王中亞

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

汽輪機(jī)焊接隔板的超聲相控陣檢測(cè)

王中亞

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

分析了汽輪機(jī)焊接隔板檢測(cè)時(shí)選擇超聲相控陣技術(shù)的原因，闡述了檢測(cè)工藝中關(guān)鍵參數(shù)的選取，并將制定的工藝應(yīng)用于某百萬(wàn)機(jī)組的在制隔板檢測(cè)。結(jié)果表明，所選擇的隔板超聲相控陣檢測(cè)工藝是可靠的；使用的工件加載系統(tǒng)的工件CAD圖形加載功能降低了缺陷識(shí)別難度，提高了工藝適用性和檢測(cè)效率，值得推廣。

百萬(wàn)機(jī)組；汽輪機(jī)；焊接隔板；超聲相控陣檢測(cè)

汽輪機(jī)焊接隔板因具有高強(qiáng)度和高剛度的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組中應(yīng)用廣泛。隔板在運(yùn)行過(guò)程中承受著巨大的級(jí)間壓差，若隔板主焊縫存在易導(dǎo)致開(kāi)裂或嚴(yán)重降低強(qiáng)度的超標(biāo)缺陷，則會(huì)給汽輪機(jī)的安全帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)。某電廠百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組曾發(fā)生一起隔板主焊縫脫開(kāi)導(dǎo)致整組隔板報(bào)廢的惡性事件，損失不可估量。由此，焊接隔板的質(zhì)量安全得到了發(fā)電集團(tuán)和企業(yè)的高度重視。鑒于隔板部件的特殊性，從源頭進(jìn)行質(zhì)量控制是最優(yōu)的方法，這就要求制造過(guò)程中隔板主焊縫能夠得到有效的無(wú)損評(píng)價(jià)。

超聲相控陣技術(shù)具有靈活變角和動(dòng)態(tài)聚焦的突出優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用于可達(dá)性較差的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)中[1-4]。將相控陣技術(shù)引入百萬(wàn)機(jī)組汽輪機(jī)焊接隔板的檢測(cè)理論上可行的，而目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)相關(guān)的研究文獻(xiàn)，因此在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面具有很高的研究?jī)r(jià)值。筆者闡明了選擇超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)汽輪機(jī)焊接隔板的原因，分析了焊接隔板的相控陣檢測(cè)工藝，并介紹了其對(duì)某發(fā)電企業(yè)百萬(wàn)機(jī)組在制隔板的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用效果。

1 超聲相控陣技術(shù)的選擇考量

焊接隔板是指將銑制或精密鑄造、模壓、冷拉的靜葉片嵌在沖有葉型孔槽的內(nèi)、外圍帶，焊成環(huán)形葉柵，然后再將其焊在隔板體和隔板外緣上之間，再組裝而成的隔板。筆者研究的圍帶式焊接隔板大致可分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種結(jié)構(gòu)，分別應(yīng)用于高壓級(jí)和低壓級(jí)隔板，圖1所示為其三維視圖和焊接坡口型式示例。其主焊縫材料為焊接性較差的CrMo鋼，焊接方法采用窄間隙焊、自動(dòng)MAG和手工MAG的組合焊接，焊接應(yīng)力較大，工藝控制程序比較復(fù)雜，焊接缺陷不可避免，故非常有必要采取有效的過(guò)程檢測(cè)方法對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，以保障產(chǎn)品的合格率。

圖1 焊接隔板結(jié)構(gòu)示例

隔板結(jié)構(gòu)變化大，主焊縫形狀窄而深，焊縫周邊存在靜葉、汽封槽、堆焊層等附屬結(jié)構(gòu)。綜合考慮工件的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，隔板主焊縫的首選檢測(cè)方法為超聲檢測(cè)(UT)。實(shí)施常規(guī)UT的局限性主要有以下幾個(gè)方面：① 聲束角度單一。隔板主焊縫為窄而深的狹長(zhǎng)型，從垂直入射的角度考慮，同一位置需要使用多個(gè)不同折射角的探頭。② 信號(hào)識(shí)別難。檢測(cè)面與焊縫走向并不平行或垂直，而是成一定角度，掃查深度隨探頭的移動(dòng)不斷變化，同時(shí)受葉根、鈍邊、邊緣等結(jié)構(gòu)干擾回波的影響，常規(guī)UT的A掃描信號(hào)難以識(shí)別。③ 掃查深度大，聲束擴(kuò)散大，能量衰減大，容易造成缺陷漏檢。④ 探頭移動(dòng)范圍大，工作量大。不難看出,采用常規(guī)方法可靠性低，效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，幾乎缺乏可操作性。與之相比，PAUT技術(shù)的聲束覆蓋范圍大，具有角度可調(diào)和動(dòng)態(tài)聚焦的特點(diǎn)，聲束可達(dá)性好，采集的多種顯示掃描圖像信息豐富，能夠較好地解決上述難題，特別適合于隔板主焊縫的檢測(cè)。

