電站鍋爐小徑鋼管的超聲相控陣檢測

杜傳國，郭相吉，顧顯方

(山東電力建設第一工程公司， 濟南 250100)

電站鍋爐小徑鋼管的超聲相控陣檢測

杜傳國，郭相吉，顧顯方

(山東電力建設第一工程公司， 濟南 250100)

介紹了超聲相控陣檢測技術的應用背景、檢測原理和技術特點，總結了小徑鋼管(25 mm≤φ≤89 mm)相控陣超聲檢測的主要方法和工藝流程，應用工程實例說明該技術檢出缺陷效果較好，以為其在電力工程中的推廣應用提供參考與借鑒。

超聲相控陣檢測；小徑鋼管；工藝方法；應用實例；檢出效果

隨著我國電力工業的發展，超臨界及超超臨界火力發電機組得到越來越廣泛的應用。隨著機組工作介質壓力和溫度的提高，電站鍋爐金屬材料等級也相應提高，承壓焊口產生危險性缺陷的幾率增大，對焊接質量控制和無損檢測技術手段也相應提出了更高的要求。

為保證電力工程施工質量和機組投運后的安全穩定運行，電力行業相關標準和規程規定，超臨界及超超臨界的火力發電機組電站鍋爐受熱面焊口必須進行100%無損檢測。目前，電站鍋爐小徑鋼管(25 mm≤φ≤89 mm)焊口，一般采用射線檢測和常規超聲檢測(A型脈沖反射式)方法檢測。由于射線檢測方法存在裂紋類危險性缺陷,容易漏檢、對輻射防護要求高、檢測周期長、不能與安裝施工同步作業等問題，成為制約安全管理施工工期的重要因素。而小徑鋼管常規超聲檢測方法也存在檢測結果顯示不直觀、缺陷信號識別困難、檢測結果受檢測人員技術水平和操作技能影響大、不適用于狹窄位置作業等問題，檢測效率和缺陷檢出效果難以滿足工作要求。因此，研究采用一種先進、可靠的檢測方法來替代常規無損檢測方法,就成為解決上述問題的核心和關鍵。

相控陣超聲檢測是目前國內先進、前沿的超聲波檢測技術[1]。該技術的基本原理來源于雷達電磁波相控陣技術，在世界范圍內已有20多年的發展歷史。相控陣超聲技術發展初期主要應用于醫療領域，隨著壓電復合材料技術、電子技術和計算機技術的發展，該技術不斷成熟完善并逐步引入到工業無損檢測領域[2]。目前，該技術已經作為一種成熟的無損檢測方法列入美國ASME、ASTM等國外標準[1]。國內該技術目前主要應用于承壓類設備和管道的檢測，受儀器設備采購價格高、人員培訓取證難度大、人工缺陷試樣制作費用高、無現行技術和驗收標準可循等因素的影響，相控陣超聲檢測技術的應用范圍受到很大限制，在電力行業無損檢測領域中的應用還處于一個剛剛起步階段。

筆者所在單位在深入研究國內外相控陣超聲檢測技術的基礎上，針對電站承壓焊口無損檢測特點，積極開展鍋爐受熱面小徑鋼管焊口相控陣超聲檢測方法和工藝的研究，取得了多項技術研究成果，并在巴基斯坦Sahiwal(薩希瓦爾)電廠 2×660 MW機組、華電十里泉電廠2×660 MW機組施工中成功應用，取得了良好的應用效果。

1 相控陣超聲檢測原理及技術特點

1.1 檢測原理

相控陣超聲檢測技術采用多晶片探頭，壓電晶片材料為復合材料，每個壓電晶片的激勵(延時、增益和振幅)可通過計算機進行控制和調節，聲束角度、焦距、焦點尺寸等參數可通過預置軟件進行調整。通過改變壓電晶片陣列組合單元激勵電脈沖的延時值，可改變聲束聚焦深度、聲束角度和波型，由此可實現對工件中的各種方向性缺陷的有效檢測和對缺陷的準確定位和定量。超聲相控陣計算機控制的掃描方式有電子掃描(線掃描)、動態聚焦掃描和扇形掃描三種，可通過A顯示(波型顯示)、B/D顯示(橫斷面顯示)、C顯示(水平面顯示)、S顯示(扇形顯示)和CT顯示(切片)等多種形式來顯示檢測結果，采用不同形式的掃描組合可獲得整體檢測圖像[1-4]。1.2 技術特點

