杜傳國，郭相吉，顧顯方

(山東電力建設(shè)第一工程公司， 濟(jì)南 250100)

電站鍋爐小徑鋼管的超聲相控陣檢測

杜傳國，郭相吉，顧顯方

(山東電力建設(shè)第一工程公司， 濟(jì)南 250100)

介紹了超聲相控陣檢測技術(shù)的應(yīng)用背景、檢測原理和技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了小徑鋼管(25 mm≤φ≤89 mm)相控陣超聲檢測的主要方法和工藝流程，應(yīng)用工程實(shí)例說明該技術(shù)檢出缺陷效果較好，以為其在電力工程中的推廣應(yīng)用提供參考與借鑒。

超聲相控陣檢測；小徑鋼管；工藝方法；應(yīng)用實(shí)例；檢出效果

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，超臨界及超超臨界火力發(fā)電機(jī)組得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著機(jī)組工作介質(zhì)壓力和溫度的提高，電站鍋爐金屬材料等級也相應(yīng)提高，承壓焊口產(chǎn)生危險(xiǎn)性缺陷的幾率增大，對焊接質(zhì)量控制和無損檢測技術(shù)手段也相應(yīng)提出了更高的要求。

為保證電力工程施工質(zhì)量和機(jī)組投運(yùn)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定，超臨界及超超臨界的火力發(fā)電機(jī)組電站鍋爐受熱面焊口必須進(jìn)行100%無損檢測。目前，電站鍋爐小徑鋼管(25 mm≤φ≤89 mm)焊口，一般采用射線檢測和常規(guī)超聲檢測(A型脈沖反射式)方法檢測。由于射線檢測方法存在裂紋類危險(xiǎn)性缺陷,容易漏檢、對輻射防護(hù)要求高、檢測周期長、不能與安裝施工同步作業(yè)等問題，成為制約安全管理施工工期的重要因素。而小徑鋼管常規(guī)超聲檢測方法也存在檢測結(jié)果顯示不直觀、缺陷信號識別困難、檢測結(jié)果受檢測人員技術(shù)水平和操作技能影響大、不適用于狹窄位置作業(yè)等問題，檢測效率和缺陷檢出效果難以滿足工作要求。因此，研究采用一種先進(jìn)、可靠的檢測方法來替代常規(guī)無損檢測方法,就成為解決上述問題的核心和關(guān)鍵。

相控陣超聲檢測是目前國內(nèi)先進(jìn)、前沿的超聲波檢測技術(shù)[1]。該技術(shù)的基本原理來源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，在世界范圍內(nèi)已有20多年的發(fā)展歷史。相控陣超聲技術(shù)發(fā)展初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，隨著壓電復(fù)合材料技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)不斷成熟完善并逐步引入到工業(yè)無損檢測領(lǐng)域[2]。目前，該技術(shù)已經(jīng)作為一種成熟的無損檢測方法列入美國ASME、ASTM等國外標(biāo)準(zhǔn)[1]。國內(nèi)該技術(shù)目前主要應(yīng)用于承壓類設(shè)備和管道的檢測，受儀器設(shè)備采購價(jià)格高、人員培訓(xùn)取證難度大、人工缺陷試樣制作費(fèi)用高、無現(xiàn)行技術(shù)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可循等因素的影響，相控陣超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍受到很大限制，在電力行業(yè)無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于一個(gè)剛剛起步階段。

筆者所在單位在深入研究國內(nèi)外相控陣超聲檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對電站承壓焊口無損檢測特點(diǎn)，積極開展鍋爐受熱面小徑鋼管焊口相控陣超聲檢測方法和工藝的研究，取得了多項(xiàng)技術(shù)研究成果，并在巴基斯坦Sahiwal(薩希瓦爾)電廠 2×660 MW機(jī)組、華電十里泉電廠2×660 MW機(jī)組施工中成功應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 相控陣超聲檢測原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 檢測原理