2 超聲相控陣檢測(cè)工藝要領(lǐng)

筆者僅對(duì)焊接隔板超聲相控陣檢測(cè)工藝中幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的選取作詳細(xì)闡述，而對(duì)諸如儀器選擇、聲速校準(zhǔn)、掃描范圍等常規(guī)通用設(shè)置和產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等均不贅述。

2.1 檢測(cè)面與探頭

檢測(cè)面與探頭的選擇主要與工件的結(jié)構(gòu)、尺寸和所要檢測(cè)的目標(biāo)缺陷相關(guān)。

Ⅰ型結(jié)構(gòu)隔板相對(duì)簡(jiǎn)單，選取內(nèi)外環(huán)面作為檢測(cè)面進(jìn)行縱波法檢測(cè)即可，見(jiàn)圖1(a)。探頭選擇32晶片以上的線陣探頭，考慮到探頭移動(dòng)范圍較大，推薦使用64晶片線陣探頭，不使用楔塊。試驗(yàn)選擇了多浦樂(lè)線陣5L64-1.0*10-B93相控陣探頭，其頻率為5 MHz，陣元尺寸(寬度X長(zhǎng)度)為0.95 mmX10 mm，陣元芯距為1 mm，陣元數(shù)為64。

Ⅱ型結(jié)構(gòu)隔板可選的檢測(cè)面有5個(gè)，以A、B、C、D、E標(biāo)示，見(jiàn)圖1(b)。A檢測(cè)面選用直探頭進(jìn)行縱波法檢測(cè)，B、C、D、E檢測(cè)面進(jìn)行橫波法檢測(cè)，推薦使用32晶片相控陣探頭，搭配45°～60°斜楔塊。試驗(yàn)選擇了多浦樂(lè)線陣5L32-0.5*10-D2相控陣探頭，頻率為5 MHz，陣元尺寸(寬度X長(zhǎng)度)為0.45 mmX10 mm，陣元芯距為0.5 mm，陣元數(shù)為32。

2.2 聚焦方式與聚焦深度

最常用的聚焦方式有線性掃查和扇形掃查兩種。線性掃查適合大表面的快速檢測(cè)，扇形掃查適合檢測(cè)幾何形狀復(fù)雜的工件。Ⅰ型結(jié)構(gòu)隔板的縱波法檢測(cè)推薦使用線性掃查，Ⅱ型結(jié)構(gòu)隔板的橫波法檢測(cè)則選擇扇形掃查。

聚焦深度設(shè)置要適當(dāng)，若缺陷位置與聚焦點(diǎn)偏離過(guò)大，檢測(cè)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致缺陷漏檢。隔板焊縫需要分區(qū)檢測(cè)，不同的區(qū)段要設(shè)置不同的聚焦深度，一般將聚焦點(diǎn)定位在區(qū)段的中間位置。

2.3 探頭布置與掃查方式

布置探頭的目標(biāo)是要盡量做到焊縫全范圍檢測(cè)，通常以聲束覆蓋模擬的方式來(lái)判斷探頭布置是否適當(dāng)。所謂聲束覆蓋模擬，是指對(duì)于給定的工件，在既定的檢測(cè)面上預(yù)置給定型號(hào)的檢測(cè)探頭及楔塊，設(shè)置適當(dāng)?shù)木劢狗▌t，觀察聲束對(duì)檢測(cè)區(qū)域的覆蓋情況。下面以Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫為例，說(shuō)明如何通過(guò)聲場(chǎng)覆蓋模擬來(lái)進(jìn)行探頭布置。