1.2.1 優點

(1) 可實現多種掃描方式，同時具備寬波束、多焦點的特性，檢測速度快。

(2) 可實現對常規檢測技術不易檢測的復雜工件的檢測，檢測靈活性好。

(3) 容易檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，定量、定位準確。

(4) 檢測數據存儲、檢索、調用方便。

(5) 掃查裝置相對簡單，便于操作和維護。

(6) 可形成實時彩色成像，便于缺陷判讀。

1.2.2 缺點

(1) 對被檢工件表面要求較高，需進行打磨和清理。

(2) 掃描偽像多，數據分析耗時較長。

(3) 檢測結果的判定受人為因素影響多。

2 檢測方案

2.1 儀器設備

從儀器設備的靈敏度、精確度、響應時間、可靠性、在電力行業的應用成熟性、采購價格等方面綜合考慮，選用以色列Sonotron NDT公司生產的32通道 、64通道ISONIC2009型相控陣儀器各1臺。配套選用可拆卸、鏈式連接小徑鋼管檢測專用掃查器(見圖1)，要求掃查器連接緊湊、緊力適當、拆裝方便、轉動順滑，連接塊厚度不超過12 mm(小于小徑鋼管焊口最小間距)。

圖1 小徑鋼管相控陣超聲檢測專用掃查器外觀

2.2 模擬缺陷試樣制作

設計制作了與660 MW機組鍋爐小徑鋼管規格和材料相匹配的一整套焊接模擬缺陷試樣(見圖2)，專用于相控陣儀器設備調校、檢測能力驗證、檢測效果比對和人員培訓練習，試樣制作滿足焊接缺陷種類全、位置覆蓋廣、尺寸精度高的要求。

圖2 小徑鋼管相控陣超聲檢測部分模擬缺陷試樣外觀

2.3 檢測標準制訂

在深入研究ASME標準和借鑒學習國內外其他行業檢測方案、工藝流程的基礎上，參照電力行業標準DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》對檢測技術和缺陷評定的相關規定和要求，結合電站機組承壓焊口相控陣檢測的技術特點，制定出一套科學性好、針對性強、適合于電站機組現場檢測應用的相控陣檢測企業標準。同時，針對660 MW機組鍋爐小徑鋼管的檢測特點，編制了專用于小徑鋼管相控陣超聲檢測的工藝規程。

2.4 人員培訓和取證

協調儀器設備供貨商,安排設備生產廠家、電力行業科研院所，以及其他行業對此方法有成功應用經驗的無損檢測高級別人員對檢測人員開展培訓，使檢測人員全面掌握此種技術的檢測原理、技術特點、實踐操作技能和缺陷判定要求，在此基礎上組織檢測人員參加全國電力行業相控陣超聲檢測Ⅱ級人員培訓取證班，檢測人員實現持證上崗。

2.5 檢測能力驗證

該技術在巴基斯坦Sahiwal電廠項目應用前，由工程建設單位委托電力行業金屬檢測專業專家組,在施工現場進行了檢測試驗能力評審和認定。評審認證的內容包括儀器設備配置、探頭/掃查器/編碼器等附屬配件選擇、人員上崗資格準備和檢測作業文件編制等，對部分檢測人員進行缺陷試件盲樣檢測，最終確認檢測能力滿足要求。

3 檢測工藝和流程

3.1 檢測流程 檢測委托單接收→對受檢部件、檢測環境進行勘察→選擇滿足要求的探頭和楔塊→對設備性能參數進行校準→選擇合適試塊調整靈敏度并繪制距離-波幅曲線(DAC曲線)→檢測表面和檢測范圍的確定、檢測面打磨→檢測實施并記錄缺陷參數→出具檢測報告→報告發放→不合格品跟蹤檢驗。

3.2 主要檢測工藝

3.2.1 儀器和探頭的選用

儀器：選用ISONIC2009型相控陣超聲波探傷儀。儀器具有聚焦法則生成的軟件，能夠對超聲波聲束特征參數進行直接修改；具備角度增益補償功能[3]；當采用編碼器記錄掃查位置時，配置了校準系統。記錄系統可清楚地指示出缺陷相對于掃查起始點的位置。其他各項性能指標均滿足要求。

探頭：選用自聚焦曲面晶片線陣探頭，按表1推薦數值選擇相控陣探頭參數。實際工作中選用探頭型號為Sontron NDT 7.5S16-0.5×10 EHB241[4]。

