相控陣技術(shù)在電廠小徑管檢測(cè)中的應(yīng)用

李延龍

（大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 托克托010206）

當(dāng)前，隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，電廠設(shè)備趨向于高參數(shù)、大容量，其運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)社會(huì)影響也越來(lái)越大，設(shè)備是火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，降低設(shè)備的缺陷發(fā)生率、提高設(shè)備可靠性，是設(shè)備管理的重要內(nèi)容。托電#9 新建機(jī)組在安裝過(guò)程中對(duì)焊接質(zhì)量監(jiān)督及焊口檢測(cè)合理應(yīng)用，是對(duì)機(jī)組以后安全運(yùn)行的保障。

1 常規(guī)方法檢測(cè)電廠小徑管局限性

火力發(fā)電廠受熱面作為電站鍋爐熱交換的主要場(chǎng)所，其特征是數(shù)量多，管徑較小，壁厚較薄，管排密集，現(xiàn)場(chǎng)焊口數(shù)量龐大，工期緊，檢測(cè)時(shí)間有限。目前針對(duì)受熱面小徑管焊口的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，都具有一定的局限性：

1.1 小徑管射線檢測(cè)的局限性

（1）檢測(cè)空間需求大：電廠管排間距較小，大多數(shù)時(shí)候只能透照一次，有效檢測(cè)范圍??；

（2）檢測(cè)盲區(qū)大：大容量電廠管壁厚度較大，射線檢測(cè)有效范圍小，增大了檢測(cè)盲區(qū)；

（3）危險(xiǎn)缺陷檢測(cè)靈敏度低：受裂紋，未熔等面狀缺陷檢出角的限制，射線檢測(cè)危險(xiǎn)缺陷靈敏度較低；

（4）污染環(huán)境：射線檢測(cè)有輻射傷害，污染環(huán)境，目前全國(guó)都在提倡環(huán)保，射線檢測(cè)無(wú)疑成為電廠工程污點(diǎn)；

（5）延誤工期：射線檢測(cè)不可交叉作業(yè)，且人員勞動(dòng)力低，基建工程，經(jīng)常出現(xiàn)射線延滯影響工程進(jìn)度。

1.2 小徑管常規(guī)超聲波檢測(cè)的局限性：

（1）檢出率低：小徑管曲率大，焊縫寬度與母材厚度比值大，多采用小晶片大K 值探頭，受表面波影響較大，缺陷波與雜波混淆，導(dǎo)致缺陷檢出率低；

（2）人為因素影響大：電廠檢測(cè)環(huán)境惡劣，且小徑管超聲檢測(cè)難度較大，因此檢測(cè)結(jié)果受檢測(cè)人員的水平、情緒和現(xiàn)場(chǎng)工況影響大；

（3）數(shù)據(jù)不可記錄：超聲檢測(cè)不可記錄數(shù)據(jù)，因此檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)重取決于檢測(cè)人員的責(zé)任心；

（4）要求較大檢測(cè)空間：常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)需手持探頭，因此管排間距要求至少大于10cmm。

2 檢測(cè)電廠小徑管新嘗試

超聲相控陣技術(shù)在國(guó)外發(fā)展十分迅速，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè),如對(duì)氣輪機(jī)葉片檢測(cè)、和渦輪圓盤的檢測(cè)、石油天然氣管道焊縫檢測(cè)、火車輪軸檢測(cè)、核電站檢測(cè)和航空材料的檢測(cè)等領(lǐng)域。

然而中國(guó)在超聲相控陣技術(shù)上的研究應(yīng)用尚處于起步階段，主要集中于醫(yī)療領(lǐng)域，在工業(yè)檢測(cè)方面還非常落后，中國(guó)大部分電廠仍然保守的使用常規(guī)超聲，歸結(jié)原因?yàn)橹袊?guó)標(biāo)準(zhǔn)的滯后及新技術(shù)推廣相對(duì)緩慢。

隨著近期許多電廠出現(xiàn)由于管排爆管而引起的非正常停爐現(xiàn)象日日增多，多數(shù)電廠將由于焊縫引起爆管原因歸咎于電廠基建時(shí)常規(guī)超聲檢出率低，存留大量隱患。

