電站鍋爐管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用

林 彤

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008)

電站鍋爐管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用

林 彤

(福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008)

針對(duì)電站鍋爐管座角焊縫和超聲檢測(cè)存在的問題，文中提出相控陣超聲檢測(cè)最佳解決方案，同時(shí)驗(yàn)證了相控陣超聲檢測(cè)新技術(shù)完全可以覆蓋常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)建立標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用。

電站鍋爐；管座角焊縫；相控陣；超聲檢測(cè)

管座角焊縫是電站鍋爐部件上常見結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)在鍋筒、集箱與管道和管道與管道等連接部位中，且數(shù)量龐大，其焊接工藝和常規(guī)超聲檢測(cè)實(shí)施常常產(chǎn)生問題，焊接接頭質(zhì)量難保證，是目前鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題最多的部位。針對(duì)常規(guī)超聲檢測(cè)缺陷記錄是由人員控制，漏檢和誤檢時(shí)有發(fā)生，為改變現(xiàn)狀，彌補(bǔ)與完善常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)范不足，應(yīng)選擇可記錄相控陣超聲新技術(shù)方法覆蓋常規(guī)超聲檢測(cè)管座角焊縫，避免發(fā)生在制時(shí)管座焊縫內(nèi)缺陷嚴(yán)重超標(biāo)，避免在用時(shí)安全隱患頻發(fā)帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失或安全事故。

1 電站鍋爐管座焊縫問題

電站鍋爐管座焊縫制造質(zhì)量差，內(nèi)部存在著大量裂紋、未熔合、未焊透、夾渣和氣孔，見圖1所示，檢測(cè)時(shí)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行返修處理。

圖1 管座焊縫內(nèi)部缺陷（未熔合、裂紋、未焊透和夾渣）

使用后產(chǎn)生大量的疲勞裂紋見圖2所示，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)生產(chǎn)事故造成不必要的停產(chǎn)或傷亡，如圖3所示為管座爆管和泄漏事故。

圖2 焊縫表面疲勞裂紋

圖3 事故（上部爆管、下部泄漏）

2 常規(guī)超聲檢測(cè)管座問題

（1）對(duì)于插入式還是安放式管座，斜探頭檢測(cè)始終會(huì)產(chǎn)生的界面波或變形波干涉缺陷波顯示，因只有A顯圖，信息量少，不能顯示焊縫結(jié)構(gòu)，只能依據(jù)人工定位識(shí)別排除非缺陷顯示。

（2）由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，可選擇的檢測(cè)面有限，如圖4所示集中下降管管座，在用檢測(cè)時(shí)常用位置1斜探頭檢測(cè)，直射波只能掃查部分焊縫截面，無法覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域。

圖4 集中下降管檢測(cè)

（3）由于管座檢測(cè)面探頭擺放限制，較難對(duì)管座角焊縫的焊趾裂紋和表面橫向裂紋進(jìn)行檢測(cè)，因此管座焊縫經(jīng)超聲檢測(cè)后其表面還必須增加表面無損檢測(cè)。

（4）在圓弧面上檢測(cè)管座，焊縫形狀復(fù)雜，缺陷定位有誤差，缺陷的指示長度測(cè)量值也有誤差，要進(jìn)行修正計(jì)算處理，如圖5所示檢測(cè)，管座焊縫中未焊透深度顯示在接管母材內(nèi)，而水平定位可能顯示在焊縫邊緣或之外，引起錯(cuò)覺判斷，會(huì)影響缺陷定性或造成漏檢。

（5）缺陷定性依靠推斷，因只能建立波型圖記錄，其它位置等信息不可記錄，更多是依靠人員知識(shí)水平和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)等建立缺陷性質(zhì)推斷。

（6）由于收發(fā)為單晶探頭，檢測(cè)靈敏度用dB值表示，采用一次反射法檢測(cè)接管角焊縫時(shí)，內(nèi)表面產(chǎn)生散射損失，造成檢測(cè)靈敏度下降。另外對(duì)粗晶材料檢測(cè)時(shí)，散射較嚴(yán)重，能量衰減大，用dB值抑制，檢測(cè)靈敏度更是明顯下降。

圖5 未焊透缺陷定位顯示

3 相控陣超聲檢測(cè)解決方案

3.1 具有優(yōu)勢(shì)

由于同一時(shí)間顯示多個(gè)角度，因此能更快地掃描；實(shí)際深度S掃描具有更好的成像；數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)，減少了現(xiàn)場檢測(cè)工作量；電子儀器可快速設(shè)置和重復(fù)設(shè)置。

3.2 模擬仿真軟件優(yōu)化檢測(cè)工藝

采用CIVA模擬仿真軟件對(duì)管座焊縫相控陣超聲檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，指導(dǎo)實(shí)際檢測(cè)工作，通過模擬仿真缺陷驗(yàn)證與分析檢測(cè)結(jié)果，確保檢測(cè)質(zhì)量。

（1）檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，輸入工件、探頭和缺陷分布等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊縫截面全覆蓋，見圖6。

圖6 檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

（2）模擬設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行仿真分析，如在模擬工件角焊縫中設(shè)計(jì)一個(gè)未焊透缺陷，進(jìn)行二次波檢測(cè)，得到顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 未焊透缺陷模擬仿真

3.3 配備掃查器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)

