李兆祥，朱偉勝

(華能羅源發(fā)電有限責(zé)任公司，福建福州，350000)

華能羅源項(xiàng)目一期工程建設(shè)兩臺(tái)660MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)的塔式爐，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:鍋爐最大蒸發(fā)量為 1929.1t/h，主蒸汽壓力為29.3MPa、溫度為605℃，再熱蒸汽壓力為5.38MPa、溫度為623℃。鍋爐整個(gè)受熱面是通過(guò)一級(jí)過(guò)熱器的懸吊管懸掛在爐頂大板梁上，懸吊管使用φ51×10.5mm、材質(zhì)為SA－213T91的無(wú)縫鋼管，焊接質(zhì)量的好壞直接影響機(jī)組安全運(yùn)行和使用壽命。鑒于T91鋼可焊性較差以及爐膛內(nèi)空間狹小，焊接過(guò)程中極易出現(xiàn)焊接缺陷。按照火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程要求，懸吊管焊縫需進(jìn)行100%射線檢測(cè)，但其存在一定的漏檢率，尤其對(duì)裂紋、未熔合等面積型缺陷檢出率低［1－2］。而面積型缺陷在高溫高壓作用下極易擴(kuò)展，造成焊縫開(kāi)裂出現(xiàn)泄漏，嚴(yán)重威脅鍋爐的安全運(yùn)行。因此，提高懸吊管焊縫檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免超標(biāo)缺陷的遺漏，對(duì)確保鍋爐長(zhǎng)周期運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。相控陣技術(shù)以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能引起人們的廣泛關(guān)注，逐步應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域［3－4］。劉恩凱等［5］研究了相控陣檢測(cè)代替射線檢測(cè)在核電設(shè)備上的可行性，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測(cè)無(wú)論是在缺陷檢出率還是缺陷的測(cè)長(zhǎng)方面都優(yōu)于常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)，而且能夠準(zhǔn)確測(cè)量出缺陷在焊縫中的深度。目前，相控陣檢測(cè)技術(shù)在電站鍋爐現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫上的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，有必要研究相控陣技術(shù)在鍋爐管道焊縫檢測(cè)的可行性，以期為相控陣檢測(cè)在工程上的應(yīng)用提供參考。

1 相控陣檢測(cè)原理

相控陣成像是通過(guò)借助陣列換能器對(duì)各個(gè)陣元發(fā)出超聲波的激發(fā)時(shí)間施加一定的延遲，從而改變各個(gè)陣元發(fā)射(或接受)聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描并顯示出缺陷的位置、高度、形狀等，原理如圖1所示［6－7］。相控陣檢測(cè)可進(jìn)行線形掃描、扇形掃描以及體掃描成像，但它們成像顯示均由接收到的超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)。

圖1 相控陣聲束的形成、偏轉(zhuǎn)和聚焦Fig.1 Formation，deflection and focus of phased array acoustic beam

扇掃的成像機(jī)理是相控陣換能器的各個(gè)陣元按一定規(guī)律延時(shí)發(fā)射子波，它們?cè)诳臻g疊加后形成具有一定偏轉(zhuǎn)角度的聲束波陣面，在被探測(cè)材料一定范圍內(nèi)呈扇形分布，利用此扇形波束對(duì)被探測(cè)材料進(jìn)行缺陷掃查［8－9］，懸吊管焊縫的掃描示意如圖2所示。另外，由于塔式爐布置緊湊，爐膛內(nèi)管排間間距小，給無(wú)損檢測(cè)人員的操作帶來(lái)限制，為了能夠縮短檢測(cè)周期，現(xiàn)場(chǎng)選用扇形掃描對(duì)懸吊管焊縫進(jìn)行檢測(cè)成像，可以在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下，實(shí)現(xiàn)較大角度范圍的快速掃查。

