套管焊縫的相控陣超聲檢測工藝

胡 慶,張 洋,徐廣寶,于 達(dá)

(天津誠信達(dá)金屬檢測技術(shù)有限公司,天津 300384)

目前,國內(nèi)火電機(jī)組在安裝穿頂棚管子時采用加裝密封套管的結(jié)構(gòu),形成的套管焊縫屬于非承壓類焊縫,得不到足夠重視,工藝規(guī)范執(zhí)行不嚴(yán)格[1]。隨著機(jī)組的運行,套管焊縫處可能萌生裂紋并擴(kuò)展至受熱面管,嚴(yán)重影響機(jī)組的運行安全。針對穿頂棚套管焊縫,磁粉和滲透檢測只能發(fā)現(xiàn)部分表面缺陷,無法檢測出擴(kuò)展至受熱面管上的裂紋,除此之外,沒有更有效的手段實現(xiàn)對套管焊縫的檢測。

相控陣超聲技術(shù)有可控制聲束掃查、聚焦和偏轉(zhuǎn)的特點,可在不移動探頭的情況下實現(xiàn)較大角度范圍的掃查。其易于分辨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的波形,能對復(fù)雜幾何形狀工件進(jìn)行檢測,能實現(xiàn)對缺陷的各種視圖成像,檢測結(jié)果直觀,便于對缺陷的識別與判定;且可借助計算機(jī)仿真軟件模擬聲束覆蓋,指導(dǎo)檢測工藝的制定[2-3]。

某電廠4#機(jī)組C修要求對低溫再熱器穿頂棚套管焊縫進(jìn)行檢測,為了實現(xiàn)對套管焊縫的有效檢測,結(jié)合理論分析和計算機(jī)仿真,制定了合理的相控陣超聲檢測工藝,取得了良好的檢測效果,為解決同類問題提供了一定借鑒。

1 穿頂棚套管

1.1 穿頂棚套管結(jié)構(gòu)

低溫再熱器穿頂棚套管結(jié)構(gòu)如圖1所示,低溫再熱器在穿過頂棚位置過程中,依次與密封套管、梳形板、高冠密封相連。密封套管一端與梳形板焊接,另一端與低溫再熱器焊接。

圖1 低溫再熱器穿頂棚套管結(jié)構(gòu)示意

1.2 受力分析

穿頂棚套管受安裝誤差和運行中熱偏差的影響,各焊縫會受力不均,且處于不斷變化的狀態(tài)。在正常運行過程中,在高溫?zé)煔饬魉俸陀嘈淖饔孟聲l(fā)生抖動,承受一定的附加剪力。受工況的變化(冷、熱態(tài)等)及管屏重量等因素會使焊縫處受力發(fā)生變化,在焊縫位置處易產(chǎn)生裂紋[4-6]。

因此穿頂棚套管焊縫的質(zhì)量至關(guān)重要,亟需一種有效手段對其進(jìn)行檢測。

2 檢測方案

2.1 套管焊縫檢測現(xiàn)狀

密封套管與低溫再熱器通過角接焊縫焊接在一起,根部存在間隙,受力不均易產(chǎn)生裂紋,該裂紋會逐漸擴(kuò)展至低溫再熱器管子上,從而引起管子破裂,套管焊縫裂紋如圖2所示。

圖2 套管焊縫裂紋示意

穿頂棚套管焊縫照片現(xiàn)場如圖3所示,可見,該焊縫沒有實施射線檢測的空間,超聲檢測可達(dá)性差,通常采用磁粉或滲透方法進(jìn)行檢測,但滲透只能檢測表面開口缺陷,磁粉檢測受檢測深度限制,無法檢出套管焊縫下延伸至低溫再熱器管子中的裂紋。相控陣超聲技術(shù)可以很好地解決該問題,實現(xiàn)該位置缺陷的有效檢出。

