相控陣超聲檢測技術在索普拉多拉水電站焊縫檢測中的應用

汪應海，羅 云

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，成都，610091)

相控陣超聲檢測技術在索普拉多拉水電站焊縫檢測中的應用

汪應海，羅 云

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，成都，610091)

本文結合相控陣超聲技術在索普拉多拉水電站焊縫檢測中的應用情況，著重對該技術的主要工作原理及應用特點進行了介紹，可供水電工程焊縫檢測借鑒。

索普拉多拉水電站 相控陣 超聲檢測技術

1 概述

厄瓜多爾索普拉多拉水電站岔管設計為內加強月牙肋型，采用非對稱Y形布置，通過2個岔管分為3個支管對水輪機供水。岔管段鋼管承受的內水壓力為4.8MPa，鋼管采用WDB620GrC調質鋼，壁厚分別為52mm～64mm，岔管月牙肋板厚度為128mm。因岔管板較厚，結構件復雜，僅依靠常規(guī)超聲結合X射線檢測技術無法滿足焊縫檢測要求。我們采用相控陣超聲檢測技術，取代常規(guī)超聲及X射線檢測技術，保證了岔管的焊接質量，取得了較好效果。

2 相控陣超聲檢測技術原理及特點

2.1 相控陣超聲檢測技術基本原理

目前我們最常用的常規(guī)普通超聲無損檢測方法是超聲脈沖回波法，基本原理是超聲波傳播到兩種不同的介質(如空氣和金屬試件)界面時，由于兩種介質的聲學特性存在差異，會產生反射和透射現(xiàn)象，其聲壓反射率和透射率與兩種介質的聲阻抗有關。與剛體介質聲阻抗相比，空氣的聲阻抗很小，因此超聲通過固體和空氣界面幾乎是全反射。脈沖回波法是通過測量超聲信號往返于缺陷反射回波的傳播時間，來確定缺損離表面的距離，同時也可根據超聲同波的幅度，來分析缺陷的大小。

2.2 相控陣超聲檢測技術特點

因鋼管焊縫自然缺陷存在于焊縫中的深度、方向及走向均不確定，超聲波檢測需依據缺陷回波高度和缺陷長度來進行評定(不包含可以明確評定為裂紋、未熔合、未焊透這幾類缺陷)，因此超聲波檢測要求如下：(1)要有足夠的靈敏度，才能保證缺陷回波的高低；(2)要求能覆蓋整個焊縫截面，焊縫中任何位置的缺陷才能被聲場全覆蓋；(3)要求聲波盡量與缺陷接近垂直，只有接近垂直，反射回波高度才能達到最大。

普通超聲波檢測為能達到以上3點，必須通過采用多角度、多個檢測面才能完成。如在脈沖回波A型超聲檢測的基礎上加以改進，加上機械掃查裝置或人工移動探頭，在顯示回波時，根據同波幅度用灰度圖像顯示，就可以構成多種掃描成像方式，如B型掃描成像、C型掃描成像顯示等。

相控陣超聲波探頭則可以依據板厚、坡口型式等在同一位置一次激發(fā)30個角度(40°～70°)，可以保證達到以上3點要求。且普通超聲波一般只能看到A型顯示，要求檢測人員據此進行測量和分析，因此對于檢測人員的能力和經驗要求較高。而相控陣超聲波采用聲束的角度掃描和動態(tài)聚焦等技術，可以同時顯示A型顯示(回波高低)、扇形(S)顯示(焊縫的某一個截面，缺陷在焊縫中的深度及位置)、C掃顯示(焊縫所有截面的累積，缺陷在焊縫中的位置及長度)。因此相控陣超聲的實時數據(缺陷)顯示、多角度掃描和即時顯示的檢測工具，讓檢測結果更直觀、清晰。在工作現(xiàn)場，操作人員無需更換探頭，能通過精確的波束掃描角度和范圍控制，覆蓋很大的檢測區(qū)域，取得完整的掃描圖像，從而確保無損檢測工作不發(fā)生漏檢誤判，進而保證焊縫焊接質量。

由于實現(xiàn)了超聲波聲束的角度、焦距、焦斑尺寸的軟件控制和電子控制，與常規(guī)普通超聲相比，相控陣超聲檢測技術具備以下特點：

(1)生成可控的聲束指向和聚焦深度，實現(xiàn)復雜機構件和盲區(qū)位置缺陷的精確檢測，使檢測效率、靈敏度得到提高；

(2)通過探頭局部晶片單元組合實現(xiàn)聲場控制，可實現(xiàn)高速電子掃描；配置機械夾具，可對試件進行高速、全方位和多角度檢測。

而且用相控陣探頭對岔管焊縫進行檢測時，不需要像普通超聲探頭一樣在焊縫兩側頻繁前后左右來回移動，只需沿著焊縫長度方向平行于焊縫進行直線掃查，從而可對焊縫及焊縫接頭進行全體積檢測。該掃查方式可借助裝有陣列探頭的機械掃查器沿著精確定位的軌道滑動完成，也可采用手動方式完成，均可實現(xiàn)快速檢測，檢測效率非常高。

3 在鋼管焊縫實際檢測中的應用

厄瓜多爾索普拉多拉水電站岔管安裝，焊縫主要形式為岔管管壁縱縫、環(huán)縫、岔管加強構件的對接焊縫、加強構件與管壁相接處的組合焊縫，板厚較厚，結構件復雜。在使用相控陣超聲波檢測過程中，我們依據岔管焊縫實際參數信息，選擇了合適的相控陣超聲檢測儀器系統(tǒng)信息及其超聲設置、聚焦法則計算器等。在工作現(xiàn)場，我們采用相控陣超聲技術進行岔管焊縫質量檢測時，一次掃查即可檢測整條焊縫，檢測速度快、效率高、精度高、更容易分析缺陷及合理評定缺陷。

從相控陣超聲檢測設備的使用中發(fā)現(xiàn)，由于設備的機械結構簡單，檢測時鋼管的移動量少，所以探傷系統(tǒng)的檢測能力、信噪比、重復性等綜合性能指標均優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測設備。相控陣超聲技術檢測精度完全可以達到常規(guī)超聲檢測精度0.1mm，保證了岔管焊接質量，極大地節(jié)約了人力資源，保證了施工工期。

4 結語

相控陣超聲檢測技術作為目前國際上最為先進的無損檢測技術之一，以其檢測速度快、使用靈活、檢測精度高、功能強大等特點越來越引起人們的重視。厄瓜多爾索普拉多拉水電站現(xiàn)已經順利完成了流道充水及機組甩負荷工作，鋼岔管的焊縫質量在電站運行過程中得到了實際檢驗，為相控陣超聲檢測技術在鋼管環(huán)縫質量檢測的應用提供了寶貴的經驗支持，也為今后水利水電工程建設積累了成功經驗。

TB517∶TV

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2095-1809(2016)06-0065-02

汪應海(1988.10-)，男，河南信陽人，大學本科，助理工程師，項目副部長，從事水工金屬結構技術管理；

羅 云(1986.6-)，男，四川都江堰人，大學本科，助理工程師，項目副部長，主要從事水電站機電EPC管理。

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