管道不規(guī)則接頭內(nèi)外斜臺對相控陣超聲檢測的影響

，，，，

（1.江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，南通226246；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102；3.武漢大學(xué) 無損檢測中心，武漢430072）

由于超（超）臨界火力發(fā)電機組能夠提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本、節(jié)約能源、改善環(huán)境，已成為當前我國火力發(fā)電機組發(fā)展的必然趨勢和其重要組成部分。然而，因制造和現(xiàn)場安裝原因，超（超）臨界機組四大管道等壓力管道中的三通、彎頭、大小頭等管件和直管連接，其相互連接的對接接頭存在內(nèi)外斜臺不規(guī)則結(jié)構(gòu)，致使實施標準要求的常規(guī)脈沖反射法超聲波檢測困難，而此類結(jié)構(gòu)焊縫難以正常檢測的問題往往造成壓力管道因內(nèi)部缺陷未檢出而造成失效，給機組安全運行帶來極大的安全隱患［1－3]。

文獻［4]研究了單斜探頭對管道接頭檢測的可行性，但因該方法在應(yīng)用時聲束覆蓋區(qū)域小，缺陷檢出率低，若用兩個不同K值斜探頭進行掃查，雖可擴大聲束覆蓋區(qū)，但仍會存在較大未覆蓋區(qū)域。因此，研究利用相控陣聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦，以及不移動探頭多角度檢測增大聲束覆蓋范圍，提高缺陷檢出率和檢測效率非常重要。由于接頭兩側(cè)內(nèi)外壁斜臺面的影響，相控陣聲束在接頭中的傳播變得很復(fù)雜，檢測人員憑經(jīng)驗很難準確確定工藝和信號源，容易造成誤判和漏檢。針對這一問題，建立了相控陣聲束在管道接頭中的傳播模型，并分析了典型斜臺結(jié)構(gòu)對聲束傳播的各種影響，為制訂相控陣超聲檢測管道接頭的工藝和信號分析記錄提供了重要的依據(jù)。

1 管道接頭的超聲波檢測聲線模型

1.1 管道接頭的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)描述

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，超（超）臨界火電機組主蒸汽管道、熱再管道及主給水管道等壓力管道均存在如圖1所示的帶臺階管道不規(guī)則接頭，其幾何參數(shù)隨管道壁厚不同而有所差異，統(tǒng)計得到管道接頭參數(shù)如表1所示。對此，筆者設(shè)置相關(guān)母材厚度、接頭寬度、坡口角度以及斜臺參數(shù)等信息，可以確定檢測對象的幾何描述。圖1中T為接頭厚度；h1為外斜臺高度；d1為外斜臺下端點到接頭邊緣距離；l1為外斜臺長度；l2為內(nèi)斜臺高度；d2為內(nèi)斜臺上端點到接頭根部距離；l2為內(nèi)斜臺長度；β1為一級坡口角度；β2為二級坡口角度；H為一、二級坡口交點距底面高度；g為根部對口間隙；r為鈍邊高度。

表1 管道接頭參數(shù)

1.2 模型構(gòu)建

圖1 管道接頭示意

構(gòu)建管道接頭超聲傳播模型可直觀表述聲束與斜臺面及工件其他邊界的相互作用。在高頻近似下，超聲傳播過程可以用聲線模型來描述［5－6]，超聲波與界面的反射以及波型轉(zhuǎn)換可以在Snell定律框架下，用聲線與圖1中各個關(guān)鍵點所連線段或圓弧的向量計算進行模擬，如圖2所示，D0為入射向量，D為反射向量，D1為與界面平行的單位向量，I0為界面法向量，得到反射向量D的計算公式為：

對于管道接頭相控陣超聲檢測的聲線模型，需要繼續(xù)考慮以下幾點：① 某一相控陣超聲探頭，先計算不同角度聲束的入射向量，再用上式計算其反射向量，即可得到多個角度的傳播聲線。② 對于N次反射情況，以（N－1）次反射向量作為入射向量，利用上式即可得到N次反射情況。③ 出現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換時，先利用Snell定律計算出反射角，再進行反射向量的計算。

