王中亞， 倪滿生， 陳安生， 王亦民

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司， 安徽 合肥 230031；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

電站鍋爐管道焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)探討

王中亞1， 倪滿生1， 陳安生1， 王亦民2

(1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司， 安徽 合肥 230031；2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601)

分析了電站鍋爐管道焊縫超聲檢測的難點(diǎn)，介紹了超聲相控陣檢測技術(shù)，制定了檢測工藝并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，相控陣技術(shù)具有缺陷圖像顯示直觀、檢測可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

電站鍋爐；管道；焊縫；相控陣

0 引言

電站鍋爐管道通常指四大管道，即主蒸汽管、高溫再熱蒸汽管、低溫再熱蒸汽管和主給水管，其超聲波檢測是定期檢驗(yàn)和金屬監(jiān)督檢驗(yàn)的重點(diǎn)抽查項(xiàng)目。管道焊縫的常規(guī)超聲檢測主要存在以下難點(diǎn)：(1)內(nèi)壁情況難以查明，因內(nèi)壁臺階、焊縫成形不良等因素導(dǎo)致的干擾回波較多；(2)三通、彎頭對接焊縫一般只能單面單側(cè)進(jìn)行檢測，且三通和彎頭多為鑄件，對檢測亦有影響。由此可見，管道的常規(guī)超聲檢測判傷困難，缺陷的識別對人員的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)要求極高，不足以保障檢測工作質(zhì)量，因此需要尋求一種缺陷顯示直觀、盡量降低非客觀因素影響的檢測方法。

相控陣技術(shù)是超聲波檢測的新型技術(shù)，近年來發(fā)展很快[1]，它能實(shí)現(xiàn)工件和缺陷的A、B、C、S掃描多種顯示，為缺陷的評定提供了豐富的信息源，是一種可記錄的無損檢測方法。本文介紹了電站鍋爐管道焊縫相控陣檢測的初步應(yīng)用。

1 超聲相控陣檢測系統(tǒng)

超聲相控陣檢測技術(shù)通過控制電子激發(fā)時(shí)間改變探頭性質(zhì)，使聲束一次性覆蓋整個(gè)檢測面，檢測過程中無需移動(dòng)探頭或移動(dòng)量很小即可完成檢測，大大提高了檢測可靠性。由于相控陣檢測是“一次性掃查”，要求不同深度和角度的檢測靈敏度相同，即不同深度和角度的相同大小的缺陷顯示應(yīng)相同，因此選擇的超聲相控陣檢測系統(tǒng)應(yīng)具有深度和角度增益補(bǔ)償功能。另外，為了提高檢測精度和降低缺陷識別難度，相控陣檢測系統(tǒng)還應(yīng)具有多次反射回波疊加功能和工件結(jié)構(gòu)仿真功能。本文選擇了以色列ISONIC 2009超聲相控陣成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究及檢測應(yīng)用。

2 管道焊縫相控陣檢測工藝

電站鍋爐四大管道用鋼一般為軋制，聲速差異不大，一般可按普通鐵素體鋼看待。本文僅對管道焊縫縱向缺陷的檢測方法進(jìn)行探討，橫向缺陷的檢測涉及管道曲率的變化，探頭選擇及工藝制定均需要考慮更多因素，不在本文討論范圍。

2.1 探頭及楔塊

相控陣探頭是一種晶片的激發(fā)時(shí)間可以單獨(dú)調(diào)節(jié)、以控制聲束軸向和焦點(diǎn)等參數(shù)的晶片陣列。根據(jù)晶片陣列型式的不同可分為線陣和面陣兩種。通過改變探頭晶片的聚焦法則可實(shí)現(xiàn)波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，這也是相控陣技術(shù)能進(jìn)行一次大面積掃查的基本原理。

在相控陣探頭各種參數(shù)中，跟實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)的主要是頻率、晶片數(shù)和楔塊參數(shù)。一般來講，可激發(fā)晶片數(shù)越多，探頭功率越強(qiáng)，尺寸也越大，應(yīng)根據(jù)被檢工件的尺寸大小選擇合適的晶片數(shù)，對于四大管道一般選擇32晶片的探頭。相控陣探頭配以不同種類的楔塊可實(shí)現(xiàn)縱波、橫波的檢測。本文選擇的探頭是5MHz、32晶片探頭，配以36°折射角的楔塊，相關(guān)參數(shù)見圖1。

2.2 檢測靈敏度

目前國內(nèi)電力行業(yè)超聲相控陣檢測尚未有相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，檢測靈敏度的確定可參照常規(guī)超聲波檢測所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，比如電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》。靈敏度校準(zhǔn)可采用GB/T 23905-2009《無損檢測 超聲檢測用試塊》附錄B規(guī)定的RB系列對比試塊，也可采用其他有效方法。