圖3 套管焊縫現(xiàn)場照片

2.2 計算機(jī)仿真

采用Esbeam Tool仿真軟件,構(gòu)建套管焊縫模型,其仿真結(jié)果如圖4所示。相控陣超聲探頭可以放置于套管側(cè)和低溫再熱器管子側(cè)進(jìn)行檢測,兩種方式都能實現(xiàn)對套管焊縫的聲束全覆蓋。由仿真結(jié)果可以確定相控陣超聲探頭位置、角度、激發(fā)晶片等參數(shù),根據(jù)仿真制定的聚焦法則來對相控陣設(shè)備進(jìn)行設(shè)置,即可滿足現(xiàn)場檢測工作要求。

圖4 Esbeam Tool仿真結(jié)果

圖4(a)中,將探頭放置于套管側(cè)進(jìn)行檢測,利于一次和二次聲束對套管焊縫全覆蓋,但由于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)限制,該位置無法放置相控陣超聲探頭。

圖4(b)中,將探頭放置于低溫再熱器管子側(cè)進(jìn)行檢測,利用低溫再熱器管子內(nèi)壁反射的二次聲束對套管焊縫全覆蓋,且能有效覆蓋套管焊縫處管壁區(qū)域,大大提高了缺陷檢出率,防止開裂至管壁的裂紋漏檢。低溫再熱器管子側(cè)不受結(jié)構(gòu)限制,適合開展相控陣超聲檢測,因此選擇圖4(b)所示工藝。

2.3 工藝制定

(1) 繪制套管焊縫結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場測量待檢套管焊縫尺寸(見圖5),這些尺寸包括低溫再熱器管壁厚度T,套管焊縫垂直厚度a,套管焊縫水平寬度b,依據(jù)實際尺寸繪制套管焊縫。

圖5 套管焊縫尺寸示意

(2)聲束仿真

現(xiàn)場測量低溫再熱器管子規(guī)格為60 mm×4 mm(直徑×壁厚),套管焊縫垂直厚度a為4 mm,套管焊縫水平寬度b為4 mm。根據(jù)測量的實際尺寸,利用Esbeam Tool仿真軟件進(jìn)行聲束模擬,確定實現(xiàn)聲束全覆蓋的聚焦法則和探頭所處的位置。

(3) 檢測工藝制定

套管焊縫聲束覆蓋如圖6所示,可見在此工藝下能實現(xiàn)對套管焊縫的全覆蓋,不僅能有效發(fā)現(xiàn)存在的焊縫缺陷,還能檢測出焊縫處管壁中的缺陷。根據(jù)仿真軟件的聲束模擬信息確定聲束角度范圍、探頭位置、晶片數(shù)量等。

(4) 掃描計劃

依據(jù)工藝仿真制定的掃描計劃如表1所示。

表1 制定的掃描計劃

3 檢測結(jié)果與分析

3.1 檢測設(shè)備

選用多浦樂Phascan PA32/64型相控陣檢測儀,具體參數(shù)如下:探頭頻率為7.5 MHz,陣元數(shù)量為16,陣元間距為0.5 mm,最大探頭孔徑為16(陣元數(shù))×0.5 mm(陣元間距)。楔塊為曲面楔塊,型號為SD10-N60S-IH,與低溫再熱器管徑吻合。

該多浦樂Phascan型相控陣檢測儀內(nèi)置焊縫型式為對接焊縫,但系統(tǒng)中沒有此類特殊焊縫模型,需要繪制焊縫CAD 模型導(dǎo)入該型號相控陣檢測儀中。根據(jù)測量的套管焊縫尺寸繪制套管焊縫CAD模型(見圖7)。

圖7 套管焊縫CAD模型

該套管焊縫CAD 模型以坐標(biāo)原點為相控陣探頭偏置的起點,將CAD模型導(dǎo)入相控陣檢測儀中,按照工藝仿真制定的掃描計劃設(shè)置聚焦法則,進(jìn)行聲速校準(zhǔn)、楔塊延時校準(zhǔn)、TCG(時間校正增益)校準(zhǔn)和編碼器校準(zhǔn),儀器校準(zhǔn)完畢后即可進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