聲場(chǎng)覆蓋模擬通過(guò)超聲仿真軟件BEAMTOOLS 7.0實(shí)現(xiàn)，圖2表示在仿真軟件中模擬的探頭聲場(chǎng)覆蓋范圍。探頭放置在B檢測(cè)面，至少應(yīng)布置三組探頭，設(shè)置三組聚焦法則，方可使目標(biāo)焊縫區(qū)得到最大范圍的覆蓋。每個(gè)檢測(cè)面均要通過(guò)聲場(chǎng)覆蓋模擬來(lái)決定合適的探頭布置方式。

圖2 Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫聲場(chǎng)覆蓋模擬示意

相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集一般連接編碼器進(jìn)行，為方便檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集與記錄，隔板的掃查方式選擇周向掃查。

2.4 工件加載

隔板的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，缺陷信號(hào)的識(shí)別需要檢測(cè)人員具有很好的空間想象力、數(shù)據(jù)分析能力和豐富的經(jīng)驗(yàn)，這無(wú)疑增加了技術(shù)難度。課題組聯(lián)合儀器生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)了一套工件加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒐ぜ淖远xCAD圖形加載到檢測(cè)界面，圖3為增加了工件加載系統(tǒng)的檢測(cè)界面。

圖3 工件CAD圖形加載界面

工件加載系統(tǒng)能夠輔助進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，使得缺陷顯示直觀，降低了檢測(cè)信號(hào)識(shí)別難度，方便檢測(cè)人員進(jìn)行信號(hào)分析，一定程度上克服了常規(guī)A掃描和相控陣檢測(cè)復(fù)雜工件信號(hào)識(shí)別難度大的缺點(diǎn)。

2.5 檢測(cè)靈敏度

超聲相控陣檢測(cè)必須獲得滿意的、可予評(píng)定的圖像。所謂滿意的圖像，是指其應(yīng)滿足下列條件：耦合良好；時(shí)基調(diào)整準(zhǔn)確；靈敏度調(diào)整準(zhǔn)確；信噪比適當(dāng)；信號(hào)幅度適當(dāng)；數(shù)據(jù)采集適當(dāng)[5]。因此要獲得滿意的圖像，必須要設(shè)置適當(dāng)?shù)臋z測(cè)靈敏度。

縱波法檢測(cè)靈敏度的調(diào)整使用平底孔試塊，將同等深度的φ4 mm平底孔的最大反射波幅調(diào)整到滿屏的60%～80%作為檢測(cè)靈敏度。橫波法檢測(cè)靈敏度的調(diào)整使用橫孔試塊，檢測(cè)靈敏度不低于φ2 mm×40 mm+10 dB的評(píng)定線。試塊可自行設(shè)計(jì)或使用同等效能的對(duì)比試塊，如NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》規(guī)定的CSK-ⅡA試塊。

2.6 檢測(cè)盲區(qū)

對(duì)某些隔板焊縫來(lái)講，總是存在結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌穆暿鵁o(wú)法覆蓋或聲束入射偏角過(guò)大的區(qū)域，也就是檢測(cè)盲區(qū)。檢測(cè)人員在工藝制定時(shí)需要作出檢測(cè)盲區(qū)評(píng)價(jià)，通過(guò)綜合分析隔板焊縫的受力狀況，評(píng)判哪些檢測(cè)盲區(qū)對(duì)隔板強(qiáng)度的影響是輕微的和可接受的，然后適當(dāng)?shù)貎?yōu)化檢測(cè)工藝。

以Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫(見(jiàn)圖4)為例，檢測(cè)盲區(qū)可以通過(guò)聲場(chǎng)覆蓋模擬進(jìn)行近似估算。對(duì)于與坡口面平行的面積型缺陷，需要有角度合適的垂直入射聲束才能發(fā)現(xiàn)；結(jié)合上述五個(gè)探頭的位置及聲束角度參數(shù)，最終估算出距焊縫下表面約0～27.5 mm深度范圍為檢測(cè)盲區(qū)。此區(qū)域不是焊縫的主要受力區(qū)，且最終成形加工后會(huì)去除部分邊緣焊縫，因此是可接受的。

