螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫專用超聲檢測技術

嚴禎榮，陳學東，羅曉明

（1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200333；2.合肥通用機械研究院，合肥 230031）

螺旋管圈水冷壁是國產1000 MW 超超臨界鍋爐的最主要承壓部件之一。螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫裂紋造成頻繁停爐事故。

如上海某電廠SG－2955／27.9－M530型塔式爐整套啟動期間由于螺旋段水冷壁37處泄露問題，造成機組啟停14 次。

浙江某電廠 二期兩臺SG－3091／27.56－M54X型塔式鍋爐，其中5 號鍋爐在水壓試驗后泄漏17次，6號鍋爐在水壓試驗后泄漏3次。

諸如類似的問題，已引起電力行業的高度關注。研究有效的無損檢測方法，檢測在用超超臨界鍋爐的螺旋管圈水冷壁鰭片的焊縫裂紋是當務之急。

1 專用超聲檢測技術的提出

螺旋管圈水冷壁采用在管子之間焊接扁鋼連接而成，在工程上，把用來連接水冷壁管子的扁鋼稱為鰭片，鰭片和水冷壁管子的焊接角焊縫稱為鰭片焊縫，如圖1所示。

這種鰭片焊縫頻繁產生裂紋造成停爐事故。國內一些鍋爐制造廠、火力發電廠的工程技術人員進行了深入的研究。比如，溫順利［1］等對以上泄漏點進行分析和比較，得出泄漏位置在水冷壁拼縫處、水冷壁上附件筋板與水冷壁焊接處，且泄露位置的缺陷類型是裂紋。

在電站鍋爐制造和安裝環節，水冷管壁鰭片焊縫檢測不但沒有得到重視，且缺乏有效的檢測手段。由于鰭片焊縫不直接承受水冷壁管內的壓力，《鍋爐安全技術監察規程》（TSG G0001－2012）和《鍋爐安裝監督檢驗規則》（TSG G7001－2004）中均沒有明確提出對鰭片焊縫進行無損檢測的要求。

圖1 水冷管與鰭片焊接結構示意

由于制造環節的鰭片管組裝面積非常大，焊道總量多，安裝環節的鰭片管密集排列，采用表面檢測和射線檢測均存在難度大、費用高、時間長等問題。表面檢測僅能發現表面與近表面的缺陷，不能發現焊縫內部缺陷；射線檢測也對細小裂紋的檢測能力有限。但是，采用超聲波檢測，不僅成本較低，效率高，而且，對面積型缺陷敏感。當然，對檢測人員水平要求較高。

常規的超聲波檢測，由于鰭片之間的間隙非常窄，探頭無法放置，根本無法進行檢測。同時，由于鰭片焊縫表面本身形狀的復雜性，不僅檢測前焊縫的打磨工作量巨大，同時，限制了超聲相控陣與TOFD技術的應用［2－4］。因此，探索一種相對簡單且快速準確的檢測手段，對避免水冷管壁鰭片焊縫裂紋漏檢，防止水冷管破裂泄露就顯得非常緊迫和必要。

2 專用超聲檢測系統研制

以某大型火電廠1000 MW 機組塔式鍋爐的螺旋管圈水冷壁為例，水冷管外徑為φ38mm，壁厚為8mm，扁鋼寬度為30mm，厚度為6mm，水冷管與扁鋼焊接，坡焊縫沿扁鋼寬度方向約為3mm，兩管之間的扁鋼平面寬度約為24 mm。所檢測橫向裂紋通常發生于焊縫中間，隨著焊縫的逐步拓展，缺陷可深入至水冷管壁內或延展至焊縫表面。

針對該螺旋管圈水冷壁結構特點和焊縫裂紋的形成，開發了一套專用超聲檢測系統。主要包括專用超聲探頭設計和專用超聲檢測儀器設計兩大部分。

2.1 專用超聲探頭設計

螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫檢測分為探頭對側焊縫檢測和探頭側焊縫檢測兩種情況，超聲波在介質中的傳播途徑如圖2 所示。H為焊縫下端與鰭片上端面垂直距離，α為楔塊與金屬界面超聲波入射角，β為折射角。近探頭側鰭片焊縫裂紋檢測可采用鰭片底邊二次反射橫波檢測。

