汽輪機焊接隔板的超聲相控陣檢測

王中亞

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

汽輪機焊接隔板的超聲相控陣檢測

王中亞

(中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

分析了汽輪機焊接隔板檢測時選擇超聲相控陣技術(shù)的原因，闡述了檢測工藝中關(guān)鍵參數(shù)的選取，并將制定的工藝應(yīng)用于某百萬機組的在制隔板檢測。結(jié)果表明，所選擇的隔板超聲相控陣檢測工藝是可靠的；使用的工件加載系統(tǒng)的工件CAD圖形加載功能降低了缺陷識別難度，提高了工藝適用性和檢測效率，值得推廣。

百萬機組；汽輪機；焊接隔板；超聲相控陣檢測

汽輪機焊接隔板因具有高強度和高剛度的特點，在國內(nèi)外百萬等級機組中應(yīng)用廣泛。隔板在運行過程中承受著巨大的級間壓差，若隔板主焊縫存在易導致開裂或嚴重降低強度的超標缺陷，則會給汽輪機的安全帶來較大的風險。某電廠百萬等級機組曾發(fā)生一起隔板主焊縫脫開導致整組隔板報廢的惡性事件，損失不可估量。由此，焊接隔板的質(zhì)量安全得到了發(fā)電集團和企業(yè)的高度重視。鑒于隔板部件的特殊性，從源頭進行質(zhì)量控制是最優(yōu)的方法，這就要求制造過程中隔板主焊縫能夠得到有效的無損評價。

超聲相控陣技術(shù)具有靈活變角和動態(tài)聚焦的突出優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用于可達性較差的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的檢測中[1-4]。將相控陣技術(shù)引入百萬機組汽輪機焊接隔板的檢測理論上可行的，而目前國內(nèi)尚未見相關(guān)的研究文獻，因此在經(jīng)濟和技術(shù)方面具有很高的研究價值。筆者闡明了選擇超聲相控陣檢測技術(shù)檢測汽輪機焊接隔板的原因，分析了焊接隔板的相控陣檢測工藝，并介紹了其對某發(fā)電企業(yè)百萬機組在制隔板的實際檢測應(yīng)用效果。

1 超聲相控陣技術(shù)的選擇考量

焊接隔板是指將銑制或精密鑄造、模壓、冷拉的靜葉片嵌在沖有葉型孔槽的內(nèi)、外圍帶，焊成環(huán)形葉柵，然后再將其焊在隔板體和隔板外緣上之間，再組裝而成的隔板。筆者研究的圍帶式焊接隔板大致可分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種結(jié)構(gòu)，分別應(yīng)用于高壓級和低壓級隔板，圖1所示為其三維視圖和焊接坡口型式示例。其主焊縫材料為焊接性較差的CrMo鋼，焊接方法采用窄間隙焊、自動MAG和手工MAG的組合焊接，焊接應(yīng)力較大，工藝控制程序比較復(fù)雜，焊接缺陷不可避免，故非常有必要采取有效的過程檢測方法對焊接質(zhì)量進行評估，以保障產(chǎn)品的合格率。

圖1 焊接隔板結(jié)構(gòu)示例

隔板結(jié)構(gòu)變化大，主焊縫形狀窄而深，焊縫周邊存在靜葉、汽封槽、堆焊層等附屬結(jié)構(gòu)。綜合考慮工件的這些結(jié)構(gòu)特點，隔板主焊縫的首選檢測方法為超聲檢測(UT)。實施常規(guī)UT的局限性主要有以下幾個方面：① 聲束角度單一。隔板主焊縫為窄而深的狹長型，從垂直入射的角度考慮，同一位置需要使用多個不同折射角的探頭。② 信號識別難。檢測面與焊縫走向并不平行或垂直，而是成一定角度，掃查深度隨探頭的移動不斷變化，同時受葉根、鈍邊、邊緣等結(jié)構(gòu)干擾回波的影響，常規(guī)UT的A掃描信號難以識別。③ 掃查深度大，聲束擴散大，能量衰減大，容易造成缺陷漏檢。④ 探頭移動范圍大，工作量大。不難看出,采用常規(guī)方法可靠性低，效率低下，費時費力，幾乎缺乏可操作性。與之相比，PAUT技術(shù)的聲束覆蓋范圍大，具有角度可調(diào)和動態(tài)聚焦的特點，聲束可達性好，采集的多種顯示掃描圖像信息豐富，能夠較好地解決上述難題，特別適合于隔板主焊縫的檢測。

2 超聲相控陣檢測工藝要領(lǐng)

筆者僅對焊接隔板超聲相控陣檢測工藝中幾個關(guān)鍵參數(shù)的選取作詳細闡述，而對諸如儀器選擇、聲速校準、掃描范圍等常規(guī)通用設(shè)置和產(chǎn)品驗收標準等均不贅述。

