全聚焦相控陣檢測技術(shù)在水電廠的應(yīng)用

陳 蕊，黃微頻，雷橋軍

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

無損檢測技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的一部分，主要應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、成品檢驗、服役設(shè)備性能評估等各個方面[1]。超聲檢測是無損檢測領(lǐng)域的一個重要分支[2]。與其他檢測方法相比，超聲檢測具有適用性強、穿透力好、設(shè)備便攜、操作安全等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用[3]。近年來隨著科技的迅猛發(fā)展，許多相關(guān)技術(shù)，如壓電復(fù)合材料、納秒級脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理與分析、計算機軟件技術(shù)等在相控陣超聲檢測技術(shù)中的綜合運用，使得相控陣超聲檢測技術(shù)得到快速發(fā)展[4]，例如二維或三維的成像、高分辨率、信號處理的能力等。與傳統(tǒng)超聲檢測相比，相控陣超聲檢測技術(shù)在檢測速度、缺陷定量準(zhǔn)確性及降低作業(yè)強度等方面有著明顯的優(yōu)勢[5]，在水電廠金屬監(jiān)督工作中，作者及團隊發(fā)現(xiàn)機組某些部位(如小于10 mm的管道、形狀不規(guī)則的葉片及大型號螺栓)常規(guī)超聲波探傷技術(shù)無法正確定位，需更先進的技術(shù)進行檢測。因此在水電廠的金屬監(jiān)督工作中引進了全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)。

1 全矩陣數(shù)據(jù)及全聚焦成像算法

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)的概念

基于全矩陣數(shù)據(jù)的相控陣后處理成像檢測技術(shù)的第一步，是要獲得全矩陣數(shù)據(jù)[6]。全矩陣數(shù)據(jù)是指將相控陣換能器內(nèi)所有陣元依次作為發(fā)射單元和接收陣元，所采集到的超聲回波時域信號，是發(fā)射陣元序列、接收陣元序列和時間采樣點數(shù)的三維數(shù)據(jù)。如圖1、圖2所示，假設(shè)將相控陣超聲檢測采集的全部回波數(shù)據(jù)作為一個線性空間，矩陣數(shù)據(jù)即為該線性空間的一組基底，相控陣超聲成像技術(shù)的研究可等價為對全矩陣數(shù)據(jù)的后處理算法研究。

圖1 3D全聚焦成像技術(shù)原理圖

圖2 3D全聚焦成像技術(shù)原理圖

1.2 3D全聚焦成像技術(shù)

本技術(shù)是由廣東省汕頭超聲電子股份有限公司研發(fā)[7]，利用硬件芯片的高速并行運算能力實現(xiàn)了硬件的全聚焦計算，并把二維全聚焦成像檢測擴展至三維，檢測圖像刷新率高達20幅/秒，數(shù)據(jù)實時處理能力約2.5G字節(jié)/秒，從真正意義上實現(xiàn)了實時3D全聚焦成像檢測，填補了當(dāng)前國內(nèi)外在實時3D相控陣全聚焦成像檢測領(lǐng)域的空白。

1.3 全聚焦成像算法

全聚焦成像算法使用了所有的全矩陣數(shù)據(jù)，后處理聚焦到被測區(qū)域內(nèi)任意點，利用合成的幅值信息，實現(xiàn)圖像表征。對于規(guī)則的矩形試塊，全聚焦成像算法的原理如圖3所示，相控陣換能器通過楔塊耦合于被測區(qū)域上表面[8]。按照全矩陣采集方法獲得全矩陣數(shù)據(jù)，針對某一目標(biāo)聚焦點，利用延時法則將換能器中所有發(fā)射接收陣元組合的超聲回波信號在該點疊加，獲得表征該點信息的幅值。依次得到被測區(qū)域內(nèi)每一個聚焦點的幅值，即可完成整個被測區(qū)域內(nèi)的成像。

圖3 3D全聚焦成像算法的原理圖

2 全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)在國家能源集團大渡河流域水電站的應(yīng)用

2.1 大渡河流域水電站基本情況

國家能源集團大渡河流域水電開發(fā)有限公司于2000年成立，該公司主要負(fù)責(zé)大渡河流域開發(fā)和西藏帕隆藏布流域開發(fā)籌建，擁有大渡河干流、支流以及西藏帕隆藏布流域水電資源約3 000萬kW。投產(chǎn)電站有龔嘴、銅街子、瀑布溝、深溪溝、大崗山、枕頭壩一級、猴子巖、吉牛、沙坪二級等9個大渡河流域電站，在運機組44臺，總裝機容量1 133.8萬。在大渡河流域已投產(chǎn)運營的9個電站，均由作者所在單位進行檢修，其金屬監(jiān)督均采用了無損探傷技術(shù)。電站各機組裝機大小差異大，類型多樣，運行環(huán)境各異，運行工況復(fù)雜，受電網(wǎng)運行和電力市場的影響，機組開停機較為頻繁，經(jīng)過震動區(qū)的時候相對較多，基于這些特點，大渡河流域各電站的金屬監(jiān)督工作任務(wù)非常繁重。由于金屬監(jiān)督工作不斷拓展，探傷工作量不斷增加，為滿足本單位的工作需要，同時爭取拓展更大的外部市場，作者單位引進了全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)，為后期的日常工作以及科技研發(fā)提供技術(shù)支持。