圖2 焊縫扇形掃描示意圖Fig.2 Schematic diagram of S－scanning

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣與儀器

試樣為華能羅源一期工程#2爐內(nèi)懸吊管SA－213T91鋼焊縫，數(shù)量達(dá)5280道，焊縫規(guī)格為φ51×10.5mm，采用 V 型坡口，對(duì)口間隙為 2～3mm，坡口角度為 60～70°，鈍邊為 1～1.5mm。焊接熱處理規(guī)范如下:焊接前預(yù)熱溫度為150～200℃，焊接后處理升溫速度不大于150℃/h;采用全氬弧焊，焊絲為φ2.4mm的MTS3，在打底焊時(shí)內(nèi)部進(jìn)行氬氣保護(hù)。在焊后24h內(nèi)進(jìn)行熱處理，溫度為760℃，恒溫時(shí)間為60min，然后以不大于150℃/h的速度降溫冷卻。另外，T91鋼焊縫是在外觀檢查和射線檢測(cè)合格基礎(chǔ)上，使用相控陣檢測(cè)對(duì)其進(jìn)行復(fù)檢，以驗(yàn)證相控陣技術(shù)在電站鍋爐現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫上應(yīng)用的可行性。

試驗(yàn)儀器采用以色列Sonotron NDT公司生產(chǎn)的ISONIC 2010型便攜式多功能相控陣探傷儀。該儀器共有32個(gè)物理通道，能夠支持16/32/64/128陣元探頭，具備扇掃和線掃兩種掃描方式。試驗(yàn)采用扇掃方式對(duì)鍋爐懸吊管焊縫進(jìn)行檢測(cè)，所用相控陣探頭是16個(gè)晶片線性陣列探頭，晶片間距為0.5mm，探頭頻率為7.5MHz，楔塊角度為36°。

2.2 參數(shù)設(shè)置

相控陣扇形掃描能夠?qū)φ麄€(gè)焊縫截面進(jìn)行檢測(cè)，相當(dāng)于常規(guī)超聲檢測(cè)中使用不同的角度探頭對(duì)焊縫截面進(jìn)行掃查。為了能準(zhǔn)確顯示出缺陷深度給焊縫返修提供依據(jù)，檢測(cè)前應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行深度標(biāo)定，以確保設(shè)置參數(shù)的準(zhǔn)確性。為此，在規(guī)格為φ51×10.5mm 的 SA－213 T91鋼的對(duì)接焊縫中預(yù)置夾渣缺陷，其在距離表面約6mm處，采用一次反射和二次反射對(duì)T91鋼焊縫進(jìn)行掃描。調(diào)節(jié)儀器中橫波聲速為2337m/s，扇形掃查范圍35～75°，探頭前沿為10mm。另外，由于被探管子表面粗糙度會(huì)影響探頭和接觸面耦合效果，使探傷靈敏度降低，因此根據(jù)懸吊管的表面粗糙度增加2dB耦合補(bǔ)償。圖3顯示了預(yù)置夾渣缺陷的T91鋼焊縫相控陣成像結(jié)果，圖中顯示缺陷的中心離管子表面距離，即缺陷深度為6.5mm。檢測(cè)結(jié)果與預(yù)置缺陷的實(shí)際情況吻合較好，此設(shè)置的掃描參數(shù)可以用于T91鋼焊縫的檢測(cè)。

圖3 預(yù)置缺陷焊縫的相控陣成像圖Fig.3 Phased array image of pre－existing defect in weld seam

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)#2鍋爐懸吊管5280道焊縫使用相控陣進(jìn)行復(fù)檢，每道焊縫可在5～8min內(nèi)完成內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)及評(píng)價(jià)。而射線檢測(cè)的流程繁瑣，不僅要現(xiàn)場(chǎng)拍片，還需暗室處理以及后續(xù)評(píng)片，整個(gè)過(guò)程大約需要25～30min。如果現(xiàn)場(chǎng)透照操作或暗室處理不當(dāng)，直接影響底片的質(zhì)量，給缺陷的評(píng)判帶來(lái)干擾甚至導(dǎo)致誤判。一旦底片不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，就需要重新拍照，既浪費(fèi)了大量人力、物力，又耽誤工程進(jìn)度。另外，相控陣檢測(cè)無(wú)需輻射防護(hù)，檢測(cè)區(qū)域允許交叉作業(yè)，這樣也可縮短工程周期，提高工作效率。在成像方面，相控陣扇掃圖像是二維圖，能直觀地顯示出缺陷的長(zhǎng)度、埋藏深度及自身高度，而射線底片是缺陷的平面投影，只顯示缺陷長(zhǎng)度，無(wú)法測(cè)定埋藏深度及自身高度。在費(fèi)用方面，相控陣技術(shù)極大提高了檢測(cè)效率，有效降低了成本，此外射線檢測(cè)所用耗材(底片、處理液、鉛薄)較多，因此相控陣檢測(cè)在此方面也具有優(yōu)勢(shì)。綜上可知，相控陣檢測(cè)比射線檢測(cè)效率高、精度高且成本低。

