相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在核電廠高壓排氣管線角接焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

劉恩凱1,施建輝1,丁清越1,王 濤,朱 強(qiáng)

(1.陽江核電有限公司, 陽江 529500;2.廣州帕理檢測(cè)技術(shù)有限公司, 廣州 510000)

核電廠常規(guī)島汽輪機(jī)蒸汽和疏水系統(tǒng)可大致分為蒸汽回路和疏水回路。蒸汽回路的作用是保證向汽輪機(jī)高壓缸提供飽和蒸汽，將高壓缸排氣送到汽水分離再熱器，自汽水分離再熱器向低壓缸提供過熱蒸汽。疏水回路系統(tǒng)的作用是：保證啟動(dòng)時(shí)排除暖機(jī)過程中形成的水，連續(xù)運(yùn)行時(shí)排除沿蒸汽流動(dòng)方向分離出的水，在瞬態(tài)過程中排除飽和蒸汽形成的水。在汽輪機(jī)的各個(gè)部位設(shè)有疏水系統(tǒng)，其中高壓環(huán)線和高壓汽室的疏水和蒸汽回路管線要承受高溫、高壓的作用，易產(chǎn)生缺陷。國內(nèi)某電廠高壓排氣管線就發(fā)生過泄漏事件，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)部分主管線上的人孔門、支管焊縫等在制造階段未進(jìn)行體積性檢驗(yàn)，該階段自帶的缺陷加上高溫高壓的運(yùn)行工況導(dǎo)致了此次泄漏。

為了確認(rèn)其他類似焊口是否存在同樣的問題，需要在電廠大修階段對(duì)高壓排氣管線上支管焊縫和人孔門焊縫進(jìn)行體積性排查?？紤]到管線已經(jīng)整體連接，其焊縫結(jié)構(gòu)為插入式或安放式，現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)不具備常規(guī)射線檢測(cè)條件。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求及經(jīng)過技術(shù)調(diào)研，采用可記錄的超聲檢測(cè)技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射線檢測(cè)，又考慮角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，TOFD檢測(cè)技術(shù)不適用，最終確定采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行排查[1]。

1 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

超聲成像檢測(cè)技術(shù)利用聲波穿透物體而獲得物體內(nèi)部聲學(xué)特征的信息，再將其變成人眼可見的圖像，即可以獲得不透光物體內(nèi)部聲學(xué)特性分布的圖像。目前超聲成像技術(shù)有很多種，例如P掃描成像、ALOK超聲成像、相控陣、TOFD技術(shù)等[2]。文章僅研究工業(yè)檢測(cè)常用的相控陣超聲技術(shù)。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)主要特點(diǎn)是壓電復(fù)合陣列探頭中各陣元的激勵(lì)均由計(jì)算機(jī)控制。其在實(shí)施檢測(cè)時(shí)，可通過計(jì)算機(jī)控制聲束覆蓋范圍及角度，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣超聲技術(shù)所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)較射線更為突出，主要有以下幾點(diǎn)。

(1) 相控陣超聲聲束可實(shí)現(xiàn)聚焦檢測(cè)[3]，并且聲束可偏轉(zhuǎn)，扇形掃查可檢測(cè)范圍較大。相對(duì)于脈沖反射法常規(guī)檢測(cè)，相控陣超聲技術(shù)大大提高了檢測(cè)效率。

(2) 在軟件中輸入檢測(cè)焊縫的實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸，可以實(shí)時(shí)模擬聲束的掃查范圍及路徑，查看檢測(cè)的覆蓋范圍及缺陷的位置。

(3) 掃查距離要求較短。探頭不移動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)楔塊的角度、線性掃查以及聲束的偏轉(zhuǎn)等方式可實(shí)現(xiàn)焊縫中聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)。

(4) 相控陣設(shè)備可以將不同波幅的幅值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成不同的顏色，從而通過圖像色彩來判別波幅大小，比脈沖反射法常規(guī)檢測(cè)通過捕捉閃動(dòng)的波形來發(fā)現(xiàn)缺陷更具優(yōu)勢(shì)。

2 模擬試塊驗(yàn)證及檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

為了更好地分析角接焊縫相控陣超聲檢測(cè)工藝的特點(diǎn)及相關(guān)檢測(cè)參數(shù)的可靠性，以現(xiàn)場(chǎng)代表性的角接焊縫(雙面焊)為例，通過制作帶有自然焊接缺陷的模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)工藝試驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)焊縫的特點(diǎn)，綜合考慮選用不同的軟件，探頭以及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)。