相控陣超聲檢測技術(shù)采用多晶片探頭，壓電晶片材料為復(fù)合材料，每個(gè)壓電晶片的激勵(lì)(延時(shí)、增益和振幅)可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，聲束角度、焦距、焦點(diǎn)尺寸等參數(shù)可通過預(yù)置軟件進(jìn)行調(diào)整。通過改變壓電晶片陣列組合單元激勵(lì)電脈沖的延時(shí)值，可改變聲束聚焦深度、聲束角度和波型，由此可實(shí)現(xiàn)對工件中的各種方向性缺陷的有效檢測和對缺陷的準(zhǔn)確定位和定量。超聲相控陣計(jì)算機(jī)控制的掃描方式有電子掃描(線掃描)、動態(tài)聚焦掃描和扇形掃描三種，可通過A顯示(波型顯示)、B/D顯示(橫斷面顯示)、C顯示(水平面顯示)、S顯示(扇形顯示)和CT顯示(切片)等多種形式來顯示檢測結(jié)果，采用不同形式的掃描組合可獲得整體檢測圖像[1-4]。1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

(1) 可實(shí)現(xiàn)多種掃描方式，同時(shí)具備寬波束、多焦點(diǎn)的特性，檢測速度快。

(2) 可實(shí)現(xiàn)對常規(guī)檢測技術(shù)不易檢測的復(fù)雜工件的檢測，檢測靈活性好。

(3) 容易檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，定量、定位準(zhǔn)確。

(4) 檢測數(shù)據(jù)存儲、檢索、調(diào)用方便。

(5) 掃查裝置相對簡單，便于操作和維護(hù)。

(6) 可形成實(shí)時(shí)彩色成像，便于缺陷判讀。

1.2.2 缺點(diǎn)

(1) 對被檢工件表面要求較高，需進(jìn)行打磨和清理。

(2) 掃描偽像多，數(shù)據(jù)分析耗時(shí)較長。

(3) 檢測結(jié)果的判定受人為因素影響多。

2 檢測方案

2.1 儀器設(shè)備

從儀器設(shè)備的靈敏度、精確度、響應(yīng)時(shí)間、可靠性、在電力行業(yè)的應(yīng)用成熟性、采購價(jià)格等方面綜合考慮，選用以色列Sonotron NDT公司生產(chǎn)的32通道 、64通道ISONIC2009型相控陣儀器各1臺。配套選用可拆卸、鏈?zhǔn)竭B接小徑鋼管檢測專用掃查器(見圖1)，要求掃查器連接緊湊、緊力適當(dāng)、拆裝方便、轉(zhuǎn)動順滑，連接塊厚度不超過12 mm(小于小徑鋼管焊口最小間距)。

圖1 小徑鋼管相控陣超聲檢測專用掃查器外觀

2.2 模擬缺陷試樣制作

設(shè)計(jì)制作了與660 MW機(jī)組鍋爐小徑鋼管規(guī)格和材料相匹配的一整套焊接模擬缺陷試樣(見圖2)，專用于相控陣儀器設(shè)備調(diào)校、檢測能力驗(yàn)證、檢測效果比對和人員培訓(xùn)練習(xí)，試樣制作滿足焊接缺陷種類全、位置覆蓋廣、尺寸精度高的要求。

圖2 小徑鋼管相控陣超聲檢測部分模擬缺陷試樣外觀

2.3 檢測標(biāo)準(zhǔn)制訂

在深入研究ASME標(biāo)準(zhǔn)和借鑒學(xué)習(xí)國內(nèi)外其他行業(yè)檢測方案、工藝流程的基礎(chǔ)上，參照電力行業(yè)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》對檢測技術(shù)和缺陷評定的相關(guān)規(guī)定和要求，結(jié)合電站機(jī)組承壓焊口相控陣檢測的技術(shù)特點(diǎn)，制定出一套科學(xué)性好、針對性強(qiáng)、適合于電站機(jī)組現(xiàn)場檢測應(yīng)用的相控陣檢測企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，針對660 MW機(jī)組鍋爐小徑鋼管的檢測特點(diǎn)，編制了專用于小徑鋼管相控陣超聲檢測的工藝規(guī)程。

2.4 人員培訓(xùn)和取證

協(xié)調(diào)儀器設(shè)備供貨商,安排設(shè)備生產(chǎn)廠家、電力行業(yè)科研院所，以及其他行業(yè)對此方法有成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的無損檢測高級別人員對檢測人員開展培訓(xùn)，使檢測人員全面掌握此種技術(shù)的檢測原理、技術(shù)特點(diǎn)、實(shí)踐操作技能和缺陷判定要求，在此基礎(chǔ)上組織檢測人員參加全國電力行業(yè)相控陣超聲檢測Ⅱ級人員培訓(xùn)取證班，檢測人員實(shí)現(xiàn)持證上崗。

