，，

(中國(guó)電建集團(tuán)河南工程公司， 鄭州 450000)

在電站鍋爐的安裝和檢修中，小徑管的安裝和焊接在整個(gè)工作量中占有很大比例，以1 000 MW機(jī)組為例，小徑管的安裝數(shù)量一般是5～7萬(wàn)只。對(duì)這些鍋爐的小徑管來說，現(xiàn)在的檢測(cè)方法一般以射線檢測(cè)為主，超聲檢測(cè)為輔[1]。由于工作環(huán)境和條件的影響，射線檢測(cè)具有一定的局限性,即會(huì)產(chǎn)生電離輻射，對(duì)人體和周圍環(huán)境造成危害且檢測(cè)周期長(zhǎng)；對(duì)電站鍋爐小徑管對(duì)接焊縫一般采用雙壁雙影橢圓成像方法，為了提高透照的寬容度，常采用較高的射線能量，加之現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管排空間的限制，透照焦距有時(shí)候只有300 mm左右，導(dǎo)致缺陷檢出率低(尤其是對(duì)危害性最嚴(yán)重的裂紋常發(fā)生漏檢現(xiàn)象)[2]。超聲波相控陣技術(shù)是較為新型的無損檢測(cè)技術(shù)，是一種重要的定量檢測(cè)手段，其能夠更為直接地描述焊接構(gòu)件里的缺陷分布，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。探索可靠的、準(zhǔn)確的小徑管對(duì)接接頭超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和工藝 ，并替代射線檢測(cè)， 不僅能保證人體和周圍環(huán)境的安全，更對(duì)保證電站鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義[3]。

筆者根據(jù)電站鍋爐小徑管常見的缺陷分布形式和特征，對(duì)自然缺陷和人工模擬缺陷進(jìn)行射線檢測(cè)和相控陣檢測(cè)，以此來驗(yàn)證小徑管對(duì)接接頭檢測(cè)中，相控陣檢測(cè)方法代替射線檢測(cè)方法的可能性。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 檢測(cè)方法的原理及特點(diǎn)

射線檢測(cè)對(duì)體積型缺陷(氣孔、夾渣)的檢出率較高，但很難確定缺陷的深度位置，尤其難以判定黑度較深的圓形缺陷或長(zhǎng)條尾巴的圓形缺陷的真實(shí)深度；采用小徑管雙壁雙影橢圓成像法，在橢圓投影時(shí)，易在焊縫兩側(cè)透照厚度差過大處形成死區(qū)，造成缺陷漏檢。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種多聲束掃描成像技術(shù)，其所采用的探頭是由多個(gè)晶片組成的換能器陣列，每個(gè)晶片成為一個(gè)單元;檢測(cè)時(shí)，用電子系統(tǒng)按一定的規(guī)則和時(shí)序控制激發(fā)各個(gè)單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加，形成一個(gè)新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按照一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)?shù)男问斤@示出來。

使用相控陣檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果可以直觀顯示，除了傳統(tǒng)的A型顯示外，還具有B型顯示，即對(duì)接焊接接頭長(zhǎng)度方向的縱截面顯示。C型顯示，為被檢對(duì)接接頭在厚度方向上的投影顯示。S型顯示，為被檢對(duì)接接頭在聲束截面上的投影顯示。綜合這幾種顯示方式，可為缺陷的準(zhǔn)確定位、定性、定量檢測(cè)提供有利條件[4]。

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)參照公司承建的項(xiàng)目大唐鞏義“上大壓小”新建工程2×660 MW機(jī)組和周口隆達(dá)發(fā)電有限責(zé)任公司2×660 MW擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)安裝小徑管的材料和規(guī)格，制備試樣。試樣管對(duì)接接頭中存在裂紋、圓形缺陷、條形缺陷、未熔合、未焊透等焊接缺陷。試樣管均采用和工程安裝同樣的焊接工藝：V型坡口，鎢極氬弧焊及手工電弧焊。

試樣管的具體參數(shù)如表1所示。

表1 試樣管參數(shù)

注：規(guī)格為外徑×壁厚

1.2.1 射線檢測(cè)

按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》對(duì)小徑管試樣進(jìn)行了雙壁雙影傾斜透照橢圓成像，試驗(yàn)采用XXG-2505型射線機(jī)，AgFa C7膠片，曝光量為15 mA·min,焦距F為600 mm,底片黑度為2.0～4.5[5]。

1.2.2 相控陣檢測(cè)

