姜盼盼 蓋紅德 王繼強 李常山 宋建春

（1.山東電力建設(shè)第三工程有限公司 青島 266000）

（2.山東特種設(shè)備檢驗研究院有限公司 濟南 250101）

（3.華電萊州發(fā)電有限公司 煙臺 261441 ）

華電萊州發(fā)電有限公司二期工程擴建2×1000MW機組工程鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、直流爐、單爐膛、二次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、單切圓燃燒方式塔式爐，鍋爐型號為：SG-2717/33.42-M7052，其主要設(shè)計參數(shù)為：主蒸汽壓力 33.42MPa、溫度605℃、過熱蒸汽流量2717t/h、二次再熱蒸汽壓力 3.23MPa、溫度623℃、再熱蒸汽流量2069t/h。

塔式鍋爐焊口數(shù)量多、焊接工藝復(fù)雜，并且二次再熱塔式爐受熱面部件多導(dǎo)致受熱面空間狹小，管排密集，致使很多焊口難以進行射線檢測，如一、二次低溫再熱器管與集箱短管焊縫等部位，其結(jié)構(gòu)詳如圖1所示。如對這些難以進行射線檢測部位進行常規(guī)超聲波檢測，但常規(guī)超聲波檢測又存在耦合不良，檢出率不佳，對表面缺陷不敏感，需要一定的操作空間等問題，因此塔式爐安裝時尋求射線和常規(guī)超聲波以外的新檢測技術(shù)顯得十分迫切。

超聲相控陣檢測技術(shù)通過控制換能器陣列中各陣元電子激發(fā)時間改變探頭性質(zhì)，改變聲波到達物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，從而進行超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，使聲束一次性覆蓋整個檢測面[1～3]。這種檢測技術(shù)具有操作靈活，缺陷檢出率高，檢測結(jié)果實時成像，不受時間空間限制等優(yōu)勢[4，5]，但目前超聲相控陣檢測技術(shù)在電站鍋爐安裝過程的應(yīng)用還鮮有報道，因此有必要研究超聲相控陣檢測應(yīng)用于鍋爐受熱面焊縫檢測的可行性，以為超聲相控陣檢測在電站鍋爐安裝工程上的應(yīng)用提供參考。

圖1 一次再熱低溫再熱器管與進口集箱結(jié)構(gòu)圖

1 相控陣模擬試驗

在實際應(yīng)用于塔式爐受熱面焊縫檢測前，為了驗證超聲相控陣檢測設(shè)備對于鍋爐小徑管焊縫缺陷的檢測靈敏度，筆者首先使用模擬缺陷試塊進行了超聲相控陣模擬試驗。

超聲波相控陣檢測系統(tǒng)選用武漢某公司生產(chǎn)的HSPA20超聲相控陣主機，由于檢測對象為弧度大的受熱面小徑管，因此采用7.5L16-0.5×10-A16-P型探頭，該探頭為頻率7.5MHz、16 晶片專用探頭，配以 SA16-60S（39°）專用楔塊，使楔塊的曲率與管曲率相吻合，掃查器采用小徑管專用編碼器。

首先采用規(guī)格為φ60×5mm（材質(zhì)為SA-213 T91）、φ76×4mm（ 材 質(zhì) 為 SA-213 T91）和φ60×6mm（材質(zhì)為Q235）帶焊縫的小徑管制作了模擬表面缺陷對比試塊，在其母材與焊縫熔合線處上下面分別做10mm×1.5mm，深1mm、1.5mm及2mm人工刻槽以及φ1mm、φ2mm，深為1mm、3mm、5mm的平底孔（具體結(jié)構(gòu)如圖2所示），以研究相控陣檢測對表面缺陷檢測能力。然后采用規(guī)格為φ60×5mm、φ76×4mm、54×10mm的SA-213 T91小徑管制作了模擬埋藏缺陷對比試塊，分別采用射線和相控陣做檢測并對其檢測數(shù)據(jù)做對比，以研究超聲相控陣對埋藏缺陷的檢測能力。

圖2 小徑管人工孔和槽型缺陷示意圖

圖3和圖4中的超聲相控陣檢測圖譜中顯示超聲相控陣檢測可對試塊表面的人工模擬缺陷定位、定量、評定提供精確的數(shù)據(jù)分析。從圖5射線底片中可以看出，管子內(nèi)壁存在長約13mm的未焊透，超聲相控陣檢測圖像顯示的缺陷位置與其相吻合，說明超聲相控陣對于埋藏型缺陷檢測靈敏度高。模擬試驗顯示超聲相控陣檢測無論對于表面外漏缺陷還是埋藏型缺陷檢測靈敏度高，成像位置準(zhǔn)確，檢測結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、易于判斷，因而可嘗試將超聲相控陣用于塔式爐小徑管焊縫檢測。

圖3 φ60×6mm試塊內(nèi)壁槽孔模擬試塊相控陣檢測圖譜

圖4 φ60×6mm試塊外壁槽孔模擬試塊相控陣檢測圖譜

2 相控陣工作驗證

萊州現(xiàn)場安裝的塔式爐一次、二次低溫再熱器管與出口集箱短管對接焊縫的母材規(guī)格分別為φ60×5mm、φ76×4mm，材質(zhì)為SA-213 T91，現(xiàn)場布置情況見圖1和圖6。從圖中可以看出，因為空間狹小，管排密集，難以進行射線檢測，并且正常只能觀察到1/3圈焊縫，如使用常規(guī)超聲波檢測，因為管壁薄、空間受限，難以檢測焊縫背面，漏檢可能性較高，因而我們使用超聲相控陣檢測技術(shù)對一、二次低溫再熱器管與集箱短管現(xiàn)場安裝焊縫進行檢測，并用常規(guī)超聲波對發(fā)現(xiàn)的埋藏缺陷進行輔助驗證。