2.5 檢測能力驗(yàn)證

該技術(shù)在巴基斯坦Sahiwal電廠項(xiàng)目應(yīng)用前，由工程建設(shè)單位委托電力行業(yè)金屬檢測專業(yè)專家組,在施工現(xiàn)場進(jìn)行了檢測試驗(yàn)?zāi)芰υu審和認(rèn)定。評審認(rèn)證的內(nèi)容包括儀器設(shè)備配置、探頭/掃查器/編碼器等附屬配件選擇、人員上崗資格準(zhǔn)備和檢測作業(yè)文件編制等，對部分檢測人員進(jìn)行缺陷試件盲樣檢測，最終確認(rèn)檢測能力滿足要求。

3 檢測工藝和流程

3.1 檢測流程 檢測委托單接收→對受檢部件、檢測環(huán)境進(jìn)行勘察→選擇滿足要求的探頭和楔塊→對設(shè)備性能參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)→選擇合適試塊調(diào)整靈敏度并繪制距離-波幅曲線(DAC曲線)→檢測表面和檢測范圍的確定、檢測面打磨→檢測實(shí)施并記錄缺陷參數(shù)→出具檢測報(bào)告→報(bào)告發(fā)放→不合格品跟蹤檢驗(yàn)。

3.2 主要檢測工藝

3.2.1 儀器和探頭的選用

儀器：選用ISONIC2009型相控陣超聲波探傷儀。儀器具有聚焦法則生成的軟件，能夠?qū)Τ暡暿卣鲄?shù)進(jìn)行直接修改；具備角度增益補(bǔ)償功能[3]；當(dāng)采用編碼器記錄掃查位置時(shí)，配置了校準(zhǔn)系統(tǒng)。記錄系統(tǒng)可清楚地指示出缺陷相對于掃查起始點(diǎn)的位置。其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

探頭：選用自聚焦曲面晶片線陣探頭，按表1推薦數(shù)值選擇相控陣探頭參數(shù)。實(shí)際工作中選用探頭型號為Sontron NDT 7.5S16-0.5×10 EHB241[4]。

楔塊：選擇與被檢管件曲率相吻合的探頭楔塊,楔塊邊緣與管子外表面的距離應(yīng)小于0.5 mm[5]。

表1 相控陣探頭參數(shù)

3.2.2 試塊

選擇CSK-IA試塊和聲束控制評定試塊進(jìn)行儀器性能測試和校準(zhǔn)。選擇DL/T820規(guī)定的小徑鋼管焊接接頭超聲波檢驗(yàn)專用DL-1型對比試塊用于測定探頭參數(shù)、系統(tǒng)組合性能、校準(zhǔn)時(shí)基線性和制作DAC曲線[5]。

選擇人工模擬缺陷試樣用于檢測工藝驗(yàn)證和檢測能力比對。

3.2.3 儀器和探頭系統(tǒng)的校驗(yàn)

每次檢測前均應(yīng)在對比試塊上對掃描線、靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)[5]，對編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)。檢測工作結(jié)束前，應(yīng)對掃查靈敏度進(jìn)行復(fù)核并做好記錄。

3.2.4 檢測表面準(zhǔn)備

檢測前應(yīng)了解焊接接頭的規(guī)格、材料、坡口型式、焊接工藝等，清除探頭移動區(qū)內(nèi)的飛濺、銹蝕、氧化物及油垢，選用漿糊或機(jī)油做耦合劑。

檢測區(qū)域應(yīng)包含焊縫本身寬度加上兩側(cè)各10 mm的一段區(qū)域。根據(jù)管子厚度不同，檢測面打磨寬度控制在50～150 mm。檢測前應(yīng)在工件掃查面上標(biāo)記掃查起始點(diǎn)和掃查方向，劃定掃查參考線。

3.2.5 確定聚焦法則

根據(jù)所采用的掃描類型確定聚焦法則，明確所涉及到的探頭參數(shù)(晶片參數(shù)、楔塊參數(shù))和聚焦法則參數(shù)(晶片數(shù)量和位置、角度、距離、聲速、工件厚度、探頭位置、聚集聲程或深度)等。