采用ISONIC 2010 相控陣檢測(cè)儀，其是一種便攜式多功能超聲相控陣成像檢測(cè)系統(tǒng)，具有相控陣、單/多通道常規(guī)超聲A超、B掃等功能，可實(shí)現(xiàn)A超、B掃描、C掃描、三維及3D成像，便于缺陷判讀。試驗(yàn)選用的探頭型號(hào)為Snotron NDT 7.5S16-0.5×10 CGB322，頻率為7.5 MHz，晶片數(shù)量為16。楔塊選用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)該小于0.5 mm。試驗(yàn)時(shí)在楔塊和探頭間涂抹耦合劑[6]。

對(duì)小徑管對(duì)接焊接接頭進(jìn)行相控陣超聲扇形掃查，應(yīng)正確選擇探頭前端至焊縫掃查側(cè)邊緣的距離，保證扇形掃查中大角度聲束(一次波)覆蓋焊縫下部及熱影響區(qū)， 小角度聲束(二次波)覆蓋焊縫上部及熱影響區(qū)，以達(dá)到對(duì)焊接接頭100%的檢測(cè)。在掃查中，對(duì)于一次波和二次波一次掃查不能全部覆蓋的情況，應(yīng)進(jìn)行一次波和二次波分開單獨(dú)掃描。對(duì)小徑管試樣管對(duì)接接頭，在相控陣檢測(cè)儀掃查設(shè)置界面進(jìn)行扇形掃查范圍設(shè)置，通過設(shè)置焊縫參數(shù)，顯示聲束在焊縫截面及不同角度的覆蓋情況，以此來確定合適的掃查角度、探頭距離。圖1為相控陣扇形檢測(cè)掃查聲束對(duì)焊縫的覆蓋設(shè)置。由圖1可見，管壁厚度為8 mm,焊縫寬度為12 mm，V 型坡口，表面余高為2 mm,坡口間隙為2 mm，扇形掃查為35°～ 75°。由圖1可見， 探頭前沿距焊縫掃查側(cè)邊緣3 mm時(shí)， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該焊縫及熱影響區(qū)的100%檢測(cè)。

圖1 相控陣扇形檢測(cè)掃查聲束對(duì)焊縫的覆蓋設(shè)置

2 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

按照以上工藝參數(shù)以及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程對(duì)14個(gè)試樣管分別進(jìn)行射線檢測(cè)和超聲相控陣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

從表2可看出，相控陣檢測(cè)可以檢測(cè)出缺陷的埋藏深度及自身高度，而射線底片只能顯示缺陷的平面投影；對(duì)于缺陷性質(zhì)的判定，射線檢測(cè)要優(yōu)于超聲相控陣檢測(cè)。下面選擇幾個(gè)含代表性缺陷的試樣管進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 試樣管的相控陣檢測(cè)和射線檢測(cè)結(jié)果

2.1 裂紋缺陷

試樣管編號(hào)：YG16，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ51 mm×8 mm，其材料為12Cr1MoVG。經(jīng)射線檢測(cè)，在YG16試樣管的底片上發(fā)現(xiàn)有兩處裂紋缺陷，如圖2所示。

相控陣檢測(cè)采用扇形掃描，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到的缺陷結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，其存在4處缺陷，均評(píng)定為裂紋。

圖2 YG16試樣管的射線檢測(cè)底片 (裂紋)

圖3 YG16試樣管的相控陣扇形掃查缺陷數(shù)據(jù)分析

通過相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)缺陷進(jìn)行分析，裂紋1的A超掃描結(jié)果如圖 4所示，其深度為0.7 mm，波幅>130%,對(duì)其余3個(gè)缺陷同樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到表3。

圖4 YG16試樣管上裂紋1的A超掃描結(jié)果

表3 YG16試樣管的相控陣檢測(cè)裂紋缺陷特征參數(shù)

小結(jié):對(duì)于焊縫中的裂紋，射線檢測(cè)和相控陣檢測(cè)都能很容易地檢測(cè)出來。但是對(duì)于熔合線處的裂紋，射線檢測(cè)橢圓透照很難發(fā)現(xiàn)，而相控陣無需做特殊工藝就很容易檢出。

2.2 條形缺陷

試樣管編號(hào)：YG15，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ51 mm×8 mm，材料為12Cr1MoVG。射線檢測(cè)底片上的缺陷顯示為條孔缺陷，經(jīng)評(píng)片尺測(cè)量其長(zhǎng)度為6 mm,寬度為1.5 mm，如圖5 所示。