圖2 聲線在界面處的反射

2 管道接頭內(nèi)、外斜臺影響

2.1 管道接頭相控陣聲線仿真及分析

表1表明由于壓力管道厚度不同，斜臺高度與接頭的距離、角度以及坡口參數(shù)均有所變化，選取34，57，90 mm三種典型厚度試樣進行仿真分析。相控陣探頭參數(shù)：頻率5 MHz，32晶片；采用楔塊參數(shù)為N55S，主聲線角度為55°橫波，聲束角度范圍為36°～70°。由于外斜臺上端點到接頭邊緣距離最大為32 mm，小于相控陣探頭楔塊長度，所以，探頭只能放置在外斜臺以上的管外壁來進行檢測，如圖3所示。

圖3 不同厚度接頭的聲線覆蓋

應(yīng)用相控陣聲線仿真分析不同探頭入射點下外斜臺對聲束的遮擋情況，確定不受遮擋且覆蓋最大時對應(yīng)的探頭入射點，討論聲束在內(nèi)斜臺處的反射情況及其帶來的優(yōu)缺點。結(jié)果如下：

（1）當探頭前沿位于外斜臺處，根據(jù)接頭厚度和斜臺高度及位置的不同，外斜臺對聲束的遮擋作用有所差異，對于厚度為90 mm工件，60°～70°范圍的大角度聲線均由于斜臺的反射傳播方向改變，如圖3（a）所示；對于厚度為57 mm工件，只有67°～70°范圍的4個角度聲線被斜臺遮擋，如圖3（c）所示；對于厚度為34 mm工件，聲束不再受到外斜臺影響，如圖3（e）所示。可見，厚度越大的工件，在檢測過程中越要重視外斜臺對聲束的影響。

（2）為避開外斜臺對聲束的遮擋作用，可以將探頭向遠離接頭方向移動，對于厚度為90 mm的工件，當探頭前沿距離外斜臺22.4 mm時，可避開外斜臺影響，如圖3（b）所示，此時聲束的未覆蓋區(qū)域的深度由34 mm減小到21 mm；對于厚度為57 mm工件，當探頭距離外斜臺4.9 mm時，可避開外斜臺影響，如圖3（d）所示，未覆蓋區(qū)由12 mm減小至6 mm。

（3）當探頭向遠離接頭方向移動時，對于厚度為90 mm的工件，部分聲線將被內(nèi)斜臺反射，反射聲束以近似垂直的角度與熱影響區(qū)上表面作用，產(chǎn)生干擾信號，如圖3（b）所示；對于厚度為34 mm工件，同樣會有一小部分聲束在內(nèi)斜臺反射后以垂直角度作用于熱影響區(qū)上表面，產(chǎn)生干擾信號，如圖3（e）所示；這些干擾信號在扇掃圖像中出現(xiàn)的位置常常位于接頭檢測區(qū)域，無法憑經(jīng)驗直接確定其是否為真實缺陷及其在工件中的實際位置，必須憑借聲線輔助分析來進行準確判斷。

（4）必要時，可以利用斜臺反射波探測具有特定位置的缺陷，例如對于厚度為90，57 mm工件，利用外斜臺處反射波來探測熱影響區(qū)內(nèi)缺陷，如圖3（a），（c）所示；對于厚度為34 mm 工件，利用內(nèi)斜臺處反射聲束檢測接頭上部區(qū)域，如圖3（f）所示。

2.2 應(yīng)用實例

檢測對象為某火電廠660 MW超（超）臨界機組高旁管道三通與彎頭連接焊縫，如圖4（a）所示；檢測設(shè)備為多浦樂公司制造的超聲相控陣儀器，陣元型號為5L16－0.5＊10，楔塊型號為SD1－N55S，為保證焊縫區(qū)域能夠更好地被聲束覆蓋，掃查角度范圍設(shè)定為36°～80°入射橫波。