3.2 檢測結(jié)果

采用相控陣超聲技術(shù)對低溫再熱器穿頂棚套管焊縫進(jìn)行檢測,共抽檢套管焊縫200道,發(fā)現(xiàn)15道焊縫的相控陣檢測圖譜有異常信號。

無缺陷的相控陣超聲圖譜如圖8所示,可見,焊縫模型覆蓋區(qū)域沒有異常信號出現(xiàn),二次波聲束覆蓋了整個焊縫區(qū)及相連管壁,即三角區(qū)域為焊縫區(qū),相連的矩形區(qū)域為低溫再熱器管壁。為了盡可能發(fā)現(xiàn)缺陷,降低風(fēng)險,應(yīng)將焊縫區(qū)及相連的管壁都設(shè)置為檢測區(qū)。

圖8 無缺陷的相控陣超聲圖譜

有異常信號的相控陣超聲圖譜如圖9所示,由圖9(a)可見有異常信號出現(xiàn)在低溫再熱器管壁上,靠近焊縫區(qū),由B掃圖中可知,該異常信號具有一定長度和方向性。沿著掃查方向行進(jìn),異常信號逐漸往焊縫區(qū)移動[見圖9(b)]。由此可知,該異常信號不僅出現(xiàn)在套管焊縫上,還延伸至低溫再熱器管上,危害極大,需要確認(rèn)其是否為裂紋缺陷。通過打磨和表面檢測,確認(rèn)該異常信號為裂紋,打磨后出現(xiàn)的裂紋缺陷如圖10所示。

圖9 有異常信號的相控陣超聲圖譜

圖10 打磨后出現(xiàn)的裂紋缺陷

由圖10可知,該裂紋已延伸至管壁中,沿著管壁周向開裂,極易造成管壁破裂,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運行。打磨后確認(rèn)的裂紋也證實了圖9中出現(xiàn)的異常信號為缺陷。相控陣超聲圖譜可以以扇掃、A型和B型等多種顯示方式來顯示異常信號,大大提高缺陷的識別效果,對于復(fù)雜焊縫的檢測具備很大的優(yōu)勢,異常信號變化圖譜如圖11所示。

圖11 異常信號變化圖譜

由圖11可知,異常信號出現(xiàn)在管壁上,沿著掃查方向移動,異常信號位置不斷變化,具有一定反向性,且走向沿著焊縫縱向。觀察A 型顯示,其波形反射強(qiáng)烈,波底較寬,波峰有分枝,符合裂紋的特征,綜合扇掃和B型顯示,懷疑該異常信號為裂紋,出現(xiàn)在管壁上,危害性大。經(jīng)現(xiàn)場打磨挖口后,確認(rèn)為縱向裂紋缺陷,裂紋缺陷現(xiàn)場照片如圖12所示?？梢娤嗫仃嚦暭夹g(shù)和檢測工藝對于套管焊縫及其低溫再熱器管壁具備良好的適用性,能夠發(fā)現(xiàn)焊縫和管壁中的缺陷。

圖12 裂紋缺陷現(xiàn)場照片

3.3 結(jié)果分析

抽檢200道低溫再熱器穿頂棚套管焊縫,共發(fā)現(xiàn)15道焊口出現(xiàn)異常信號,經(jīng)過挖口打磨確認(rèn)為裂紋缺陷,且大多數(shù)裂紋已延伸至管壁,危害極大。

分析可得,穿頂棚套管焊縫間隙部位在運行中先產(chǎn)生缺陷,外加材料老化,強(qiáng)度有所降低,使管子產(chǎn)生裂紋。裂紋首先在套管縱向焊縫與管壁交接處產(chǎn)生,后延展至管子。基于以上檢測結(jié)果,宜及時采取補(bǔ)救防護(hù)措施,以降低機(jī)組的運行風(fēng)險。

4 結(jié)語

采用相控陣超聲技術(shù),借助Esbeam Tool仿真軟件指導(dǎo)相控陣超聲檢測工藝的制定,按照制定的檢測工藝對現(xiàn)場低溫再熱器穿頂棚焊縫進(jìn)行抽檢,有效檢測出了有問題的焊縫,通過挖口打磨確認(rèn)為裂紋,并及時采取措施,避免造成很大的危害。