圖4 Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫檢測(cè)盲區(qū)示意

值得一提的是，隔板焊縫存在鈍邊，采用的焊接工藝難以保證鈍邊上下各10 mm范圍內(nèi)熔透,是一個(gè)天然的未焊透結(jié)構(gòu)。由強(qiáng)度計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鈍邊區(qū)是可接受的。盡管鈍邊區(qū)域是掃查聲束可以覆蓋的，但其內(nèi)的缺陷不予評(píng)判，因此也可以看作是檢測(cè)盲區(qū)。

3 超聲相控陣檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用

依據(jù)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用制定的檢測(cè)工藝，對(duì)某發(fā)電企業(yè)百萬(wàn)機(jī)組的74塊在制高中低壓隔板進(jìn)行了焊后超聲相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中11塊存在超標(biāo)缺陷，28塊存在記錄性缺陷。對(duì)存在超標(biāo)缺陷的11塊隔板實(shí)施挖補(bǔ)處理，缺陷均得到確定，返修后再次檢測(cè)未見(jiàn)缺陷信號(hào)，表明采用的隔板檢測(cè)工藝是可靠的，適合用于焊接隔板的檢測(cè)。

圖5為對(duì)某高中壓隔板內(nèi)外環(huán)進(jìn)行縱波檢測(cè)的B掃和C掃圖像。左側(cè)圖顯示的坡口未熔合位于近探頭側(cè)，底波降低，表明未熔合面積較大；右側(cè)圖顯示了未熔合和夾渣兩種缺陷，夾渣位于焊縫中間。

圖5 某高中壓隔板坡口未熔合和夾渣的B掃和C掃顯示

圖6為對(duì)某低壓隔板進(jìn)行橫波檢測(cè)的S掃、C掃及A掃圖像。由于尺寸偏差，工件圖形有一定偏移，但并不影響數(shù)據(jù)的有效性。圖6中的夾渣在S掃圖像中清晰可辨，在C掃圖像中被結(jié)構(gòu)波掩蓋。低壓隔板的結(jié)構(gòu)波是由鈍邊或葉根底面引起的，會(huì)隨著探頭的移動(dòng)而規(guī)律出現(xiàn)，應(yīng)注意識(shí)別。

工件CAD圖形加載功能的應(yīng)用使得缺陷信號(hào)的識(shí)別變得容易，顯示直觀，提高了工藝的適用性和

圖6 某低壓隔板夾渣的三種掃描顯示(A掃+S掃+C掃)

檢測(cè)效率，值得推廣。但需注意S掃縱、橫坐標(biāo)的校準(zhǔn)和工件CAD圖形加載切入點(diǎn)。

4 結(jié)論

在合理制定檢測(cè)工藝的前提下，超聲相控陣技術(shù)是適用于汽輪機(jī)焊接隔板的檢測(cè)方法。應(yīng)用情況表明，所研究的隔板超聲相控陣檢測(cè)工藝是可靠的；使用的工件加載系統(tǒng)的工件CAD圖形加載功能降低了缺陷識(shí)別難度，提高了工藝適用性和檢測(cè)效率，值得推廣。

[1] 于達(dá)，龍華明，孫亞娟，等.小直徑管管座角焊縫相控陣檢測(cè)探究[J].焊管，2015，38(8)：16-23.

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Ultrasonic Phased Array Inspection for Turbine Welded Diaphragm

WANG Zhong-ya

(Eastern China Branch, China Datang Corporation Science and Technological Research Institute Co., Ltd., Hefei 230088, China)

This article reasons the selection of ultrasonic phased array inspection technology for turbine welded diaphragm. How to determine the key process parameters is expounded and the designed process is applied to the inspection in manufacturing process of diaphragms of a 1000MW class power unit. The results show that ultrasonic phased array inspection process for welded diaphragm is reliable. The workpiece CAD loading function of workpiece loading system reduces the difficulty of defect signal recognition, improves the suitability and the detecting efficiency, which is worthy to be popularized.

1 000 MW class power unit； Turbine； Welded diaphragm； Ultrasonic phased array testing

2016-06-18

王中亞(1986-),男，碩士，工程師，主要從事電力行業(yè)無(wú)損檢測(cè)工藝及仿真技術(shù)的研究。

王中亞，E-mail: wzylyqwny@163.com。

10.11973/wsjc201704012

TG115.28

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1000-6656(2017)04-0060-04