2.2 全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)實際應(yīng)用情況

瀑布溝水電站是國家“十五”重點工程和西部大開發(fā)標(biāo)志性工程，是大渡河流域中游的控制性水庫。電站總裝機容量360萬kW，安裝6臺單機容量60萬kW的混流式水輪機，多年平均發(fā)電量145.85億kWh。今年瀑布溝首臺機組A級檢修之際，作者團隊在金屬監(jiān)督工作中將全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)實踐應(yīng)用于該臺機組探傷試驗中，下面為某一工件的實操情況。

2.2.1 被檢測工件——發(fā)電機轉(zhuǎn)子吊具

被檢測工件如圖4所示，其尺寸為：直徑1 600 mm，厚度45 mm，而被檢部位為吊具卡座上方直角部位一圈內(nèi)部，如圖5所示，此部位容易產(chǎn)生不同方向的裂紋。

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子吊具

圖5 被檢部位示意圖

由于圖5工件結(jié)構(gòu)的特殊性，采用一般脈沖反射法，平裂紋是卡座平面往內(nèi)部的延伸，各個方向放置探頭均不能有效得到反射波，從而無法檢測。使用全聚焦檢測方法，對反射面的垂直度要求較低，對帶曲率或者側(cè)平面仍有較好的成像效果，利用3D全聚焦連續(xù)掃查，可以成像整圈吊具卡座形貌，對內(nèi)裂或者平裂有較好的檢出效果。

檢測時將探頭放置于吊具卡座上方的柱面，使其全聚焦的原理能覆蓋如圖中的紅色區(qū)域內(nèi)，加上掃查編碼器，用儀器橫波連續(xù)掃查模塊，沿著柱面掃查一周，可以掃查出所有裂紋，因為全聚焦對缺陷的方向不明顯，所有各個方向的缺陷及卡座面都可以清晰成像(如圖6)。而用使用動態(tài)聚焦普通相控陣做扇形C掃查，不能對端面和非垂直于聲束線的缺陷成像。

圖6 缺陷成像圖

檢測結(jié)果如圖7所示，3D連續(xù)成像可以清晰成像吊具卡座端面，且整齊平整與實物對應(yīng)。若有平裂紋，那3D連續(xù)掃查成像部分會往前延伸，且不平整；若是斜向上裂紋，在3D連續(xù)掃查成像部分可以直接看出，明顯突出不平成像(如圖8右圖)，左側(cè)3D成像圖可以旋轉(zhuǎn)直觀觀察，分析界面右側(cè)剖面圖可以看出具體方向和長度。

圖7 檢測結(jié)果圖

圖8 不平成像圖

用3D全聚焦連續(xù)掃查方式檢測發(fā)電機轉(zhuǎn)子吊具，能有效檢測出卡座延伸內(nèi)裂紋，回放軟件可以清晰觀測裂紋走向、長度、深度等信息，并可測量三維空間內(nèi)的尺寸。

2.2.2 被檢測工件——固定導(dǎo)葉

水輪機的導(dǎo)水部件是一個重要的引飲水部件，主要調(diào)節(jié)于水輪機過水的流量，保證轉(zhuǎn)輪進口處有較為均勻的環(huán)量。在水電廠中，由于固定導(dǎo)葉無損檢測中使用探頭移動的空間受限，常規(guī)檢測時需要使用不同角度的探頭，利用相控陣檢測進行扇形掃查可實現(xiàn)全覆蓋檢測，檢測效率與可靠性大大提高。檢測時將探頭放置于固定導(dǎo)葉表面，使其全聚焦的原理能覆蓋所需檢測的部位，用儀器橫波連續(xù)掃查模塊，沿著固定導(dǎo)葉表面掃查，可以掃查出所有裂紋，因為全聚焦對缺陷的方向不明顯，所有各個方向的缺陷及卡座面都可以清晰成像(如圖9)。在電腦中進行分析可以準(zhǔn)確判斷出該裂紋的具體情況(如圖10)。

圖9 水輪機缺陷成像圖

圖10 缺陷分析圖

2.2.3 被檢測工件——大型螺栓

水力發(fā)電機組在運行過程中，構(gòu)件之間受到很大的振動、沖擊等動載荷作用，構(gòu)件間的夾緊力是依靠對螺栓施加預(yù)緊力來實現(xiàn)的，故螺栓必須采用高強度鋼制造，例如常見的水輪機底環(huán)和座環(huán)連接螺栓、頂蓋和座環(huán)聯(lián)接螺栓、水輪機軸和發(fā)電機軸的聯(lián)軸螺栓、水輪機軸和轉(zhuǎn)輪的聯(lián)接螺栓、接力器和活塞桿的組合螺栓等主要高強度螺栓，而高強螺栓除了其材料強度很高之外，在施加擰緊力矩后，螺栓產(chǎn)生巨大而又受控制的預(yù)拉力。通過螺帽和墊片，該預(yù)拉力對被聯(lián)接件也產(chǎn)生了同樣大小的預(yù)壓力。在預(yù)壓力的作用下，沿被聯(lián)接件表面就會產(chǎn)生較大的摩擦力，就可能導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生裂紋，螺栓的根徑裂紋嚴(yán)重影響到螺紋的使用。因此對這些螺栓的無損檢測變得尤為重要，利用二維全聚焦相控陣成像掃查覆蓋螺栓的螺紋區(qū)域，圖像化清晰顯示齒根排列，很容易判斷螺紋有沒有產(chǎn)生裂紋。本次檢測為瀑布溝電站的連接螺栓(如圖11)。

