鍋爐受熱面小徑管超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

王東，江野，劉文生，賈少威，王警衛(wèi)，朱國(guó)斌

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

鍋爐受熱面小徑管超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

王東，江野，劉文生，賈少威，王警衛(wèi)，朱國(guó)斌

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

依據(jù)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)原理，結(jié)合鍋爐受熱面小徑管對(duì)接焊縫的特點(diǎn)，研制了專用的超聲相控陣檢測(cè)換能器和楔塊，在PHASCAN型便攜式超聲相控陣儀上實(shí)現(xiàn)了小徑管對(duì)接焊縫的二維成像檢測(cè)。選擇?51mm×4mm的小徑管人工缺陷進(jìn)行驗(yàn)證，該檢測(cè)技術(shù)能快速、直觀、有效地檢測(cè)出裂紋缺陷，可確保鍋爐安全運(yùn)行，防止爆管。

鍋爐；受熱面小徑管；對(duì)接焊縫；超聲相控陣檢測(cè)；換能器；楔塊

0 引言

火力發(fā)電廠鍋爐受熱面所用的直徑小(32～89mm)且壁薄(4～12mm)的管子通常被稱為小徑管，隨著超臨界以及超超臨界機(jī)組不斷增加，機(jī)組運(yùn)行溫度、壓力等參數(shù)不斷提高，對(duì)電站鍋爐用小徑管的質(zhì)量提出了更高的要求。小徑管長(zhǎng)期處于高溫、高壓環(huán)境下，極易產(chǎn)生蠕變、疲勞和腐蝕，進(jìn)而引起嚴(yán)重的爆管事件[1]，嚴(yán)重威脅火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還會(huì)給電廠帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

對(duì)于小徑管焊縫裂紋類缺陷，一般采用磁粉、滲透、超聲等方法進(jìn)行探傷。磁粉、滲透探傷對(duì)焊縫表面光潔度要求較高且只能檢測(cè)表面或近表面缺陷，小徑管管壁較薄不能過度打磨，焊縫表面光潔度一般無法達(dá)到要求，容易造成漏檢。常規(guī)超聲波探測(cè)時(shí)耦合不佳，聲速擴(kuò)散，反射率低，降低了檢出率，檢測(cè)時(shí)只能發(fā)射角度固定的聲束，存在一定檢測(cè)盲區(qū)；同時(shí)，由于電站鍋爐小徑管管排比較密集，空間狹小，操作受到影響[2]。因此，尋求一種新的小徑管檢測(cè)技術(shù)顯得十分迫切。

本文通過理論分析，提出了一種專用超聲相控陣檢測(cè)換能器以及楔塊，并在PHASCAN型便攜式相控陣檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊開發(fā)。

1 超聲相控陣檢測(cè)的原理和特點(diǎn)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的不同延遲時(shí)間，改變聲波到達(dá)(或來自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和聲束方向的變化，從而進(jìn)行超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦[3]。這種檢測(cè)技術(shù)可以產(chǎn)生不同形式的聲束效果，模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以進(jìn)行電子掃描和動(dòng)態(tài)聚焦，無需或少移動(dòng)探頭，檢測(cè)速度快，探頭放在一個(gè)位置就可以生成被檢測(cè)物體的完整圖像，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃查，且可檢測(cè)復(fù)雜形狀的物體[4]。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)相比，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)速度、缺陷定量準(zhǔn)確性及降低作業(yè)強(qiáng)度等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)[5]。設(shè)計(jì)專用的相控陣超聲檢測(cè)換能器和楔塊，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鍋爐小徑管對(duì)接焊縫，能夠?qū)崿F(xiàn)電站鍋爐受熱面管焊縫裂紋的多角度、無盲區(qū)掃查，檢測(cè)靈敏度高，能有效排除此類隱患，對(duì)實(shí)現(xiàn)鍋爐安全運(yùn)行具有重要意義。