2.1 模擬試塊驗(yàn)證

圖1為腹板厚度T為14 mm的單K型坡口試板與腹板厚度T為19 mm的試板焊成的T型角焊縫(埋藏自然缺陷)試塊結(jié)構(gòu)及其缺陷位置示意，選擇K型坡口主要是考慮其可同時(shí)覆蓋V型坡口形式焊縫。圖2為T型角焊縫實(shí)物。

命題 3.1 測(cè)度Μ(B,K)是Rd上的界為0 <∞的框架, 框架算子為S, K是S, S-1的不變子集, S為Borel映射, 那么存在測(cè)度框架ν, 使得μ+ν是Rd上的界為λ的緊框架, 其中λ>B。

圖1 T型角焊縫試塊結(jié)構(gòu)及其預(yù)制缺陷位置示意

圖2 T型角焊縫實(shí)物圖片

2.1.1 相控陣超聲檢測(cè)

(1) 檢測(cè)參數(shù)。采用f=7.5 MHz的32陣元的相控陣超聲探頭，相鄰晶片中心線間距p=0.5 mm，晶片寬度e=0.4 mm，相鄰晶片間的間隙g=0.1 mm。一次激發(fā)16個(gè)陣元(即9～24),扇形角度范圍為55°～75°。

圖3 T型角焊縫PA檢測(cè)出的坡口未熔合缺陷

(2) 檢測(cè)結(jié)果。相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了坡口未熔合缺陷(見圖3)，該缺陷長度為18 mm，深度為2.9 mm，自身高度為2.4 mm，幅度為129.9%。缺陷自身高度采用相控陣超聲橫波端點(diǎn)衍射法測(cè)量。

2.1.2 解剖驗(yàn)證

對(duì)坡口未熔合進(jìn)行解剖驗(yàn)證，得到其自身高度為2.5 mm，如圖4所示。

圖4 解剖坡口未熔合缺陷

通過基礎(chǔ)模擬測(cè)試可知，對(duì)于角接焊縫的檢測(cè)主要要注意缺陷的方向性，而具有方向性的缺陷主要為面積性缺陷(裂紋、未熔合)，因此制定工藝的時(shí)候要考慮缺陷的方向性及檢測(cè)區(qū)域的聲束全覆蓋。

2.2 實(shí)際檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

表1 高壓排氣管線焊縫結(jié)構(gòu)及坡口形式

2.2.1 探頭參數(shù)選擇

焊縫材料為碳鋼，其晶粒對(duì)聲束的衰減較小，故在保證穿透力的前提下宜盡量選擇較高的探頭頻率來提高檢測(cè)的靈敏度及聲束的指向性[4]。相控陣探頭陣元數(shù)量越多，陣列孔徑越大，可提高探頭的橫向分辨力，但會(huì)使得近場(chǎng)區(qū)增加；另外，考慮檢測(cè)部件弧度較大，需要采用帶有弧度楔塊的探頭來保證耦合，若晶片數(shù)量增多會(huì)導(dǎo)致探頭面積增大而影響耦合效果。故確定選用7.5 MHz，晶片數(shù)量16個(gè)、間距為0.5 mm的相控陣探頭檢測(cè)安放式焊縫；選用5 MHz，晶片數(shù)量為32個(gè)、間距為0.5 mm的相控陣探頭檢測(cè)插入式焊縫。

2.2.2 楔塊的設(shè)計(jì)

楔塊的設(shè)計(jì)主要考慮角度及弧度。角度主要影響相控陣激發(fā)的聲束在檢測(cè)工件中的有效檢測(cè)角度范圍；弧度主要考慮檢測(cè)工件外表面弧度，為了保證耦合效果，楔塊的曲率應(yīng)盡量與掃查面所在的曲率一致。確定采用楔塊角度為55°，尺寸(長×寬)為32 mm×22 mm的平面型楔塊檢測(cè)插入式焊縫;采用楔塊角度為60°，曲率半徑為44.5 mm的曲面楔塊檢測(cè)支管焊縫。