楔塊：選擇與被檢管件曲率相吻合的探頭楔塊,楔塊邊緣與管子外表面的距離應小于0.5 mm[5]。

表1 相控陣探頭參數

3.2.2 試塊

選擇CSK-IA試塊和聲束控制評定試塊進行儀器性能測試和校準。選擇DL/T820規定的小徑鋼管焊接接頭超聲波檢驗專用DL-1型對比試塊用于測定探頭參數、系統組合性能、校準時基線性和制作DAC曲線[5]。

選擇人工模擬缺陷試樣用于檢測工藝驗證和檢測能力比對。

3.2.3 儀器和探頭系統的校驗

每次檢測前均應在對比試塊上對掃描線、靈敏度進行校驗[5]，對編碼器進行校準。檢測工作結束前，應對掃查靈敏度進行復核并做好記錄。

3.2.4 檢測表面準備

檢測前應了解焊接接頭的規格、材料、坡口型式、焊接工藝等，清除探頭移動區內的飛濺、銹蝕、氧化物及油垢，選用漿糊或機油做耦合劑。

檢測區域應包含焊縫本身寬度加上兩側各10 mm的一段區域。根據管子厚度不同，檢測面打磨寬度控制在50～150 mm。檢測前應在工件掃查面上標記掃查起始點和掃查方向，劃定掃查參考線。

3.2.5 確定聚焦法則

根據所采用的掃描類型確定聚焦法則，明確所涉及到的探頭參數(晶片參數、楔塊參數)和聚焦法則參數(晶片數量和位置、角度、距離、聲速、工件厚度、探頭位置、聚集聲程或深度)等。

3.2.6 檢測區域覆蓋

根據聚焦法則的參數，用檢測設備中的模擬軟件進行演示，調整探頭前端距焊縫邊緣的距離，使選用的檢測聲束覆蓋全部檢測區域，同時確定參考線的位置。

3.2.7 DAC曲線繪制

制作曲線前先設置和優化檢測參數，包括基礎參數(工件厚度、聲程、聲速、顯示延遲及抑制)、激發參數(激發模式、脈沖寬度、激發等級及脈沖重復頻率)、接收參數(濾波器、低通濾波、高通濾波、檢波模式)、閘門激活(起點、門寬及門高)、激發晶片(激發數量、起始位置)。

使用DL-1型試塊,按DL/T820規定的方法制作DAC曲線，不同管壁厚度的DAC曲線靈敏度參照表2的規定。檢測時因管件表面耦合損失、材料

表2 DAC曲線的靈敏度

衰減和內外壁曲率差別影響造成的傳輸損失應進行綜合補償。

3.2.8 檢測掃查方法

掃查靈敏度：在評定線靈敏度基礎上再增益6 dB。

掃查方式：采用手動線性掃查方式(采用編碼器記錄掃查位置)，可選擇單探頭或雙探頭配置。

掃描類型：使用扇形掃描方式。工件厚度在4～8 mm范圍的焊縫采用二、三次波分開設置進行檢測，大于等于8 mm時采用一、二次波同時設置進行檢測。

掃查步進的設置：檢測前將系統設置為根據掃查步進采集信號。

掃查圖像顯示：掃查數據以圖像形式顯示，可用A、S、B、C掃描顯示。在掃查數據的圖像中應有編碼器掃查位置顯示。

掃查速度：控制掃查速度不大于規定的最大掃查速度，若掃查過快，會造成數據流失、無效。

3.2.9 缺陷的定量和評級

缺陷的定量：當反射波位于Ⅱ區或Ⅱ區以上時，用定量線靈敏度測量缺陷的指示長度。當反射波幅位于Ⅰ區時，用評定線靈敏度測量缺陷指示長度。缺陷指示長度I為：

(1)

式中：L為探頭左右移動距離, mm;R為管子半徑, mm;H為缺陷指示深度,mm。

缺陷的評定：評定為允許存在和不允許存在兩類缺陷。

不允許存在缺陷：① 性質判定為裂紋、未熔合、未焊透及密集性缺陷；② 單個缺陷回波幅度大于等于DAC-6 dB；③ 單個缺陷回波幅度大于等于DAC-10 dB且指示長度大于5 mm。

允許存在的缺陷：單個缺陷回波幅度小于DAC-6 dB且指示長度小于或等于5 mm。

4 應用實例

4.1 模擬缺陷試樣的檢測

(1) 對壁厚小于8 mm的小徑鋼管模擬缺陷試樣進行檢測，試樣相關參數和缺陷數據如表3所示。

采用單掃查器分別從A、B兩側,二、三次波分開設置進行單面雙側檢驗，D4焊口二、三次波掃查數據分析缺陷如圖4，5所示。從圖4，5可以看出，使用二、三次波掃查，均能清晰顯示裂紋和未熔合圖像。

