電站鍋爐接管座角焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

牟彥春,金南輝,葛 翔

(浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,杭州 310020)

在電站鍋爐制造和安裝過(guò)程中,為了避免強(qiáng)制對(duì)口和方便現(xiàn)場(chǎng)施工,在汽包、管道及聯(lián)箱與接管間均須加裝管座,因此存在大量的管座角接頭焊縫。其在電站鍋爐的總焊縫中占有很大比例,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響電站鍋爐運(yùn)行的安全可靠性。接管座角焊縫坡口形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,接管座與母體的厚度往往相差很大,角焊縫在焊接過(guò)程中由于冷卻速度較快,容易出現(xiàn)未焊透、未熔合和裂紋等缺陷,焊接質(zhì)量難以保證。在電站鍋爐啟停和運(yùn)行過(guò)程中,鍋爐管座角焊縫既要承受結(jié)構(gòu)應(yīng)力也要承受由于溫度變化和運(yùn)行工況的波動(dòng)而引起的熱應(yīng)力,受力狀況極為惡劣。隨著運(yùn)行時(shí)間的積累將導(dǎo)致原有焊接缺陷的擴(kuò)展和熱疲勞裂紋的形成和發(fā)展,最終會(huì)引起鍋爐的爆漏。在電站鍋爐檢驗(yàn)中,管座角焊縫是多見(jiàn)的失效部位,也是重點(diǎn)檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)部位,因此提高管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)的可靠性和有效性,監(jiān)測(cè)缺陷的發(fā)展、變化,對(duì)指導(dǎo)缺陷的處理及鍋爐的安全運(yùn)行有著非常重要的意義。

1 管座角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常見(jiàn)接管座角焊縫的形式有插入式和安放式兩種。插入式管座角焊縫是接管座插入集箱筒體或管道內(nèi)焊接而成;安放式管座角焊縫是接管座安放在集箱筒體或管道上焊接而成。接管座焊縫和坡口形式皆為馬鞍形,管座上有一倒角臺(tái)階,距焊縫約60～90 mm,在管座角焊縫中,危害最大的缺陷是根部未焊透、未熔合和裂紋等縱向缺陷(沿焊縫方向)。300 MW機(jī)組電站鍋爐主蒸汽管道安全閥插入式管座角焊縫具體示圖見(jiàn)圖1。

2 管座角焊縫常規(guī)超聲檢測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)

目前常規(guī)超聲波檢測(cè)是管座角焊縫常用的內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法。超聲波檢測(cè)方法對(duì)未焊透、未熔合和裂紋等面積型缺陷比較敏感,檢測(cè)靈敏度也較高,且操作不會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)條件的太多限制,工作效率高。但由于管座角焊縫的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,超聲波檢測(cè)時(shí)受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式等因素影響,以及探測(cè)位置的局限,導(dǎo)致缺陷信號(hào)的識(shí)別難度大,缺陷的定位困難。常規(guī)超聲檢測(cè)管座角焊縫的技術(shù)難點(diǎn)有：

圖1 插入式管座角焊縫結(jié)構(gòu)形式及圖片

(1)缺陷信號(hào)的識(shí)別難度大。支管曲率大且壁薄,在支管面探傷時(shí)選用大K值探頭易出現(xiàn)表面波干擾;主管內(nèi)孔壁產(chǎn)生反射波干擾,即局部特定位置的變形波干擾;角焊縫接頭形式多樣復(fù)雜(有馬鞍式、插入式等),焊縫坡口形式多樣,致使干擾波出現(xiàn)在示波屏上的位置與缺陷波出現(xiàn)的位置易混淆。

(2)缺陷定位困難。焊縫兩側(cè)的非對(duì)稱管結(jié)構(gòu)使對(duì)接焊縫中常用的缺陷定位方法失靈。角焊縫接頭形式多樣,不同的接頭形式需要不同的定位方法,如主管面探測(cè)時(shí)超聲波入射方向隨入射點(diǎn)曲率的變化而變化,使用二次波探傷時(shí)反射面的曲率點(diǎn)也各不相同,反射波的方向也隨反射點(diǎn)曲率的變化而變化,故主管面探傷定位受到很大影響。