2 小徑管對(duì)接焊縫超聲相控陣檢測(cè)工藝

2.1 換能器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

超聲相控陣換能器的性能對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很大，換能器設(shè)計(jì)與制作是極為關(guān)鍵的技術(shù)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，換能器多為均勻線陣，均勻線陣的主要參數(shù)包括換能器頻率、換能器陣元數(shù)、陣元間距、陣元寬度、陣元尺寸和輻射角等。若換能器參數(shù)選用不合適，聲場(chǎng)分布除了主瓣外還會(huì)出現(xiàn)柵瓣和較高的旁瓣。柵瓣是產(chǎn)生偽像的主要原因之一，旁瓣的出現(xiàn)一方面降低了主瓣的能量和系統(tǒng)的對(duì)比度分辨力，同時(shí)還可能會(huì)造成偽像。由于系統(tǒng)的橫向分辨力主要取決于主瓣的寬度，所以減少主瓣寬度即可提高系統(tǒng)的橫向分辨力。因此，相控陣換能器的主要設(shè)計(jì)原則即為最小化方向銳角，抑制旁瓣，消除柵瓣[6]。

電站鍋爐受熱面管曲率大、管壁薄，且受熱面管子排列緊密，實(shí)際掃查空間較小，因此，換能器在滿足檢測(cè)的同時(shí)應(yīng)盡可能小。通過研究分析，定制了自聚焦換能器7.5S16-0.5×10-D10，外形及尺寸如圖1所示，主要參數(shù)見表1。換能器采用弧形晶片，具有周向自聚焦功能，能有效改善聲場(chǎng)形狀，如圖2所示。

圖1 換能器尺寸及外形

圖2 換能器在小徑管的聲場(chǎng)形狀

項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)測(cè)參數(shù)中心頻率(-6dB)/MHz7．50(1±10%)7．43相對(duì)帶寬(-6dB)/%≥60．0093．09脈沖長(zhǎng)度/μs≤0．530．31均勻性靈敏度/dB±3．00+1．00/-1．38界面波和反射回波比值≤-60-62陣元數(shù)目1616陣元間距/mm0．50．5陣元間隙/mm0．10．1陣元寬度/mm1010

2.2 楔塊的設(shè)計(jì)

電站鍋爐受熱面管管徑小且排布緊密，除了對(duì)換能器有較高的要求外，還必須有專門定制的楔塊來配合完成焊縫裂紋準(zhǔn)確、快捷的成像檢測(cè)。

本次試驗(yàn)楔塊制作材料選擇聚苯乙烯，楔塊內(nèi)聲速為2 337m/s，楔塊前段設(shè)有消聲槽，鑲嵌阻抗橡膠，可有效降低界面反射波的干擾。根據(jù)電站鍋爐受熱面管的實(shí)際情況，專門設(shè)計(jì)定制了SD10-N60S-IH-AODXX系列楔塊，入射角度為39°，整體尺寸設(shè)計(jì)為18mm×22mm×12mm(長(zhǎng)×寬×高)，如圖3所示。

圖3 SD10-N60S-IH-AOD60.33楔塊

2.3 靈敏度的設(shè)置

將探頭放在試塊R2外弧面上并前后移動(dòng)，使5mm深的?1mm通孔反射信號(hào)移動(dòng)到不同聲速角度，增益至波高的80%，記錄增益值。對(duì)8mm深的?1 mm通孔重復(fù)上述步驟，得到探頭在不同聲速角度的靈敏度，見表2。由表2可知，聲束角度80°時(shí)的直射波是整個(gè)掃查覆蓋范圍內(nèi)靈敏度最低的地方，故選擇聲束角度80° 時(shí)8 mm深的?1mm通孔反射波高80%時(shí)的增益值為檢測(cè)靈敏度。

表2 不同聲速角度的靈敏度 dB

圖4 聲速覆蓋范圍

圖5 某電站鍋爐高溫再熱器進(jìn)口管屏焊縫裂紋

2.4 探頭放置和聲束覆蓋范圍設(shè)置

相控陣扇形掃查可掃查整個(gè)工件界面，而無需前后移動(dòng)探頭。對(duì)于4～12mm厚的受熱面管焊縫，為實(shí)現(xiàn)直射波、一次反射波全覆蓋掃查，需要較大的掃查角度，但增大聲速偏轉(zhuǎn)角度會(huì)降低靈敏度，因此需要進(jìn)行模擬研究，找到一個(gè)掃查范圍，既能滿足全覆蓋掃查的要求，又能保證一定的靈敏度。

在實(shí)際檢測(cè)時(shí)一般應(yīng)用超聲波檢測(cè)模擬軟件ESBeamTool模擬不同掃查角度、不同探頭放置位置時(shí)聲速覆蓋的情況。經(jīng)分析，掃查角度為40°～80°，探頭放置在距離焊縫中線δ±2 mm(δ為管壁厚)時(shí)，可以滿足全覆蓋掃查要求，對(duì)于4 mm和6 mm厚的焊縫，聲速覆蓋范圍如圖4所示。