超聲相控陣技術(shù)兼?zhèn)渖渚€檢出率高和數(shù)據(jù)可記錄的特點(diǎn)，又可實(shí)現(xiàn)特殊位置交叉作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)受到電力行業(yè)認(rèn)可，國(guó)內(nèi)首個(gè)針對(duì)超聲相控陣的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也于2016 年2 月頒布，10 月份實(shí)施。

2.1 超聲相控檢測(cè)原理及特點(diǎn)

超聲相控陣成像技術(shù)是通過(guò)控制換能器陣列中各陣元的激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲,改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來(lái)自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系,實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化,完成聲成像的技術(shù)。

由于相控陣陣元的延遲時(shí)間可動(dòng)態(tài)改變, 所以使用超聲相控陣探頭探傷主要是利用它的聲束角度可控和可動(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)。

新技術(shù)應(yīng)用前我們也本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，制作缺陷試樣，分別采用相控陣檢驗(yàn)法、常規(guī)超聲波檢驗(yàn)法和射線檢驗(yàn)法對(duì)試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，再對(duì)3 種方法的檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確保對(duì)狹小位置焊口缺陷的檢出率，提高設(shè)備的安全性。

2.2 試驗(yàn)試樣與檢測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)一：

現(xiàn)場(chǎng)截取相同材質(zhì)、同規(guī)格材料焊制3 根缺陷管，先采用射線檢測(cè)方法對(duì)焊口進(jìn)行透照，并對(duì)射線底片進(jìn)行評(píng)定，缺陷制定情況為兩個(gè)超標(biāo)缺陷和一個(gè)不超標(biāo)缺陷。針對(duì)小徑管焊縫特點(diǎn)，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)備采用以色列ISONIC2009 超聲相控陣設(shè)備，探頭采用7.5Mhz，16 晶片探頭，楔塊采用與管徑相符的專用曲面楔塊。超聲相控陣技術(shù)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ASME-V，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參考DL/T869-2012。射線檢測(cè)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DL/T821-2002，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DL/T869-2012。

圖1 相控陣現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試圖片

圖2 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記缺陷

圖3 超標(biāo)缺陷1#

由以上對(duì)比圖可看出，該小徑管利用相控陣共檢測(cè)出兩處缺陷，利用編碼器、側(cè)視圖（B 掃）和俯視圖（C 掃）確定缺陷位置分別為3 點(diǎn)鐘和10 點(diǎn)鐘方向，從端面圖可看出，該缺陷位于焊縫中下部偏右側(cè)，利用A 掃判定此兩處缺陷最高反射波均處于判廢區(qū)位置，屬于超標(biāo)缺陷；而射線底片中由于3 點(diǎn)鐘存在盲區(qū)，所以只檢出10 點(diǎn)鐘位置的點(diǎn)狀缺陷，且由于管壁較厚，雙壁雙影法透照底片較模糊，缺陷易漏檢。

圖4 超標(biāo)缺陷2#

由以上對(duì)比圖可看出，相控陣共檢測(cè)出1 處缺陷，利用編碼器、側(cè)視圖（B 掃）和俯視圖（C 掃）確定缺陷位置分別為4 點(diǎn)鐘方向，長(zhǎng)度僅為1mm，從端面圖可看出，該缺陷位于焊縫中部，且有一定深度，利用A 掃判定此處缺陷最高反射波處于判廢區(qū)位置，屬于超標(biāo)缺陷；此缺陷投影在射線底片中可能僅為一個(gè)點(diǎn)狀，而4 點(diǎn)鐘方向底片較模糊，不容易判定，因此從射線底片上未發(fā)現(xiàn)此缺陷。

圖5 未超標(biāo)缺陷1#

由以上對(duì)比圖可看出，該管材母材位置相控陣檢測(cè)雜波較多，焊縫位置共檢測(cè)出2 處缺陷，分別位于焊縫中部、和近表面位置，利用A 掃判定焊縫中部最高反射波處于合格區(qū)，近表面反射信號(hào)最高回波處于合格區(qū)，均不屬于超標(biāo)缺陷，判定為合格；射線底片上未發(fā)現(xiàn)此兩處缺陷投影，判定為合格。