表3 壁厚小于8 mm鋼管的模擬缺陷試樣參數

圖3 模擬缺陷試樣D4焊縫底片影像

圖4 D4焊口二次波掃查數據分析缺陷示意

圖5 D4焊口三次波掃查數據分析缺陷示意

(2) 對壁厚大于8 mm的小徑鋼管模擬缺陷試樣進行檢測，試樣相關參數和缺陷數據如表4所示。

采用單掃查器分別從A、B兩側,采用一次波和二次波進行單面雙側檢驗，A5焊口缺陷分析過程如圖7，8所示。圖7為針對A5焊口群孔缺陷進行數據分析，測得缺陷(群孔密集區)長度11.3 mm。圖8為針對A5焊口裂紋缺陷進行數據分析，測得缺陷長度5.7 mm。與射線檢測結果比對，相控陣檢測發現缺陷的性質、位置均與拍片結果相同。

圖6 模擬缺陷試樣A5焊縫底片影像

圖7 A5焊口群孔缺陷分析過程示意

圖8 A5焊口裂紋缺陷分析過程示意

4.2 工程部件的檢測

(1) 對分隔屏過熱器焊口進行檢測，發現條狀氣孔缺陷，其工件參數如表5所示(SMAW表示手工電弧焊)。

表5 分隔屏過熱器小徑鋼管工件參數

焊口掃查過程中發現一長度3.4 mm、深度4.3 mm的缺陷顯示，FP1-406焊口缺陷分析過程及打磨缺陷示意如圖9所示，判定為一條狀缺陷。為驗證檢測結果，現場打磨處理，打磨至深約4 mm時，清晰可見一條狀氣孔缺陷，長度約3 mm。

圖9 FP1-406焊口缺陷分析過程及打磨缺陷示意

(2) 對低溫再熱器懸吊管焊口進行檢測，發現坡口未熔合缺陷,其工件參數如表6所示。

表6 低溫再熱器懸吊管小徑鋼管工件參數

焊口掃查過程中發現一長5.7 mm、深9.7 mm的缺陷顯示，DZX6-198焊口缺陷分析過程如圖10所示，判定為未熔合缺陷。焊口打磨處理至深10 mm時，清晰可見一坡口未熔合(見圖11)，缺陷位置、實測尺寸與檢測值相符。

圖10 DZX6-198焊口缺陷分析過程示意

圖11 DZX6-198焊口打磨發現缺陷示意

5 結語

對電力工程施工企業來說，采用相控陣超聲檢測方法對電站鍋爐小徑管進行檢測，能夠滿足焊接缺陷檢出要求，實現檢測工作與安裝、焊接作業的同步進行，用其替代射線檢測方法可降低安全管理風險，最大限度地減少對施工工期的影響。

[1] 李衍.ASME標準新版中有關相控陣超聲成像檢測的要點分析 第一部分：兩種方法和要求[J].無損檢測，2015，37(7)，6-10.

[2] 鐘德煌，鄭攀中.便攜式相控陣探傷儀在焊縫超聲檢測技術中的應用[J].無損檢測，2009，31(3)，233-235.

[3] GB/T 29302-2012 無損檢測儀器 相控陣超聲檢測系統的性能與檢驗[S].

[4] 王維東，王亦民，孟倩倩,等.超超臨界鍋爐小徑管焊縫的超聲相控陣檢測[J].無損檢測，2015，37(12)，45-52.

[5] DL/T820-2002 管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程[S].

The Phased-array Ultrasonic Testing for Small-bore Steel Tubes of Boiler in Power Plant

DU Chuan-guo, GUO Xiang-ji, GU Xian-fang

(Shandong Electric Power Construction No.1 Company, Jinan 250100, China)

This article introduces the application background, test principles and technical characteristics of phased-array ultrasonic testing. Meanwhile, it summarizes the major methods and technical process of this kind of testing for small-bore steel tubes (25 mm≤φ≤89 mm), presenting some practical cases of defect-inspection. This article can also be used as a reference of successful application and promotion of phased-array ultrasonic testing for power plant project.

Ultrasonic phased-array testing; Small-bore steel tube; Method and process; Practical case; Detection result

2016-09-28

杜傳國(1971-),男，本科，高級工程師，主要從事電建行業焊接及金屬檢測技術管理工作。

杜傳國，E-mail: dcg@sepc01.com。

10.11973/wsjc201703017

TG115.28

B

1000-6656(2017)03-0069-05