圖5 φ54×10mm試塊埋藏缺陷射線底片及及其相控陣檢測缺陷圖譜

圖6 一次低溫再熱器焊縫現(xiàn)場圖

從圖7中可以看出，對于編號為YDZA-4-4-B一次低溫再熱器管焊縫，相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷經(jīng)常規(guī)超聲波檢測驗證，其結(jié)果相符合。對于難以目視檢查焊縫表面情況的部位，筆者利用超聲相控陣對表面缺陷的敏感性進行檢測。如圖8所示，超聲相控陣顯示編號為YDZA-55-5-BR1一次低溫再熱器管焊縫存在表面缺陷后，根據(jù)圖譜上的定位發(fā)現(xiàn)缺陷位于管焊縫內(nèi)側(cè)外表面，目視不易觀察，筆者使用鏡子觀察確認其表面存在返修后局部漏焊問題，這表明超聲相控陣對于發(fā)現(xiàn)表面缺陷效果良好。

塔式爐小徑管焊縫檢測的應(yīng)用效果顯示超聲相控陣檢測可實現(xiàn)對焊縫的多角度、無盲區(qū)掃查，具有設(shè)備操作靈活，缺陷檢出率高，檢測結(jié)果實時成像，不受時間、空間限制等優(yōu)勢，適用于塔式爐安裝過程中小徑管焊縫檢測。

圖7 編號為YDZA-4-4-B一次低溫再熱器管焊縫相控陣檢測缺陷圖譜及超聲波缺陷驗證

圖8 編號為YDZA-55-5-BR1一次低溫再熱器管焊縫相控陣檢測缺陷圖譜及焊縫外觀照片

3 相控陣非相關(guān)顯示

通過使用超聲相控陣設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)千個小徑管安裝焊縫檢測，筆者發(fā)現(xiàn)檢測小徑管時，超聲相控陣會產(chǎn)生一些非相關(guān)顯示，可能導(dǎo)致誤判，影響檢測準(zhǔn)確率，因此針對所使用的超聲相控陣及其配套探頭契塊，筆者總結(jié)兩點非相關(guān)顯示的評定規(guī)律：

檢測厚壁小徑管時，會產(chǎn)生較強的底面反射信號，并有一定規(guī)律的排序，在扇掃圖中發(fā)現(xiàn)在模擬焊縫邊緣二次波范圍內(nèi)出現(xiàn)2-3處規(guī)律顯示，顯示的深度與水平有一定的平均差，把相控陣探頭放在焊縫邊緣掃查時，出現(xiàn)一個底面反射顯示，按柵格式掃查把探頭平移到距焊縫中心線設(shè)定的距離時，會發(fā)現(xiàn)扇掃圖中出現(xiàn)的底面反射顯示隨著探頭的移動，演變成2-3個規(guī)則顯示，在A掃描顯示呈山字波出現(xiàn)，如圖9所示。此顯示經(jīng)過超聲波和射線的反復(fù)論證，該反射顯示為底面反射變形波。一般焊縫內(nèi)表面成型不良會導(dǎo)致出現(xiàn)該反射信號顯示，并且將焊縫根部磨平后，相控陣中缺陷反射波消失。

圖9 小徑管底面反射顯示

檢測薄壁小徑管時，扇掃圖上三次波范圍內(nèi)出現(xiàn)很強烈的反射顯示，深度均在壁厚的一半，水平超出焊縫，四次波底部出現(xiàn)表面反射顯示，這種顯示一般會在三、四次波同時出現(xiàn)，該顯示是橫波入射點經(jīng)過三次波轉(zhuǎn)換為縱波，聲速與時間的差距，導(dǎo)致反射信號的深度出現(xiàn)在壁厚的1/2處，如圖10所示。經(jīng)論證，該反射顯示為表面反射變形波。

圖10 小徑管表面反射顯示

4 結(jié)論

針對1000MW機組的二次再熱塔式鍋爐安裝過程中部分受熱面小徑管焊縫存在空間狹小，難以進行射線檢測和表面觀察問題，筆者對超聲相控陣檢測技術(shù)在鍋爐安裝過程中的應(yīng)用進行了研究。在實際應(yīng)用前，我們首先使用模擬缺陷試塊進行了超聲相控陣模擬試驗以驗證超聲相控陣檢測設(shè)備對于鍋爐小徑管焊縫缺陷的檢測靈敏度，之后筆者用超聲相控陣對一、二次低溫再熱器管安裝焊縫進行檢測，并對超聲相控陣可能會產(chǎn)生一些非相關(guān)顯示進行總結(jié)。

無論是模擬試驗還是現(xiàn)場應(yīng)用都顯示超聲相控陣檢測無論對于表面缺陷、焊縫根部成型還是埋藏型缺陷檢測具有靈敏度高，成像位置準(zhǔn)確，檢測結(jié)果直觀、易于判斷等優(yōu)勢，

應(yīng)用于塔式鍋爐安裝過程小徑管焊縫檢測，可實現(xiàn)對焊縫的多角度、無盲區(qū)掃查，在更好控制焊接質(zhì)量的同時，縮短檢測工期，滿足工程進度要求。本文的研究為超聲相控陣檢測在1000MW機組的二次再熱塔式鍋爐安裝工程中的應(yīng)用提供了參考，并對于超聲相控陣檢測技術(shù)相關(guān)研究也可提供實踐上的借鑒意義。