在整個(gè)復(fù)查過(guò)程中，共發(fā)現(xiàn)53道焊縫存在超標(biāo)缺陷被遺漏。為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別對(duì)編號(hào)為CAC－8、CAA－277和CAB－4焊縫超標(biāo)缺陷處采用機(jī)械打磨、專(zhuān)人觀察、逐層滲透檢測(cè)的方式進(jìn)行解剖。

編號(hào)為CAC－8焊縫缺陷處的成像結(jié)果，如圖4所示。由圖可知，入射角度63°、靈敏度47dB、缺陷波高DAC+8.6dB、缺陷深度6.5mm和缺陷長(zhǎng)度5.0mm。使用砂輪機(jī)對(duì)缺陷處焊縫進(jìn)行解剖，打磨約6mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)一處長(zhǎng)度為4.6mm左右的夾渣，見(jiàn)圖5。

圖4 相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的顯示Fig.4 The display of the defects found by phased array detection

圖5 缺陷解剖照片F(xiàn)ig.5 The detect dissection photograph

編號(hào)為CAA－277焊縫缺陷處的成像結(jié)果，如圖6所示。由圖可知，入射角度57°、靈敏度48.5dB、缺陷波高DAC+13dB、缺陷深度為4.7mm和缺陷長(zhǎng)度為6.5mm。使用砂輪機(jī)對(duì)缺陷處焊縫進(jìn)行打磨去除，打磨約4.5mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)一處長(zhǎng)度為6.1mm左右的裂紋，見(jiàn)圖7。

圖6 相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的顯示Fig.6 The display of the defects found by phased array detection

圖7 缺陷解剖照片F(xiàn)ig.7 The detect dissection photograph

編號(hào)為CAB－4焊縫缺陷處的成像結(jié)果，如圖8所示。由圖可知，入射角度60.5°、靈敏度55dB、缺陷波高DAC+3.6dB、缺陷深度為4.9mm和缺陷長(zhǎng)度為2.1mm。使用砂輪機(jī)對(duì)缺陷處焊縫進(jìn)行解剖，打磨約4.5mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)一處長(zhǎng)度為1.7mm左右的氣孔，見(jiàn)圖9。

3.2 試驗(yàn)分析

圖8 相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的顯示Fig.8 The display of the defects found by phased array detection