圖11 連接螺栓圖

2.2.4 被檢測工件——小型螺栓

水電站中有許多小型螺栓，他們也發(fā)揮著重要作用，如常見的蝸殼人孔門連接螺栓、尾水人孔門連接螺栓、靠近水源側(cè)第一個法蘭處螺栓等。在作者團隊檢修工作時發(fā)現(xiàn)每年螺栓都會出現(xiàn)不同程度的損壞，若裂紋沒發(fā)生在螺紋，可能不會引起注意，但在機組運行時，由于機組的振動和擺動、水流的沖擊等原因，會導(dǎo)致螺栓直接斷裂，嚴(yán)重影響機組的正常運行。本次試驗利用全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)掃描檢測，不僅對螺栓的整體結(jié)構(gòu)看得更清晰明了，而且提高了檢測效率，對缺陷進行了圖像化顯示(如圖12)。

圖12 小型螺栓分析圖

3 該技術(shù)在電站應(yīng)用的展望

3.1 焊縫檢測

水電站中的鋼結(jié)構(gòu)、壓力容器、輸送管道、油罐、儲罐等對接焊縫、角焊縫、TKY焊縫都可以采用該項技術(shù)進行掃查，利用L-L，T-T和L-LL，T-TT等模式對焊縫進行全覆蓋，沿線掃查替代鋸齒形掃查，提高檢測效率及檢測可靠性。

3.2 小管徑管道無損檢測

水電站中一些輸送油氣水三種管道的小管徑無損檢測一直是個難題，因為管道直徑小、管壁薄(通常小于10 mm)、弧度大，無法用常規(guī)超聲波檢測，射線檢測雖結(jié)果準(zhǔn)確，但對人體傷害較大。因此作者團隊使用全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)來檢測薄管，用3D全聚焦掃查方式能有效檢測出管道中的裂紋，回放軟件可以清晰觀測裂紋走向、長度、深度等信息，并可測量三維空間內(nèi)的尺寸。

3.3 PE管接頭檢測

乙烯管道電熔接頭采用相控陣全聚焦檢測，可以對焊接良好、未熔焊接、夾渣(泥或沙)、過燒焊接以及冷焊進行檢測，檢測結(jié)果清晰明了，易于判斷。乙烯管道熱熔接頭采用相控陣串列式掃查及扇形掃描可對接頭全覆蓋，各類缺陷均有較高的檢出率。

3.4 復(fù)合材料相控陣C掃描檢測

隨著專業(yè)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的廣泛使用于水電站的設(shè)備中，以前檢測均是采用單探頭單點檢測，檢測效率低且容易漏檢。采用全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)掃描檢測，不僅可以提高檢測效率，對常見的脫粘缺陷進行圖像化顯示，對缺陷面積進行評估。

由于產(chǎn)品設(shè)計需要，目前很多產(chǎn)品由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)材料焊接而成，因而焊縫的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜。對些產(chǎn)品進行超聲檢測時，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，僅憑常規(guī)的超聲波檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的難度越來越高。

3.5 大渡河流域水電站的應(yīng)用展望

后續(xù)金屬監(jiān)督工作中該技術(shù)將以科技研發(fā)為主，如根據(jù)實際工件大小研發(fā)探頭等。目前機組活動導(dǎo)葉、大型號螺栓通過常規(guī)超聲波A掃，缺陷回波信號不明顯，結(jié)果并不直觀。因工件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果能采用全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)對其進行檢測，可在三維空間內(nèi)從各個不同空間角度采集被檢測工件內(nèi)部的缺陷信息，信息采集更充分，缺陷漏檢率更低，尤其在奧氏體粗晶材料檢測方面，空間全矩陣信息采集技術(shù)能夠有效保證重構(gòu)圖像缺陷的真實位置及形狀，便可以直觀、準(zhǔn)確地對工件內(nèi)部缺陷進行探傷。對于一些大型零部件中的缺陷，為了節(jié)省測量時間還可以采用添加編碼器測量的方法。隨著水電廠設(shè)備的不斷改進，廢舊零部件的壽命評估對于檢測儀器精度的要求也將不斷提高，而基于全聚焦相控陣超聲檢測的多種優(yōu)點，能夠方便地為零部件再制造提供客觀的檢測依據(jù)，因而其必然將在未來水電廠甚至是火電廠的金屬無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。