在用電站鍋爐檢驗(yàn)環(huán)境惡劣，多數(shù)情況管座焊縫部位空間狹小，高空作業(yè)，檢測(cè)人員工作強(qiáng)度大。手動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)相當(dāng)靈活，完全可以按常規(guī)超聲檢測(cè)操作進(jìn)行，但人員要接觸工件。因更多情況下相控陣超聲檢測(cè)是進(jìn)行單線掃查使用，通過MS-05專用掃查器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，見圖8所示,可以在人員難操作的地方進(jìn)行。

圖8 MS-05角焊縫專用掃查器

3.4 檢測(cè)方法驗(yàn)證比對(duì)

（1）選取試樣見表1。

表1 試樣狀況

（2）檢測(cè)人員選取高級(jí)人員2名，中級(jí)人員4名。

（3）常規(guī)超聲檢測(cè)按NB/T47013.3技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，相控陣超聲單面兩側(cè)實(shí)行全覆蓋檢測(cè)工藝。

（4）比對(duì)結(jié)果見表2。

表2 缺陷檢出率

因此通過上述測(cè)試比對(duì)證明，只要常規(guī)超聲能發(fā)現(xiàn)的缺陷，相控陣超聲能100%發(fā)現(xiàn)。另外通過多年對(duì)其他人員在檢驗(yàn)中常規(guī)超聲發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷復(fù)核實(shí)踐也證明了這點(diǎn)，同時(shí)得到比常規(guī)超聲記錄發(fā)現(xiàn)更多的缺陷，充分說明了相控陣超聲方法可以覆蓋常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)。

3.5 大厚度工件能力測(cè)試

（1）試塊：碳鋼，205mm壁厚，U型坡口焊縫，焊縫中設(shè)置缺陷16個(gè)，分布見圖9所示。

圖9 試塊中缺陷分布

（2）分成（24～50）mm、（50～100）mm、（100～150）mm和（150～200）mm四個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，見圖10所示，檢測(cè)顯示見圖11～圖14，檢測(cè)結(jié)果見表3。

（3）檢測(cè)結(jié)論：

使用超聲相控陣技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并判斷200mm厚工件焊縫中的缺陷，結(jié)合S、B和C掃描視圖可以更加直觀地分析缺陷類型，判斷是在焊縫坡口位置還是在焊縫內(nèi)部。

檢測(cè)靈敏度用波高表示，經(jīng)過角度補(bǔ)償和深度補(bǔ)償處理，采用多晶技術(shù)明顯改善了材質(zhì)影響，檢測(cè)靈敏度好于常規(guī)超聲技術(shù)。

表3 檢測(cè)結(jié)果

圖10 檢測(cè)區(qū)域設(shè)置

圖11 （24～50）mm區(qū)間缺陷顯示

圖12 （50～100）mm區(qū)間缺陷相控陣超聲顯示

圖13 （100～150）mm區(qū)間缺陷相控陣超聲檢測(cè)顯示

圖14 （150～200）mm區(qū)間內(nèi)缺陷顯示

3.6 可準(zhǔn)確測(cè)量和評(píng)價(jià)缺陷

（1）圖像顯示記錄存儲(chǔ)完整，檢測(cè)重復(fù)性強(qiáng)，能用于超標(biāo)缺陷健康監(jiān)測(cè)，主要是利用掃查過程使用編碼器進(jìn)行記錄和建立獨(dú)特的S掃描圖像，采用6dB法測(cè)量提高了缺陷長度和高度測(cè)量精度，見圖15所示，同時(shí)存儲(chǔ)記錄便于以后檢測(cè)對(duì)比。

（2）通過形成掃描圖像能完整體現(xiàn)管座焊縫結(jié)構(gòu)變化，缺陷分析直觀，便于圖像比較，如圖16為管座焊縫中未焊透缺陷的位置與整個(gè)結(jié)構(gòu)顯示變化情況。

缺陷長度顯示測(cè)量

圖15 缺陷的尺寸測(cè)量

圖16 未焊透與管座結(jié)構(gòu)變化顯示

3.7 建立典型相關(guān)和非相關(guān)缺陷圖譜，為缺陷定性提供參考

相控陣超聲得到三維缺陷顯示圖像，缺陷顯示特征直觀，有利于缺陷定性判斷，不局限為模糊的點(diǎn)狀、面狀和線狀缺陷概念，大都能準(zhǔn)確定性，圖17為一些常見相控陣超聲檢測(cè)定性顯示圖，可以對(duì)照使用。

圖17 典型相控陣圖譜顯示

4 結(jié)束語

相控陣超聲檢測(cè)是一種可記錄超聲檢測(cè)新技術(shù)，與常規(guī)超聲檢測(cè)相比具有較大優(yōu)勢(shì)，它具備的檢測(cè)能力完全覆蓋了常規(guī)超聲檢測(cè)，我國現(xiàn)行超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中缺陷的記錄與質(zhì)量評(píng)定可完全采用。

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的管座角焊縫應(yīng)用相控陣超聲檢測(cè)是目前最佳的無損檢測(cè)解決方案。

[1]林彤.電站鍋爐管座焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)研究.2010QK029國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目［R］.

Phased Array Ultrasonic Testing in Header Fillet Weld for Power Plant Boiler

LIN Tong
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhuo 350008, Fujian, China)

In view of the plant boiler header fillet weld and the problems existing in the ultrasonic testing, Phased array ultrasonic testing, the best solution is put forward in this paper. It is proved that the new technology of phased array ultrasonic testing can be fully covered by the conventional ultrasonic testing technology and the standard Shall be established for the further application.

2016-07-27

林 彤，男，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，電站鍋爐檢驗(yàn)中心副主任，高級(jí)檢驗(yàn)師

Abstract: Power plant boiler; Header fillet weld; Phased array; Ultrasonic testing