實(shí)驗(yàn)二：超聲和相控陣對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)截取相同材質(zhì)、同規(guī)格材料焊制10 根缺陷管，采用相同靈敏度情況下利用相控陣檢測(cè)設(shè)備與常規(guī)超聲檢測(cè)設(shè)備完成若干小徑管檢測(cè)，超聲相控陣技術(shù)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行ASME-V，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參考DL/T869-2012。超聲檢測(cè)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DL/T820-2002，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行DL/T869-2012。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出相控陣檢測(cè)小徑管時(shí)采用靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)。樣管規(guī)格如表1。

表1 樣管規(guī)格

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)超聲與相控陣結(jié)果對(duì)比

因此對(duì)比結(jié)果得出，在相同檢測(cè)靈敏度情況下，相控陣檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度大部分長(zhǎng)于常規(guī)超聲檢測(cè)長(zhǎng)度，相控陣檢測(cè)得到的最大波幅也略大于常規(guī)超聲。

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可得出結(jié)論：超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)相對(duì)常規(guī)超省靈敏度較高，從射線對(duì)比結(jié)果可以看出超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果基本相符，因此可以得出以下結(jié)論：超聲相控陣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)集箱管排小徑管的無(wú)損檢測(cè)工作，同時(shí)，相控陣探頭小巧、靈活，適用于現(xiàn)場(chǎng)工況需求，且無(wú)輻射、無(wú)污染，能夠適應(yīng)多工種立體交叉作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，解決了因采用射線檢測(cè)而造成其他人員全部需要安全避讓等問(wèn)題。

3 超聲相控陣技術(shù)在托克托電廠的應(yīng)用情況

內(nèi)蒙古托克托電廠#9 機(jī)組2016 年在基建過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)原因出現(xiàn)了設(shè)備部分位置間隙過(guò)小，焊接困難，射線檢驗(yàn)困難的情況，由于相控陣檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還未普及，托電項(xiàng)目也本著對(duì)新技術(shù)的探討和研究，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)替代常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)困難位置進(jìn)行檢測(cè)，確保焊口焊接質(zhì)量。新技術(shù)在托電現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖6。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)位置圖片

我們采用相控陣檢驗(yàn)方法對(duì)9#機(jī)組以下部件。（表3）

共計(jì)1920 道口進(jìn)行了檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集速度快，無(wú)輻射危險(xiǎn)，圖形成型良好，便于分析，在1920 道口中，發(fā)現(xiàn)體積型類型缺陷數(shù)量6 道，對(duì)6 道口進(jìn)行了返修，將焊口割開(kāi)后與相控陣采集結(jié)果相對(duì)比，缺陷尺寸基本吻合，很好的驗(yàn)證了相做控陣之前的試驗(yàn)對(duì)比。在緊張的基建安裝期間，保證了焊接質(zhì)量，提高的檢驗(yàn)速度。對(duì)在以后的困難位置積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

大唐國(guó)際托克托發(fā)電廠9#新建機(jī)組為660MW 超超臨界機(jī)組，受熱面材料選用多為合金鋼和奧氏體鋼，而且小徑管壁厚相比其他電廠的受熱面都有所增加，這更加增大了采用射線檢驗(yàn)方法或傳統(tǒng)超聲波檢驗(yàn)方法對(duì)焊口進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的難度，而相控陣檢驗(yàn)方法在同時(shí)具有射線和超聲檢驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)的情況下，又有它們不具備的特殊性，使得相控陣檢驗(yàn)技術(shù)在對(duì)受熱面小徑管的檢驗(yàn)中發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。金屬人員積極學(xué)習(xí)行業(yè)新技術(shù)，接受新鮮事物，并且不盲目跟風(fēng)，秉承踏實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，本著對(duì)工程質(zhì)量負(fù)責(zé)的態(tài)度，通過(guò)理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合，確保受熱面小徑管的焊接質(zhì)量得到大大提高。從2016 年至今，相控陣檢測(cè)的小徑管焊口在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生過(guò)泄露，認(rèn)真學(xué)習(xí)相控陣技術(shù)，在以后的工作中，能有更多的部件通過(guò)相控陣技術(shù)的檢測(cè)，來(lái)為電廠的安全生產(chǎn)工作保駕護(hù)航。

表3