圖4 管道檢測現(xiàn)場照片

利用聲線仿真技術(shù)和焊縫坡口結(jié)構(gòu)圖紙，確定聲束不受外斜臺遮擋的臨界入射點的位置，如圖5（a）所示，此時探頭前端距離外斜臺上端點為86 mm。現(xiàn)場檢測時為驗證外斜臺對聲束傳播的影響，選取入射點小于86 mm某一位置，如圖4（b）所示，探頭前端距離外斜臺上端點為20 mm。利用聲線模型確定此時聲束覆蓋情況，如圖5（b）所示，外斜臺對掃查角度為69°～80°范圍內(nèi)聲線（藍色）產(chǎn)生了遮擋，剩余36°～68°范圍內(nèi)聲線（紅色）則不受外斜臺影響。藍色聲線經(jīng)外斜臺反射后會在管道內(nèi)壁形成結(jié)構(gòu)反射回波，該內(nèi)壁回波出現(xiàn)在相控陣扇掃結(jié)果圖中會造成誤判，需在信號識別中加以甄別；紅色聲線雖然不受外斜臺影響，但應(yīng)注意到36°附近角度聲線恰好與內(nèi)斜臺形成良好入射關(guān)系，會在內(nèi)斜臺處產(chǎn)生干擾回波信號顯示。

圖5 探頭前沿距外斜臺不同距離時的聲線仿真計算結(jié)果

圖6為檢測得到的扇掃圖像，其中圖6（a）中掃查角度為36°～80°，可以看到出現(xiàn)了明顯的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)反射回波，該回波對應(yīng)角度范圍為69°～80°，同時在36°掃查聲線上出現(xiàn)了內(nèi)斜臺回波，該兩處結(jié)構(gòu)回波與聲線分析一致；圖6（b）是掃查角度為36°～65°的扇掃圖像，由聲線分析知該范圍聲線不受外斜臺遮擋，故圖像上不存在內(nèi)壁回波，但依然存在內(nèi)斜臺回波。同時，比較圖6（a）、（b）兩次掃查結(jié)果可以看到，圖6（a）中65°～69°角度聲束掃查到一處應(yīng)記錄缺陷顯示（按DL/T820－2002標準《管道焊接接頭超聲波檢驗技術(shù)規(guī)程》，該缺陷最高波幅為SL＋4 dB），但在圖6（b）中該處缺陷顯示不明顯且為非記錄缺陷（按DL/T820－2002標準，該缺陷最高波幅為SL－2 dB），其原因是按照圖6（b）掃查時為避免內(nèi)壁結(jié)構(gòu)反射回波干擾減少了掃查角度范圍導(dǎo)致的焊縫覆蓋區(qū)域變小，這樣會造成部分缺陷漏檢。由此可見，為確保檢測覆蓋率，對上述焊縫進行相控陣檢測時應(yīng)盡量采用較大掃查角度范圍，但現(xiàn)場檢測時可放置探頭的區(qū)域往往因工件結(jié)構(gòu)的限制而較小，很難滿足大掃查角度范圍聲束不受外斜臺遮擋影響的檢測距離要求，且探頭放置位置過遠也會引起聲能損失過大和角度補償不足等問題，這種情況下結(jié)構(gòu)回波造成的干擾信號必然經(jīng)常出現(xiàn)在相控陣檢測結(jié)果中，因此利用聲線仿真方法對上述焊縫相控陣檢測結(jié)果中的非缺陷結(jié)構(gòu)回波信號進行有效甄別，對避免誤判具有較大的實用價值，是上述焊縫相控陣檢測方法的有益補充和有效的輔助手段。

圖6 探頭前沿距外斜臺20 mm時不同角度的扇掃結(jié)果

3 結(jié)論

通過建立相控陣聲束在管件接頭中傳播的聲線模型，為管件接頭在確定厚度和檢測條件下，分析檢測時外斜臺對聲束的遮擋、探頭最佳入射點、內(nèi)斜臺產(chǎn)生反射聲束的偏轉(zhuǎn)方向等提供了一套定量計算方法，可為制訂相控陣超聲檢測管件接頭的工藝和信號分析提供重要依據(jù)。

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