3.2.6 檢測區(qū)域覆蓋

根據(jù)聚焦法則的參數(shù)，用檢測設(shè)備中的模擬軟件進(jìn)行演示，調(diào)整探頭前端距焊縫邊緣的距離，使選用的檢測聲束覆蓋全部檢測區(qū)域，同時(shí)確定參考線的位置。

3.2.7 DAC曲線繪制

制作曲線前先設(shè)置和優(yōu)化檢測參數(shù)，包括基礎(chǔ)參數(shù)(工件厚度、聲程、聲速、顯示延遲及抑制)、激發(fā)參數(shù)(激發(fā)模式、脈沖寬度、激發(fā)等級及脈沖重復(fù)頻率)、接收參數(shù)(濾波器、低通濾波、高通濾波、檢波模式)、閘門激活(起點(diǎn)、門寬及門高)、激發(fā)晶片(激發(fā)數(shù)量、起始位置)。

使用DL-1型試塊,按DL/T820規(guī)定的方法制作DAC曲線，不同管壁厚度的DAC曲線靈敏度參照表2的規(guī)定。檢測時(shí)因管件表面耦合損失、材料

表2 DAC曲線的靈敏度

衰減和內(nèi)外壁曲率差別影響造成的傳輸損失應(yīng)進(jìn)行綜合補(bǔ)償。

3.2.8 檢測掃查方法

掃查靈敏度：在評定線靈敏度基礎(chǔ)上再增益6 dB。

掃查方式：采用手動線性掃查方式(采用編碼器記錄掃查位置)，可選擇單探頭或雙探頭配置。

掃描類型：使用扇形掃描方式。工件厚度在4～8 mm范圍的焊縫采用二、三次波分開設(shè)置進(jìn)行檢測，大于等于8 mm時(shí)采用一、二次波同時(shí)設(shè)置進(jìn)行檢測。

掃查步進(jìn)的設(shè)置：檢測前將系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)掃查步進(jìn)采集信號。

掃查圖像顯示：掃查數(shù)據(jù)以圖像形式顯示，可用A、S、B、C掃描顯示。在掃查數(shù)據(jù)的圖像中應(yīng)有編碼器掃查位置顯示。

掃查速度：控制掃查速度不大于規(guī)定的最大掃查速度，若掃查過快，會造成數(shù)據(jù)流失、無效。

3.2.9 缺陷的定量和評級

缺陷的定量：當(dāng)反射波位于Ⅱ區(qū)或Ⅱ區(qū)以上時(shí)，用定量線靈敏度測量缺陷的指示長度。當(dāng)反射波幅位于Ⅰ區(qū)時(shí)，用評定線靈敏度測量缺陷指示長度。缺陷指示長度I為：

(1)

式中：L為探頭左右移動距離, mm;R為管子半徑, mm;H為缺陷指示深度,mm。

缺陷的評定：評定為允許存在和不允許存在兩類缺陷。

不允許存在缺陷：① 性質(zhì)判定為裂紋、未熔合、未焊透及密集性缺陷；② 單個(gè)缺陷回波幅度大于等于DAC-6 dB；③ 單個(gè)缺陷回波幅度大于等于DAC-10 dB且指示長度大于5 mm。

允許存在的缺陷：單個(gè)缺陷回波幅度小于DAC-6 dB且指示長度小于或等于5 mm。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 模擬缺陷試樣的檢測

(1) 對壁厚小于8 mm的小徑鋼管模擬缺陷試樣進(jìn)行檢測，試樣相關(guān)參數(shù)和缺陷數(shù)據(jù)如表3所示。

采用單掃查器分別從A、B兩側(cè),二、三次波分開設(shè)置進(jìn)行單面雙側(cè)檢驗(yàn)，D4焊口二、三次波掃查數(shù)據(jù)分析缺陷如圖4，5所示。從圖4，5可以看出，使用二、三次波掃查，均能清晰顯示裂紋和未熔合圖像。

表3 壁厚小于8 mm鋼管的模擬缺陷試樣參數(shù)