3 小徑管相控陣掃查分析

電站鍋爐受熱面管焊縫裂紋大多產(chǎn)生在焊縫邊緣熱影響區(qū)，內(nèi)外側(cè)均可能產(chǎn)生裂紋，如圖5所示。

為了驗(yàn)證小徑管對(duì)接焊縫檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鍋爐小徑管焊縫的檢測(cè)靈敏度，此次試驗(yàn)采用目前電站鍋爐受熱面中?51mm×4mm的小徑管制作了2個(gè)模擬裂紋缺陷對(duì)比試塊，材質(zhì)為T91，具體參數(shù)見表3。

超聲相控陣檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像檢測(cè)，在檢測(cè)界面中導(dǎo)入繪制的焊縫坡口圖形，就可實(shí)現(xiàn)小徑管對(duì)接焊縫的成像檢測(cè)，如圖6所示。在小徑管檢測(cè)系統(tǒng)界面的相關(guān)功能菜單中選擇相應(yīng)的探頭、楔塊和工件類型，并完成超聲基本參數(shù)和聚焦法則的設(shè)置，部分參數(shù)見表4。

對(duì)#1，#2對(duì)比試樣A，B側(cè)管壁進(jìn)行掃查檢測(cè)。將探頭放在試樣管壁外弧面上，探頭前端離焊縫中心線(4±2)mm，以增益33dB為檢測(cè)靈敏度，對(duì)試塊的3處人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)。探頭不做前后移動(dòng)，只在檢測(cè)面上沿試塊周向勻速移動(dòng)，得到#1，#2對(duì)比試樣A，B側(cè)掃查檢測(cè)結(jié)果，如圖7～10圖所示。在圖中可以清楚地看到缺陷二次波反射回波圖像，成像位置與缺陷所在位置一致，易于辨別。

表3 對(duì)比試樣具體參數(shù)

圖6 檢測(cè)軟件界面

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值檢測(cè)范圍/mm20橫波聲速/(m·s-1)3290掃描類型扇形起始角度/(°)40．0終止角度/(°)80．0步進(jìn)/(°)0．5聚焦類型真實(shí)深度

圖7 #1對(duì)比試樣A側(cè)掃查檢測(cè)結(jié)果

圖8 #1對(duì)比試樣B側(cè)掃查檢測(cè)結(jié)果

圖9 #2對(duì)比試樣A側(cè)掃查檢測(cè)結(jié)果

圖10 #2對(duì)比試樣B側(cè)掃查檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過理論分析相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種專用的相控陣超聲檢測(cè)換能器和楔塊，能完全覆蓋這個(gè)小徑管對(duì)接焊縫，很好地提高了檢測(cè)效率。

(2)在PHASCAN型便攜式超聲相控陣檢測(cè)儀基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)小徑管對(duì)接焊縫二維檢測(cè)，其裂紋類缺陷檢測(cè)靈敏度高，成像位置準(zhǔn)確，檢測(cè)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、易于判斷。

(3)結(jié)合試驗(yàn)可知，由于相控陣聚焦及偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，單側(cè)檢測(cè)就可以查出小徑管環(huán)焊縫全部區(qū)域危害性的缺陷。

[1]馬延會(huì)，蘇德瑞，劉建屏，等.鍋爐受熱面小徑管周向缺陷磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)研究[J].華北電力技術(shù)，2014(9)：39-43.

[2]金南輝，牟彥春.小徑管對(duì)接焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2010，32(6)：427-430.

[3]李衍.超聲相控陣技術(shù)[J].無損探傷，2007，31(4)：24-28.

[4]靳峰，楊旭，劉文生，等.叉型葉根超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)研究[J].熱加工工藝，2013，42(24)：217-218.

[5]單寶華，喻言，歐進(jìn)萍.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)超聲相控陣檢測(cè)成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].海洋工程，2005，23(2)：104-107.

[6]張武能，汪毅，靳峰，等.汽輪機(jī)葉片菌型葉根相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)[J].無損探傷，2013，37(3):44-45.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-04-05；

2017-06-20

TG

A

1674-1951(2017)07-0007-04

王東(1989—)，男，河南安陽(yáng)人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事電力行業(yè)無損檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用研究和電力行業(yè)的失效分析研究(E-mail:wangd_1989@163.com)。