圖9 缺陷解剖照片F(xiàn)ig.9 The detect dissection photograph

試驗(yàn)結(jié)果表明，相控陣檢測(cè)結(jié)果與缺陷的實(shí)際情況吻合較好，準(zhǔn)確的缺陷定位給焊縫返修工作帶來(lái)了便利。相控陣檢測(cè)之所以準(zhǔn)確是因?yàn)樗臏y(cè)量以缺陷反射波幅的大小為基礎(chǔ)，并利用編碼器測(cè)量缺陷的弧長(zhǎng)。而射線檢測(cè)因無(wú)法分清缺陷是處于膠片側(cè)還是射源側(cè)，一般采取整圈打磨去除，增加了返修工作量，延長(zhǎng)工程周期。另外，還發(fā)現(xiàn)射線檢測(cè)遺漏的缺陷不僅有面積型缺陷，還包括體積型缺陷。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為射線漏檢主要與透照工藝、缺陷自身形態(tài)、工件幾何尺寸等因素有關(guān)。查閱CAC－8焊縫的射線底片10(a)，缺陷影像顯示為形狀不規(guī)則、邊緣不整齊的暗黑色斑點(diǎn)，此為夾渣的典型特征，測(cè)量缺陷長(zhǎng)徑約為3.5mm。依照《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分:射線檢測(cè)》第6.1條規(guī)定，長(zhǎng)徑為3.5mm的圓形缺陷換算成點(diǎn)數(shù)為6個(gè)，焊接接頭質(zhì)量評(píng)為Ⅱ級(jí)，焊縫質(zhì)量合格。而該缺陷解剖后的實(shí)際長(zhǎng)度為4.6mm，換算成點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，焊接接頭質(zhì)量評(píng)為Ⅲ級(jí)，焊縫質(zhì)量不合格。由此可見(jiàn)，底片上所顯示的缺陷長(zhǎng)度比實(shí)際偏小會(huì)引起誤判，給機(jī)組帶來(lái)安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。射線檢測(cè)是以缺陷與周?chē)覆闹g的對(duì)比度差異為基礎(chǔ)，直接反映缺陷實(shí)際尺寸，但是對(duì)比度較差的區(qū)域，在底片上反映不出實(shí)際缺陷的存在，導(dǎo)致了射線所測(cè)得的缺陷長(zhǎng)度比其實(shí)際長(zhǎng)度偏小［5］。除此之外，射線檢測(cè)測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度僅是弦長(zhǎng)而非弧長(zhǎng)，這對(duì)射線測(cè)量精度也有影響。同樣，查閱CAA－277焊縫的射線底片10(b)，未發(fā)現(xiàn)裂紋的相關(guān)顯示。而相控陣檢測(cè)顯示缺陷長(zhǎng)度為6.5mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打磨處理后發(fā)現(xiàn)缺陷形態(tài)判斷為縱向裂紋。對(duì)于環(huán)向焊縫，采用雙壁雙影透照時(shí)，為使上下焊縫的影像能在底片上區(qū)分開(kāi)，需要采用一定的角度。雖然裂紋類(lèi)的缺陷可檢出性受多方面因素的影響，如裂紋走向、裂紋開(kāi)口寬度以及裂紋長(zhǎng)度等，但射線透照角θ對(duì)裂紋可檢出性的影響無(wú)疑是最直接和可控的。文獻(xiàn)［11］指出裂紋檢出率隨射線透照角θ的增大而減小，當(dāng)θ在10°以下時(shí)，底片上裂紋影像清晰，可識(shí)別度高;當(dāng)角度θ超過(guò)15°后，底片上裂紋影像已比較模糊，裂紋的檢出率顯著降低。鑒于縱向裂紋對(duì)透照角度較為敏感，若角度控制稍有不當(dāng)，極易引起漏檢，因此認(rèn)為本次漏檢主要是由于透照角度過(guò)大造成的。此外，查閱CAB－4焊縫的射線底片10(c)，也未發(fā)現(xiàn)氣孔的影像，但底片黑度偏大，盡管黑度值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。由于底片黑度對(duì)缺陷的檢出率有顯著影響，這可能是造成氣孔漏檢的重要原因。綜上所述，相控陣檢測(cè)代替射線檢測(cè)用于鍋爐管道現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)是可行的。

圖10 懸吊管射線底片F(xiàn)ig.10 The X－ray films of the suspension pipe

4 結(jié)論

(1)相控陣檢測(cè)能發(fā)現(xiàn)射線檢測(cè)遺漏的缺陷，且能直觀地顯示出缺陷的尺寸和位置，準(zhǔn)確的缺陷定位給焊口返修帶來(lái)便利。

(2)相控陣扇形掃描檢測(cè)可以在5～8min內(nèi)完成對(duì)小徑管焊縫內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)及評(píng)價(jià)，而射線檢測(cè)的流程繁瑣，檢測(cè)效率明顯低于相控陣檢測(cè)。另外，相控陣檢測(cè)無(wú)需輻射防護(hù)，檢測(cè)區(qū)域允許交叉作業(yè)，這樣可以縮短工程周期，節(jié)約工程造價(jià)。此外，相控陣檢測(cè)所用耗材也較少，可有效降低工程成本。

(3)選擇合適的設(shè)備及檢測(cè)參數(shù)，采用相控陣檢測(cè)代替射線檢測(cè)用于鍋爐管道現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)是可行的。

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