圖3 模擬缺陷試樣D4焊縫底片影像

圖4 D4焊口二次波掃查數(shù)據(jù)分析缺陷示意

圖5 D4焊口三次波掃查數(shù)據(jù)分析缺陷示意

(2) 對壁厚大于8 mm的小徑鋼管模擬缺陷試樣進(jìn)行檢測，試樣相關(guān)參數(shù)和缺陷數(shù)據(jù)如表4所示。

采用單掃查器分別從A、B兩側(cè),采用一次波和二次波進(jìn)行單面雙側(cè)檢驗(yàn)，A5焊口缺陷分析過程如圖7，8所示。圖7為針對A5焊口群孔缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測得缺陷(群孔密集區(qū))長度11.3 mm。圖8為針對A5焊口裂紋缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測得缺陷長度5.7 mm。與射線檢測結(jié)果比對，相控陣檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的性質(zhì)、位置均與拍片結(jié)果相同。

圖6 模擬缺陷試樣A5焊縫底片影像

圖7 A5焊口群孔缺陷分析過程示意

圖8 A5焊口裂紋缺陷分析過程示意

4.2 工程部件的檢測

(1) 對分隔屏過熱器焊口進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)條狀氣孔缺陷，其工件參數(shù)如表5所示(SMAW表示手工電弧焊)。

表5 分隔屏過熱器小徑鋼管工件參數(shù)

焊口掃查過程中發(fā)現(xiàn)一長度3.4 mm、深度4.3 mm的缺陷顯示，F(xiàn)P1-406焊口缺陷分析過程及打磨缺陷示意如圖9所示，判定為一條狀缺陷。為驗(yàn)證檢測結(jié)果，現(xiàn)場打磨處理，打磨至深約4 mm時(shí)，清晰可見一條狀氣孔缺陷，長度約3 mm。

圖9 FP1-406焊口缺陷分析過程及打磨缺陷示意

(2) 對低溫再熱器懸吊管焊口進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)坡口未熔合缺陷,其工件參數(shù)如表6所示。

表6 低溫再熱器懸吊管小徑鋼管工件參數(shù)

焊口掃查過程中發(fā)現(xiàn)一長5.7 mm、深9.7 mm的缺陷顯示，DZX6-198焊口缺陷分析過程如圖10所示，判定為未熔合缺陷。焊口打磨處理至深10 mm時(shí)，清晰可見一坡口未熔合(見圖11)，缺陷位置、實(shí)測尺寸與檢測值相符。

圖10 DZX6-198焊口缺陷分析過程示意

圖11 DZX6-198焊口打磨發(fā)現(xiàn)缺陷示意

5 結(jié)語

對電力工程施工企業(yè)來說，采用相控陣超聲檢測方法對電站鍋爐小徑管進(jìn)行檢測，能夠滿足焊接缺陷檢出要求，實(shí)現(xiàn)檢測工作與安裝、焊接作業(yè)的同步進(jìn)行，用其替代射線檢測方法可降低安全管理風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地減少對施工工期的影響。

[1] 李衍.ASME標(biāo)準(zhǔn)新版中有關(guān)相控陣超聲成像檢測的要點(diǎn)分析 第一部分：兩種方法和要求[J].無損檢測，2015，37(7)，6-10.

[2] 鐘德煌，鄭攀中.便攜式相控陣探傷儀在焊縫超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用[J].無損檢測，2009，31(3)，233-235.

[3] GB/T 29302-2012 無損檢測儀器 相控陣超聲檢測系統(tǒng)的性能與檢驗(yàn)[S].

[4] 王維東，王亦民，孟倩倩,等.超超臨界鍋爐小徑管焊縫的超聲相控陣檢測[J].無損檢測，2015，37(12)，45-52.

[5] DL/T820-2002 管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程[S].

The Phased-array Ultrasonic Testing for Small-bore Steel Tubes of Boiler in Power Plant

DU Chuan-guo, GUO Xiang-ji, GU Xian-fang

(Shandong Electric Power Construction No.1 Company, Jinan 250100, China)

This article introduces the application background, test principles and technical characteristics of phased-array ultrasonic testing. Meanwhile, it summarizes the major methods and technical process of this kind of testing for small-bore steel tubes (25 mm≤φ≤89 mm), presenting some practical cases of defect-inspection. This article can also be used as a reference of successful application and promotion of phased-array ultrasonic testing for power plant project.

Ultrasonic phased-array testing; Small-bore steel tube; Method and process; Practical case; Detection result

2016-09-28

杜傳國(1971-),男，本科，高級工程師，主要從事電建行業(yè)焊接及金屬檢測技術(shù)管理工作。

杜傳國，E-mail: dcg@sepc01.com。

10.11973/wsjc201703017

TG115.28

B

1000-6656(2017)03-0069-05