采用RB-3試塊確定的檢測靈敏度見圖2，將φ3×40mm橫孔反射波調(diào)到滿屏幕的60%～80%作為基準(zhǔn)靈敏度。由圖2可看出，深30mm、70mm、110mm的φ3橫孔的顯示基本相同，最高回波均在60%左右，表明在聲束范圍內(nèi)各角度和深度的檢測靈敏度基本一致，可以保證不會(huì)發(fā)生因靈敏度不一致造成的漏檢，所選擇的超聲相控陣檢測系統(tǒng)滿足要求。

2.3 焊縫工藝參數(shù)

管道焊縫檢測首先應(yīng)確定焊接方法和坡口型式，同時(shí)應(yīng)盡量查明焊縫成形情況。一般地，工廠制造焊縫多為自動(dòng)焊，成形較好；現(xiàn)場安裝焊縫多為手工焊，應(yīng)注意分析焊縫成形情況對檢測結(jié)果的影響。管道焊縫坡口型式一般以V型、雙V型較為常見。

焊縫工藝參數(shù)主要包括焊縫坡口型式、厚度、寬度、余高等，具體設(shè)置見圖3。

2.4 掃查方法

與常規(guī)超聲波檢測不同，相控陣檢測過程中無需頻繁地前后移動(dòng)探頭，只需確定探頭楔塊前端與焊趾的距離，保證探頭發(fā)射的聲束能覆蓋整個(gè)被檢截面，然后沿著焊縫軸線方向縱向移動(dòng)即可完成檢測。

由圖3可知，可通過設(shè)置“探頭位置”參數(shù)，改變探頭楔塊前端與焊趾的距離，使發(fā)射聲束覆蓋所要檢測的區(qū)域。實(shí)際檢測過程中，可通過使用定位磁條保證“探頭位置”不變，同時(shí)為保證缺陷定位定量準(zhǔn)確，應(yīng)接上編碼器，然后沿著焊縫軸線平行移動(dòng)探頭進(jìn)行檢測。

3 管道焊縫的相控陣檢測應(yīng)用

某電廠管道焊縫的相控陣檢測結(jié)果見圖4，C掃描成像的長度是焊縫沿焊縫軸線展開的長度。焊縫中存在兩處缺陷，缺陷1指示長度31mm，最大反射波幅為橫孔φ3+5dB，缺陷2指示長度19mm，最大反射波幅為橫孔φ3-2dB，從C掃描圖像中還可以測量得到缺陷的深度、位置等信息。

應(yīng)用相控陣檢測技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)工件的A、B、C掃描成像，而且可以實(shí)現(xiàn)缺陷的三維成像，顯示更為直觀，見圖5。相控陣檢測系統(tǒng)具有的焊縫仿真功能，能夠直觀地看出缺陷在焊縫中的位置，缺陷識別難度降低，能有效地防止缺陷誤判。與常規(guī)超聲檢測相比，相控陣探頭僅沿一個(gè)方向移動(dòng)即可，移動(dòng)量更少，降低了人員操作因素對檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的不利影響，增強(qiáng)了檢測可靠性。

4 結(jié)論

本文介紹了電站鍋爐管道的相控陣檢測技術(shù)，制定的檢測工藝在電廠管道上進(jìn)行了一定的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，相控陣檢測技術(shù)缺陷圖像顯示直觀，降低了缺陷識別難度，檢測可靠性高。相控陣檢測技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?，待相?yīng)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范出臺后，必將得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

[1] 李衍.相控陣超聲檢測國際動(dòng)態(tài)[J].無損檢測，2009，31(1)：56-60.

[責(zé)任編輯：薛寶]

Discussion on Ultrasonic Phased Array Inspection of Pipe Butt Weld for Utility Boiler

WANGZhong-ya1,NIMan-sheng1,CHENAn-sheng1,WANGYi-min2

(1.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China； 2.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei230601,China)

The paper analyzes the problems of UT inspecting pipe butt weld used for utility boiler and introduces ultrasonic phased array inspection technology. In addition, PA inspection procedure for pipe butt weld is made and applied. The results conclude that PA has the advantage of intuitional defect images and high reliability. PA technology enjoys a great potential for development.

utility boiler; pipe; butt weld; phased array

2015-06- 10

王中亞(1986-)，男，安徽阜陽人，中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，工程師，碩士，從事超聲檢測工藝及仿真技術(shù)的研究。

TM595

B

1672-9706(2015)03- 0053- 03