2.2.3 掃查方式規(guī)定

對(duì)于支管安放式焊縫結(jié)構(gòu)(見表1)，無法進(jìn)行焊縫兩側(cè)掃查，只能進(jìn)行單側(cè)掃查。為了保證不同位置的缺陷不因方向性而出現(xiàn)漏檢，因此需要在單側(cè)進(jìn)行兩次掃查，兩次掃查的交叉角度應(yīng)至少大于10°(見圖5)。其中安放式焊縫探頭放在支管上進(jìn)行單側(cè)兩次掃查，其焊縫結(jié)構(gòu)模擬對(duì)接管道環(huán)焊縫。GPV(汽輪機(jī)蒸汽和疏水系統(tǒng))人孔門因其焊縫在主管線上，屬于插入式結(jié)構(gòu)，探頭應(yīng)同時(shí)在主管和人孔門上進(jìn)行掃查。但是因其結(jié)構(gòu)原因需要采用特殊的軟件對(duì)焊縫進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建立，以便發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)儀器上顯示的缺陷信號(hào)位置能與缺陷的實(shí)際位置對(duì)應(yīng)，不影響檢測(cè)過程中缺陷的判斷和定位。圖6所示為人孔門插入式角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)掃查圖。因此，不同焊縫結(jié)構(gòu)形式選擇的軟件或者相控陣設(shè)備是不同的。

圖5 安放式焊縫結(jié)構(gòu)掃查示意

圖6 插入式焊縫結(jié)構(gòu)的相控陣超聲檢測(cè)掃查示意

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

在DL/T 1718-2017標(biāo)準(zhǔn)公開發(fā)布之前，在沒有任何可直接參考的行業(yè)相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，筆者按照上述自主開發(fā)的相控陣檢測(cè)工藝及相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在歷次大修中進(jìn)行了檢測(cè)應(yīng)用，多次發(fā)現(xiàn)不合格缺陷，及時(shí)消除了影響機(jī)組運(yùn)行的焊縫品質(zhì)隱患。同時(shí)，從后期焊縫的運(yùn)行情況來看，相控陣超聲檢測(cè)可以有效地檢測(cè)出焊縫的內(nèi)部缺陷，能保障后期機(jī)組安全可靠地運(yùn)行；另外，應(yīng)用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)不僅解決了射線檢測(cè)帶來的輻射風(fēng)險(xiǎn)、工期緊張、禁止交叉作業(yè)等問題，還縮短了大修工期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的含缺陷焊縫進(jìn)行挖補(bǔ)跟蹤，進(jìn)一步確認(rèn)所采用的檢測(cè)技術(shù)及結(jié)果評(píng)判的準(zhǔn)確性。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)人孔門角焊縫存在疑似裂紋缺陷，通過相控陣圖譜判斷該缺陷屬于面積型缺陷，進(jìn)一步考慮焊接過程產(chǎn)生的面積缺陷主要為裂紋和未熔合，基于裂紋與未熔合缺陷在A掃查圖上顯示的差異進(jìn)行綜合判斷而確認(rèn)為裂紋缺陷，缺陷現(xiàn)場(chǎng)挖出后也同樣確認(rèn)為裂紋缺陷[5](見圖7)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及挖出的裂紋缺陷

4 結(jié)語

通過對(duì)高壓排氣管線的角接焊縫進(jìn)行相控陣超聲排查，發(fā)現(xiàn)了大量的不合格焊接缺陷。經(jīng)過歷次大修的應(yīng)用，已建立起一套專用標(biāo)準(zhǔn)化的相控陣檢測(cè)規(guī)程，對(duì)檢測(cè)所用的探頭、設(shè)備、軟件等進(jìn)行了明確規(guī)定，有力地保證了檢測(cè)工藝的可靠性及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，通過排查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了焊縫中的不合格缺陷，通過返修去除了隱患，保證了電廠運(yùn)行的安全性。同時(shí)采用了可記錄的超聲檢測(cè)技術(shù)代替了射線檢測(cè)技術(shù)，彌補(bǔ)了射線檢測(cè)技術(shù)的局限性。同時(shí)，超聲檢測(cè)已經(jīng)從常規(guī)的脈沖反射檢測(cè)步入可記錄的成像檢測(cè)時(shí)代，大大彌補(bǔ)了常規(guī)超聲檢測(cè)相比射線檢測(cè)存在的不足，且相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以交差作業(yè)，無需輻射防護(hù)成本，耗材成本較低，檢測(cè)效率較高。