由于現場工作環境限制和螺旋管圈水冷壁結構復雜，要求探頭幾何尺寸不能太大。根據實際檢測要求，水冷管雙邊四條鰭片焊縫從扁鋼單面完成檢測最佳，此外為提高檢測靈敏度，選用波長較短的橫波探傷。

圖2 鰭片兩側焊縫檢測示意

通過對有機玻璃、ABS 塑料、聚砜、聚酰亞胺、尼龍等多種材料加以比對后，選擇聚砜較為合適。主要原因為，相同狀態下聚砜材料的聲阻抗與水冷壁管材料的聲阻抗匹配，同其他幾種材料相比較有利于更多的聲能進入到水冷壁管中。另外，聚砜材料的聲衰減系數也較小，相同情況下同樣可以獲得較高的超聲波檢測信號，有利于獲得較小的前沿與檢測靈敏度。

專用超聲探頭設計主要包括晶片設計、探頭鍥塊設計、探頭背村設計和探頭電匹配四部分。

為獲得較高檢測靈敏度，選擇矩形復合材料壓電晶片。試驗表明，當檢測超聲頻率較高時（以5 MHz為界），易受母材與焊接組織結構的影響而產生較多的噪音信號，因此晶片中心頻率選擇5 MHz。為保證缺陷檢測靈敏度和缺陷定量分析，探頭聲場距離以三倍近場長度為佳，由此確定檢測橫波近場長度。常溫下，聚砜材料和鋼中的波長遠小于晶片尺寸，根據鋼中橫波波長及橫波近場長度，可以計算出壓電晶片面積。根據計算的壓電晶片長度，可以近似求得探頭前沿長度，按照實際生產需要，鰭片與水冷管焊接融合深度約為鰭片厚度的60%，計算得到的探頭前沿，確保在檢測過程中，有效避免鰭片與水冷管壁接觸區中間未熔合區域產生的超聲波反射信號進入超聲波探頭（未熔合不在檢測范圍之內），造成檢測人員誤判。然后根據計算得到的晶片長度和壓電晶片面積，進而計算得到晶片寬度。

圖3 楔塊外形與超聲波傳播路徑

探頭楔塊形狀設計既要保證探頭前沿值盡量短又要雜波少，為減少楔塊側面造成的反射雜波，在楔塊四周側面開深度約為0.5～1mm 寬度0.2mm左右的豎槽，楔塊外形設計如圖4（a）所示，其中α為入射角，γ為楔塊前端傾斜角。楔塊外形設計成圖4所示的優勢在于超聲波在楔塊底與鋼接觸面產生的縱波反射波傳播途徑如圖4（b）所示。當設計的楔塊前端傾斜角滿足一定要求時，鋼中入射波在楔塊內的第二次反射波恰好與鰭片表面平行，能夠沿傳播途徑進入換能器，而此時被換能器接收到的干擾反射波最少。

完成楔塊設計后，要得到理想的窄脈沖波以提升探頭檢測分辨靈敏度，需要對超聲探頭背襯吸聲層和電匹配精確設計。

圖4 二種人工缺陷

目前，超聲探頭的背襯多采用鎢粉加環氧樹脂制成的復合材料，此外還有金屬－金屬、金屬－高分子材料背襯等。依賴于控制基質內固體顆粒大小以及數量，可以實現探頭背襯聲阻抗以及衰減系數的調節。背襯中產生聲衰減的因素主要為兩個，其一是基質內固體顆粒所產生的散射衰減，超聲進入背襯經過復雜無序的散射后，轉化為熱能；第二個原因是由于背襯材料的粘滯效應，導致背襯內質點間的相互摩擦，使得聲能轉化為熱能。

一般地，背襯復合材料中的聲衰減隨鎢粉體積濃度的增加顯著增大，但其衰減系數趨于接近一個極大值，意味著如果已知壓電晶片的中心頻率，通過控制鎢粉顆粒的尺寸可以實現背襯復合材料的最大衰減。