圖5 YG15試樣管的射線檢測(cè)底片(條孔)

圖6 YG15試樣管的相控陣扇形掃查缺陷數(shù)據(jù)分析

圖7 YG15試樣管上條孔的A超掃描結(jié)果

該樣管的相控陣扇形掃查缺陷數(shù)據(jù)分析如圖6所示，經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件測(cè)量，得到缺陷長(zhǎng)度為6.9 mm，寬度為2.2 mm,高度為2.8 mm,最大反射波處顯示深度為5.6 mm，最大波幅71.6%，其A超掃描結(jié)果如圖7所示。

小結(jié)：對(duì)于條形缺陷，射線檢測(cè)和相控陣檢測(cè)都能很容易地檢測(cè)出來，射線檢測(cè)可以清晰地將缺陷的投影顯示在底片上，相控陣檢測(cè)也可以將缺陷以數(shù)據(jù)的形式記錄下來，并能對(duì)缺陷的空間位置進(jìn)行分析。

2.3 未熔合缺陷

試樣管編號(hào)：YG5，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ60 mm×6 mm，材料為20G鋼。從射線檢測(cè)底片上，發(fā)現(xiàn)在10點(diǎn)鐘～12點(diǎn)鐘間的位置處有未熔合缺陷。經(jīng)評(píng)片尺測(cè)量，該未熔合缺陷長(zhǎng)度為15 mm，射線檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。對(duì)其進(jìn)行相控陣檢測(cè)，測(cè)得其長(zhǎng)度為16 mm,深度為5.0 mm,波幅為102.5%,其相控陣扇形掃查數(shù)據(jù)分析及A超掃描結(jié)果見圖9和圖10。

圖8 YG5試樣管的射線檢測(cè)底片(未熔合)

圖9 YG5試樣管的相控陣扇形掃查缺陷數(shù)據(jù)分析

圖10 YG5試樣管上未熔合缺陷的A超掃描結(jié)果

小結(jié):對(duì)于未熔合缺陷，射線檢測(cè)和相控陣檢測(cè)都能很好地檢測(cè)出來，缺陷的指示長(zhǎng)度和位置基本上一致。

3 結(jié)論

(1) 相控陣檢測(cè)技術(shù)在小徑管對(duì)接接頭的檢測(cè)中，無論是在缺陷檢出率，還是在缺陷測(cè)長(zhǎng)方面都優(yōu)于常規(guī)射線檢測(cè)。射線檢測(cè)對(duì)容易擴(kuò)展的面積型缺陷，如未熔合、裂紋等可能會(huì)產(chǎn)生漏檢。

(2) 在小徑管的檢測(cè)過程中，相控陣檢測(cè)技術(shù)不但可以確定缺陷在焊縫的空間位置，還可通過模擬焊縫的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸的方式，測(cè)量其埋藏深度和自身高度。

(3) 電站鍋爐在安裝建設(shè)工程中采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，無需考慮射線防護(hù)的成本，能夠保證檢測(cè)質(zhì)量、節(jié)約檢測(cè)成本、縮短檢測(cè)工期，無論是經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益都優(yōu)于射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景和較大的推廣價(jià)值。通過選擇合理的設(shè)備和檢測(cè)工藝參數(shù)，采用相控陣檢測(cè)取代射線檢測(cè)還是有很大的可能性。

(4) 目前在電站鍋爐的安裝過程中，相控陣檢測(cè)的運(yùn)用還很少，主要面臨的問題有：缺陷定性和缺陷評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)還不完善；扇形掃描后的數(shù)據(jù)處理過程中，在偽缺陷識(shí)別以及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確判定等方面仍存在誤差。

參考文獻(xiàn):

[1] 杜傳國(guó),郭相吉,顧顯方.電站鍋爐小徑鋼管的超聲相控陣檢測(cè)[J]. 無損檢測(cè),2017,39(3):69-73.

[2] 李陽(yáng),唐創(chuàng)基,李男. 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 無損檢測(cè),2013,35(09):41-44.

[3] 趙曉鑫,王伏喜,鄂楠,等. 相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)的缺陷識(shí)別對(duì)比[J]. 無損檢測(cè),2016,38(1):41-43.

[4] 王悅民，李衍，陳和坤.超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014.

[5] NB/T 47013-2015 承壓設(shè)備無損檢測(cè)[S].

[6] GB/T 32563 -2016 無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法[S].