩材料,拉力的方向是难磁化方向。在此方向上铁磁材料变得难磁化了,其易磁化的方向是垂直拉力的方向。
由此可见,外应力的存在将对铁磁体内磁化强度的方向产生影响,使得磁化强度的方向不能任意取向。在应力的作用下,视磁致伸缩系数的不同,磁化强度的方向将趋向于与应力平行或垂直,以减小应力能的增加。这种由于应力而造成的各向异性称为应力各向异性,是引起磁弹性的重要原因之一。
当铁磁体受外应力作用时,尽管铁磁体内磁化强度会在应力的作用下被迫改变方向以减小应力能,但应力存在时或消除后在铁磁体内存在的残余应力总会引起应力能的增加,这就势必要打破原有能量的平衡状态,促使磁弹性能量的增加。
弹性应力作用于铁磁体时,铁磁体不但会产生弹性应变,还会产生磁致伸缩性质的形变。由铁磁学的研究可知,铁磁体内与磁致伸缩相联系的磁弹性能Ems和单纯形变产生的弹性能Eel分别为
(4)
(5)
式中 　B1 , B2 ———磁弹性耦合系数
ai , aj ———磁化方向与晶轴间夹角余弦
eii , eij ———形变分量
exx , eyy , ezz ———形变分量
exy , eyz , ezx ———形变分量
c11 , c44 , c12 ———弹性模量
由式(4)和(5)可以看出,当外应力存在时,不仅由于应力引起的形变会增加弹性能量,而且,应力也将改变铁磁体内磁畴的自发磁化方向以增加磁弹性能,来抵消应力能的增加。可见, 在外应力作用下,使铁磁体产生磁致伸缩性质的形变, 从而引起磁畴壁的位移,改变其自发磁化方向亦是引起磁弹性效应的重要原因。
3.1.3 产生磁记忆的机理
铁磁体在载荷和微弱地球磁场的作用下会产生磁记忆现象的内部原因取决于铁磁晶体的微观结构特点。通常,铁磁工件在经熔炼、锻造及热处理等加工工艺时,温度大大超过居里点,构件内部的磁畴组织会被瓦解,磁性消失。随后在金属冷却到居里点以下的过程中,一方面铁磁晶体在重新结晶的同时重新形成磁构造；另一方面会由于材料内部的各种不均匀性(如形状、结构及含有夹杂或缺陷等) 而形成组织结构不均匀的遗传性。这些组织结构的不均匀部位往往是缺陷或应力集中的部位,一般以位错的形式存在,并在地球磁场的环境中由于磁机械效应的作用会出现磁畴的固定节点,产生磁极,形成退磁场,以微弱的漏磁场形式在工件表面出现,表现为金属的磁记忆性。此时,若对铁磁构件施加载荷,动态应力的存在会使物体产生应变,从而使构件内部的位错沿着由位错线与柏格斯矢量所确定的滑移面而产生滑移运动。位错在滑移过程中要克服晶格点阵阻力以及与杂质或缺陷之间的交互作用力。位错滑移运动的结果会引起晶体错密度的增加,即位错的增殖,产生很高的应力能,并形成应力集中区。
值得注意的是,构件中应力集中区的形成会聚集相当高的应力能。此时,为了使铁磁构件内的总的自由能趋于最小,在磁机械效应的作用下必将引起构件内部的磁畴在地球磁场中作畴壁的位移甚至不可逆的重新取向排列,主要以增加磁弹性能的形式来抵消应力能的增加。从而,在铁磁构件内部产生大大高于地球磁场强度的磁场强度。金属力学性能的研究表明,即使在金属材料的弹性变形区,完全没有能量损耗的完全弹性体是不存在的。由于金属内部存在着多种内耗效应(如弹粘性内耗、位错内耗等) ,势必造成动态载荷消除后,加载时在金属内部形成的应力集中区会得以保留,特别是在动载荷、大变形和高温情况下尤为突出。保留下来的应力集中区同样具有较高的应力能,因此,为抵消应力能,在磁机械效应的作用下引发的磁畴组织的重新取向排列也会保留下来,并在应力集中区形成类似缺陷的漏磁场分布形式,即磁场的切向分量Hp ( x ) 为最大值,而法向分量Hp ( y) 的符号发生改变,且具有过零值点。
3.2磁记忆检测的特点及应用
基于磁记忆检测方法的特点，在管座角焊缝的检验主要进行了如下应用。
3.2.1 利用磁记忆检测能检测部件应力集中区域，对管座角焊缝进行早期诊断和预测
金属内部的各种微观缺陷和局部应力集中，是导致机械部件和设备失效乃至发生事故的重要原因。应力和微观缺陷之间存在着紧密的联系，在应力集中区域，疲劳、腐蚀和蠕变过程的发展最为剧烈，组织、性能的变化也最大；在微观缺陷区域，也往往拥有较大的应力集中现象。因此，应力状况，特别是导致损伤的临界应力状况便成为评价金属构件强度和可靠性的一个重要依据。
磁记忆检测的目的是查找磁记忆检测技术借助于天然的地磁场作用，检测金属内部各种微观缺陷和局部应力集中，从而对铁磁性金属构件进行早期诊断及寿命评估。
具体到管座角焊缝的检测，磁记忆检测可用于确定应力集中区，并提出结构焊接接头中损伤危险区域的建议。磁记忆检测方法可以检测各种铁磁性合金钢、奥氏体钢以及铸铁材料的任何尺寸和形状的焊接接头（对接的、丁字形的、角度的、搭接的等），磁记忆检测可在被检测部件处于运行状态（工作载荷下）下，亦可在停机后（卸除工作载荷后）进行。而被焊接金属结构的厚度不受限制。故应优先于其它无损检测方法（超声、射线、磁粉、着色等）。
磁记忆检测方法可以确定：残余焊接应力集中区域及其沿焊接接头的分布；各种宏观和微观缺陷（气孔、夹渣、不致密、裂纹、断裂）可能存在区域。根据金属磁记忆检测结果，建议对最大应力集中区和宏观与微观缺陷可能存在的区域使用传统方法与手段进行无损检测验证，并采用相应的适用标准进行评定。
3.2.2利用磁记忆检测速度快，有针对性的确定角焊缝检验中的抽检样本
检验过程中，与传统的无损检测技术相比较，磁记忆检测技术具有明显的优点：（1）不需对金属构件被检表面进行清理或其它预处理，可以保持原貌进行检测；（2）不需采用专门的磁化设备，它所利用的是金属构件加工和运行过程中形成的天然磁场(地磁场)强度；（3）对被检金属构件无特殊要求，可以检测正在运行的金属构件，也可以检测待检金属构件；（4）提离效应的影响很小，检测时，传感器可以离开金属表面，提离几毫米甚至十几毫米对检测结果影响不大。由于金属检验中的这些特点，金属磁记忆方法能快速普查焊缝,查找焊缝的异常应力集中区,从而大大减轻无损检测的工作量,做到有的放矢。
管座角焊缝的数量多，检验标准中常有抽检比例的要求，对于检验样本就涉及到如何选择检测样本以最合理地反映出受检部件总体的质量状况的问题。目前，在实际检测过程中，选择抽查样本及检测方法时还普遍存在较大的随意性。
对管座角焊缝按要求进行一定比例的无损检测，选择抽查样本时通常做法是基于如下几方面因素的综合考虑，即：宏观检查的初步结果；机组运行期问的运行状况对部件安全的影响；以前检查多次发现缺陷的部位；等等。这种选取样本的方法存在最大的问题就是只有当部件中的缺陷发展到一定程度从而存在宏观表征的管座角焊缝