2.1 檢測面與探頭

檢測面與探頭的選擇主要與工件的結(jié)構(gòu)、尺寸和所要檢測的目標缺陷相關(guān)。

Ⅰ型結(jié)構(gòu)隔板相對簡單，選取內(nèi)外環(huán)面作為檢測面進行縱波法檢測即可，見圖1(a)。探頭選擇32晶片以上的線陣探頭，考慮到探頭移動范圍較大，推薦使用64晶片線陣探頭，不使用楔塊。試驗選擇了多浦樂線陣5L64-1.0*10-B93相控陣探頭，其頻率為5 MHz，陣元尺寸(寬度X長度)為0.95 mmX10 mm，陣元芯距為1 mm，陣元數(shù)為64。

Ⅱ型結(jié)構(gòu)隔板可選的檢測面有5個，以A、B、C、D、E標示，見圖1(b)。A檢測面選用直探頭進行縱波法檢測，B、C、D、E檢測面進行橫波法檢測，推薦使用32晶片相控陣探頭，搭配45°～60°斜楔塊。試驗選擇了多浦樂線陣5L32-0.5*10-D2相控陣探頭，頻率為5 MHz，陣元尺寸(寬度X長度)為0.45 mmX10 mm，陣元芯距為0.5 mm，陣元數(shù)為32。

2.2 聚焦方式與聚焦深度

最常用的聚焦方式有線性掃查和扇形掃查兩種。線性掃查適合大表面的快速檢測，扇形掃查適合檢測幾何形狀復(fù)雜的工件。Ⅰ型結(jié)構(gòu)隔板的縱波法檢測推薦使用線性掃查，Ⅱ型結(jié)構(gòu)隔板的橫波法檢測則選擇扇形掃查。

聚焦深度設(shè)置要適當，若缺陷位置與聚焦點偏離過大，檢測信號會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，嚴重時甚至會導致缺陷漏檢。隔板焊縫需要分區(qū)檢測，不同的區(qū)段要設(shè)置不同的聚焦深度，一般將聚焦點定位在區(qū)段的中間位置。

2.3 探頭布置與掃查方式

布置探頭的目標是要盡量做到焊縫全范圍檢測，通常以聲束覆蓋模擬的方式來判斷探頭布置是否適當。所謂聲束覆蓋模擬，是指對于給定的工件，在既定的檢測面上預(yù)置給定型號的檢測探頭及楔塊，設(shè)置適當?shù)木劢狗▌t，觀察聲束對檢測區(qū)域的覆蓋情況。下面以Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫為例，說明如何通過聲場覆蓋模擬來進行探頭布置。

聲場覆蓋模擬通過超聲仿真軟件BEAMTOOLS 7.0實現(xiàn)，圖2表示在仿真軟件中模擬的探頭聲場覆蓋范圍。探頭放置在B檢測面，至少應(yīng)布置三組探頭，設(shè)置三組聚焦法則，方可使目標焊縫區(qū)得到最大范圍的覆蓋。每個檢測面均要通過聲場覆蓋模擬來決定合適的探頭布置方式。

圖2 Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫聲場覆蓋模擬示意

相控陣檢測數(shù)據(jù)的采集一般連接編碼器進行，為方便檢測數(shù)據(jù)的采集與記錄，隔板的掃查方式選擇周向掃查。

2.4 工件加載

隔板的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，缺陷信號的識別需要檢測人員具有很好的空間想象力、數(shù)據(jù)分析能力和豐富的經(jīng)驗，這無疑增加了技術(shù)難度。課題組聯(lián)合儀器生產(chǎn)廠家開發(fā)了一套工件加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒐ぜ淖远xCAD圖形加載到檢測界面，圖3為增加了工件加載系統(tǒng)的檢測界面。

圖3 工件CAD圖形加載界面

工件加載系統(tǒng)能夠輔助進行檢測參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，使得缺陷顯示直觀，降低了檢測信號識別難度，方便檢測人員進行信號分析，一定程度上克服了常規(guī)A掃描和相控陣檢測復(fù)雜工件信號識別難度大的缺點。

2.5 檢測靈敏度

超聲相控陣檢測必須獲得滿意的、可予評定的圖像。所謂滿意的圖像，是指其應(yīng)滿足下列條件：耦合良好；時基調(diào)整準確；靈敏度調(diào)整準確；信噪比適當；信號幅度適當；數(shù)據(jù)采集適當[5]。因此要獲得滿意的圖像，必須要設(shè)置適當?shù)臋z測靈敏度。

縱波法檢測靈敏度的調(diào)整使用平底孔試塊，將同等深度的φ4 mm平底孔的最大反射波幅調(diào)整到滿屏的60%～80%作為檢測靈敏度。橫波法檢測靈敏度的調(diào)整使用橫孔試塊，檢測靈敏度不低于φ2 mm×40 mm+10 dB的評定線。試塊可自行設(shè)計或使用同等效能的對比試塊，如NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》規(guī)定的CSK-ⅡA試塊。

2.6 檢測盲區(qū)

對某些隔板焊縫來講，總是存在結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌穆暿鵁o法覆蓋或聲束入射偏角過大的區(qū)域，也就是檢測盲區(qū)。檢測人員在工藝制定時需要作出檢測盲區(qū)評價，通過綜合分析隔板焊縫的受力狀況，評判哪些檢測盲區(qū)對隔板強度的影響是輕微的和可接受的，然后適當?shù)貎?yōu)化檢測工藝。

以Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫(見圖4)為例，檢測盲區(qū)可以通過聲場覆蓋模擬進行近似估算。對于與坡口面平行的面積型缺陷，需要有角度合適的垂直入射聲束才能發(fā)現(xiàn)；結(jié)合上述五個探頭的位置及聲束角度參數(shù)，最終估算出距焊縫下表面約0～27.5 mm深度范圍為檢測盲區(qū)。此區(qū)域不是焊縫的主要受力區(qū)，且最終成形加工后會去除部分邊緣焊縫，因此是可接受的。

圖4 Ⅱ型隔板的外環(huán)主焊縫檢測盲區(qū)示意

值得一提的是，隔板焊縫存在鈍邊，采用的焊接工藝難以保證鈍邊上下各10 mm范圍內(nèi)熔透,是一個天然的未焊透結(jié)構(gòu)。由強度計算和實際經(jīng)驗來看，鈍邊區(qū)是可接受的。盡管鈍邊區(qū)域是掃查聲束可以覆蓋的，但其內(nèi)的缺陷不予評判，因此也可以看作是檢測盲區(qū)。

3 超聲相控陣檢測實際應(yīng)用

依據(jù)針對實際應(yīng)用制定的檢測工藝，對某發(fā)電企業(yè)百萬機組的74塊在制高中低壓隔板進行了焊后超聲相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)其中11塊存在超標缺陷，28塊存在記錄性缺陷。對存在超標缺陷的11塊隔板實施挖補處理，缺陷均得到確定，返修后再次檢測未見缺陷信號，表明采用的隔板檢測工藝是可靠的，適合用于焊接隔板的檢測。

圖5為對某高中壓隔板內(nèi)外環(huán)進行縱波檢測的B掃和C掃圖像。左側(cè)圖顯示的坡口未熔合位于近探頭側(cè)，底波降低，表明未熔合面積較大；右側(cè)圖顯示了未熔合和夾渣兩種缺陷，夾渣位于焊縫中間。

圖5 某高中壓隔板坡口未熔合和夾渣的B掃和C掃顯示

圖6為對某低壓隔板進行橫波檢測的S掃、C掃及A掃圖像。由于尺寸偏差，工件圖形有一定偏移，但并不影響數(shù)據(jù)的有效性。圖6中的夾渣在S掃圖像中清晰可辨，在C掃圖像中被結(jié)構(gòu)波掩蓋。低壓隔板的結(jié)構(gòu)波是由鈍邊或葉根底面引起的，會隨著探頭的移動而規(guī)律出現(xiàn)，應(yīng)注意識別。

工件CAD圖形加載功能的應(yīng)用使得缺陷信號的識別變得容易，顯示直觀，提高了工藝的適用性和

圖6 某低壓隔板夾渣的三種掃描顯示(A掃+S掃+C掃)

檢測效率，值得推廣。但需注意S掃縱、橫坐標的校準和工件CAD圖形加載切入點。

4 結(jié)論

在合理制定檢測工藝的前提下，超聲相控陣技術(shù)是適用于汽輪機焊接隔板的檢測方法。應(yīng)用情況表明，所研究的隔板超聲相控陣檢測工藝是可靠的；使用的工件加載系統(tǒng)的工件CAD圖形加載功能降低了缺陷識別難度，提高了工藝適用性和檢測效率，值得推廣。

[1] 于達，龍華明，孫亞娟，等.小直徑管管座角焊縫相控陣檢測探究[J].焊管，2015，38(8)：16-23.

[2] 牛保獻，靳峰，宋國營.采用超聲相控陣技術(shù)檢測汽輪機轉(zhuǎn)子叉型葉根[J].無損檢測，2014，36(1)：58-59.

[3] 牟彥春，金南輝，葛翔.電站鍋爐接管座角焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)[J].無損檢測，2011，33(1)：75-78.

[4] 李衍.大厚度容器接管焊接接頭的相控陣檢測[J].無損檢測，2008，30(12)：946-949.

[5] 李衍.焊縫超聲相控陣檢測最新ISO標準[J].無損探傷，2015，39(4)：22-27.

Ultrasonic Phased Array Inspection for Turbine Welded Diaphragm

WANG Zhong-ya

(Eastern China Branch, China Datang Corporation Science and Technological Research Institute Co., Ltd., Hefei 230088, China)

This article reasons the selection of ultrasonic phased array inspection technology for turbine welded diaphragm. How to determine the key process parameters is expounded and the designed process is applied to the inspection in manufacturing process of diaphragms of a 1000MW class power unit. The results show that ultrasonic phased array inspection process for welded diaphragm is reliable. The workpiece CAD loading function of workpiece loading system reduces the difficulty of defect signal recognition, improves the suitability and the detecting efficiency, which is worthy to be popularized.

1 000 MW class power unit； Turbine； Welded diaphragm； Ultrasonic phased array testing

2016-06-18

王中亞(1986-),男，碩士，工程師，主要從事電力行業(yè)無損檢測工藝及仿真技術(shù)的研究。

王中亞，E-mail: wzylyqwny@163.com。

10.11973/wsjc201704012

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0060-04