(3)角焊縫超聲波檢測(cè)面為單面單側(cè),對(duì)于插入式接管角焊縫直管側(cè),探頭移動(dòng)的距離一般較短,無(wú)法對(duì)焊縫整個(gè)截面實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè),導(dǎo)致焊縫中部分漏檢。

3 管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的主要特點(diǎn)是多晶片探頭中各晶片的激勵(lì)(振幅和延時(shí))均由計(jì)算機(jī)控制。壓電復(fù)合晶片受激勵(lì)后能產(chǎn)生超聲聚焦波束,聲束參數(shù)(如角度、焦距和焦點(diǎn)尺寸等)均可通過(guò)軟件調(diào)整,因此相控陣檢測(cè)的缺陷檢出率和檢測(cè)可靠性均優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測(cè)。

3.1 模擬仿真CIVA軟件

對(duì)于管座角接頭類復(fù)雜結(jié)構(gòu),超聲波傳播復(fù)雜,常規(guī)超聲檢測(cè)有很大難度。對(duì)管座角接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí),可以利用無(wú)損檢測(cè)模擬仿真軟件CIVA模擬檢測(cè)的全過(guò)程,既可以實(shí)現(xiàn)超聲波傳播路徑的可視化,使檢測(cè)人員清楚地觀察到超聲波何時(shí)探測(cè)到焊縫、何時(shí)探測(cè)焊縫之外以及探測(cè)到管座結(jié)構(gòu)界面,從而實(shí)現(xiàn)輔助識(shí)別、定位缺陷信號(hào)的作用;而且,CIVA也可以對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,確定實(shí)際需要的探頭形狀和最優(yōu)延遲法則,進(jìn)而提高相控陣檢測(cè)的可靠性[1-2]。

3.2 超聲相控陣檢測(cè)掃查方式和視圖

掃查器(編碼器)的移動(dòng)和相控陣波束方向的結(jié)合形成了特定的掃查方式。選擇合適的掃查方式可以檢測(cè)缺陷并對(duì)其進(jìn)行定量。焊縫相控陣檢測(cè)時(shí)一般選擇線性掃查方式即沿著線性路徑(掃查軸或步進(jìn)軸)進(jìn)行一維掃查,所有的數(shù)據(jù)都通過(guò)單一的軸采集,使用一個(gè)編碼器,如圖2所示。線性掃查需要設(shè)置掃查速度,掃查軸,以及編碼器的分辨率。

圖2 線性掃查示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

在浙江某電廠300 MW亞臨界機(jī)組鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí),筆者對(duì)汽包安全閥、主蒸汽管道、再熱熱段管道安全閥接管座角焊縫進(jìn)行了超聲相控陣檢測(cè)(圖1b)。使用設(shè)備為加拿大R/D TECH公司制造的全掃型相控陣儀OM INISCAN-MX,檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一處未焊透缺陷和多處記錄性缺陷。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果證明超聲相控陣檢測(cè)可靠性好,可成像顯示,缺陷分辨力高。檢查所得缺陷顯示圖像如圖3～5所示。

表1 工件的基本參數(shù)及檢測(cè)的基本設(shè)置

5 結(jié)語(yǔ)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有波束方向和焦距自由變換,檢測(cè)結(jié)果易于成像,檢測(cè)可達(dá)性和適用性好等優(yōu)點(diǎn),所以能有效檢測(cè)無(wú)論直徑大小、壁厚厚薄的鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓設(shè)備的對(duì)接接頭及接管座角接接頭,該技術(shù)能提高超聲檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性及檢測(cè)結(jié)果的可靠性,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果多維顯示,有效保證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

[1]Steve Mahaut,Pierre Calmon,Sy lvain Chatillon,et al.U ltrasonic NDT simulation tools for phased arraytechniques[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,2001(22)：777-784.

[2]Steve Mahaut,Sy lvain Chatillon,Rapha?le Raillon-Picot,et al.Simu lation and app lication of dynam icinspec tion modes using ultrasonic phased arrays[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive E-Valuation,2004(23)：777-784.