為實現與壓電晶片聲阻抗的匹配，設計對背襯復合材料的聲阻抗作了理論上的計算分析，尋找聲阻抗與鎢粉體積濃度之間的關系。

當背襯復合材料中鎢粉體積濃度較低時，隨鎢粉體積濃度的增加，超聲波聲速下降，這主要是由于復合材料中填充材料顆粒散射的原因，主要在超聲頻率較低的時候出現。當鎢粉體積濃度超過50%時，聲速隨鎢粉體積濃度的增加快速升高，逐漸接近于純鎢中的聲速。當背襯復合材料中鎢粉體積濃度低于40%時，聲阻抗隨鎢粉體積濃度的改變不甚明顯，鎢粉體積濃度從40%至60%變化區間內，聲阻抗會發生急劇變化，故在該區間內對鎢粉比例的控制要求較高為增加超聲換能器的帶寬，還有一個重要的手段就是電匹配問題。

2.2 專用超聲檢測儀器設計

鰭片焊縫專用超聲檢測儀器設計包括超聲發射電路、超聲增益放大電路、濾波電路和數據采集電路等。

超聲波的發射電路是脈沖回波法超聲檢測的關鍵部分，對于超聲檢測系統的性能具有很大的影響。為了方便系統靈活調試，設計采用非調諧式發射電路，其脈沖控制超聲波的發射電路是脈沖回波法超聲檢測的關鍵部分，對于超聲檢測系統的性能具有很大的影響。其脈沖控制參數可以通過核心控制器FPGA 方便地進行修改設定。

超聲檢測信號接收／數據采集模塊中的程控放大電路放大后，再經過超聲濾波電路。選用帶通濾波電路，使有用信號正好在它的通頻帶上，有效濾除噪聲。為兼顧不同的應用和頻段選擇，設計中利用FPGA控制繼電器選擇五組帶通濾波電路，其通頻帶分別為0.4～0.6 MHz、0.8～1.2 MHz、2～2.6 MHz、4～6MHz、8～10MHz。

數據采集電路采用常規設計。

3 超聲檢測試驗

3.1 水冷壁試件和人工缺陷加工

采用四根水冷壁管，材料為T23，規格為φ38mm×7mm 或φ38mm×7.2mm，取長約1m；鰭片扁鋼材料為SA387－Gr12CL1，規格為6mm×15mm 或6mm×15.5 mm，焊制水冷壁管屏。然后在試件鰭片焊縫上制作人工缺陷，分別為平底孔和近似裂紋的刻槽，平底孔深5mm，直徑為1mm，人工刻槽尺寸為寬0.5mm，長10mm，深5mm，分別如圖6和圖7所示。

3.2 水冷壁試件上人工缺陷的檢測

采用研制的超聲探頭和檢測儀器進行探傷。無缺陷部位的檢測信號圖像如圖5所示，在同缺陷側面檢測0.5mm×10mm×5mm人工刻痕和φ1mm×5mm平底孔信號圖像如圖6和圖7所示，在缺陷背面檢測0.5mm×10mm×5mm人工刻痕和φ1mm×5mm平底孔的信號圖像分別如圖8和圖9所示。

圖5 試件無缺陷部位超聲波信號

圖6 同面檢測人工刻槽超聲波信號

從上述檢測結果可以發現從焊縫對面和焊縫同面均順利檢測出人工缺陷，同面檢測時因采用二次反射橫波檢測，聲程較背面檢測長，反應在示波屏上就是同面檢測時缺陷波位置后移。人工刻槽的反射當量較平底孔反射當量大，因此人工刻槽的缺陷回波比平底孔缺陷回波高2dB。

圖9 背面檢測人工平底孔超聲波信號

4 結論

（1）螺旋管圈水冷壁結構的復雜性，限制了超聲相控陣與TOFD 技術的應用。開發專用微型超聲探頭的常規聲檢測技術在螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫檢測具有廣闊的應用前景。

（2）在鰭片寬度僅5mm 的狹長檢測空間，通過鰭片單一面耦合，實現了雙面鰭片焊縫缺陷檢測，能夠方便、有效地應用到超超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁檢修環節。

［1］溫順利，謝波，蔣向南.1000 MW 超超臨界鍋爐T23鋼水冷壁防泄漏探討［J］.電力建設，2010，31（9）：82－86.

［2］陳偉，詹紅慶，楊貴德，等.基于直通波抑制的超聲TOFD 圖像缺陷檢測新方法［J］.無損檢測，2010，32（6）：402－405.

［3］沈建中.超聲成像技術及其在無損檢測中的應用［J］.無損檢測，1994，16（7）：202－206.

［4］李偉，羅雄彪.基于相關技術的超聲檢測信號處理［J］.無損檢測，2005，27（6）：297－299.