火電廠金屬部件的相控陣超聲檢測

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 華北分公司，北京 100040)

隨著電力企業技術的發展,以及國家對發電企業提出的節能減排要求，發電機組逐漸向著大容量、高參數的方向發展。裝機容量和運行參數的升級將直接提高對機組金屬部件的質量要求。因此，火電廠金屬部件的監督檢驗工作也變得更加重要。在制造安裝的檢驗驗收及在役機組的檢驗監督過程中運用多種檢測方法進行診斷、監督金屬的部件狀態，及時掌握設備金屬部件的運行狀況和質量情況顯得極為重要。這有利于防止由于材料品質不佳、焊接缺陷、選材不當、應力狀態不當、運行工況不良等因素引起的各類安全事故，減少電廠的非計劃停運次數，提高設備運行的可靠性，延長設備的使用年限。

超聲檢測作為金屬監督檢測中的一種重要檢測手段，在火電廠金屬部件缺陷的識別上具有獨特的地位。在火電廠金屬部件的超聲檢測工作中，常規超聲檢測技術的應用最為成熟，使用頻率也最高，TOFD(超聲波衍射時差法)檢測技術在某些金屬部件上的應用也逐漸成熟，近些年相控陣超聲檢測技術開始應用在火電廠部分金屬部件的檢測中[1]。

常規超聲檢測技術使用單晶探頭，聲束發射角度單一[2]。在檢測過程中遇到待檢部位結構復雜、內部缺陷類型較多時，需多次更換探頭進行檢測。這增加了檢測人員的勞動強度，降低了檢測效率；并且聲速角度難以連續變化，易造成缺陷漏檢。TOFD技術使用的是接收衍射波原理，衍射波信號較反射波信號強度弱，衍射波信號的缺陷識別力較反射波信號的缺陷識別率低；而且TOFD檢測技術對部件的結構要求較高。相控陣超聲技術使用的是陣列晶片探頭，探頭尺寸與常規超聲檢測探頭尺寸相同，但聲束發射角度可以調整為一個范圍，在這個

圖1 0～400 mm段焊縫檢測結果

檢測范圍內角度是連續變化的，提高了缺陷檢出率。與常規超聲檢測技術相比，相控陣超聲檢測技術的結果為多視圖顯示，并且具有數據儲存功能。但相控陣超聲檢測技術也存在標準體系尚不完善，設備造價高，對檢測人員的要求較高等不足。而隨著檢測標準體系的逐步健全與計算機技術的快速發展，相控陣超聲檢測技術逐漸在多領域得到應用，但在火電廠金屬監督檢測中的應用還較少，只有一部分金屬部件開始使用該技術進行檢測，并且檢測結果可靠性高。

1 相控陣超聲檢測在火電廠的應用案例

1.1 大管徑對接環焊縫的檢測

石油燃氣行業的大管徑(外徑大于108 mm)對接環焊縫相控陣超聲檢測技術的應用較早，電力行業特別是火電廠近些年也開始應用該技術進行管道環焊縫的檢測。

以下為某電廠再熱管道的相控陣超聲檢測實例，再熱管道規格為φ502 mm×32 mm(外徑×壁厚),材料為A335P92。在該管道的監督檢驗過程中，首先進行常規超聲檢測，由標準DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢測技術規程》可知，常規超聲探頭折射角為70°或60°，即使用兩種探頭進行檢測，有些缺欠仍可能無法檢出。

用相控陣超聲技術檢測時，由于相控陣超聲技術中包含常規超聲的功能，且當時檢測時并沒有相應的標準(現有標準DL/T 1718-2017《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》)，所以參考標準DL/T 820-2002。由于焊縫表面已經磨平，所以采用5L128-0.8×12-SD11線性陣列探頭(128晶片直探頭)進行掃查，掃查結果如圖1～3所示。整圈焊縫分為3個部分，分別是0～400 mm，620～1 000 mm,1 640～1 800 mm，發現3段焊縫內部存在多處點狀缺陷，其中在620～1 000 mm段的焊縫內缺陷分布較為集中，缺陷按標準DL/T 820-2002進行評級，均為不記錄缺陷，但由于相控陣超聲的檢測結果可以儲存，這些缺陷均已記錄儲存。選取3個較為典型的缺陷(見表1)進行具體描述。

表1 3個典型缺陷參數 mm

由相控陣超聲檢測結果和常規超聲檢測結果進行對比可以發現：① 相控陣超聲檢測識別出的缺陷多于常規超聲檢測識別出的缺陷，從理論上來說相控陣斜探頭的檢出率高于常規超聲探頭的檢出率，使用斜探頭的相控陣超聲檢測工藝時，角度范圍為35°～75°，角度設置范圍較廣，對不同方向缺陷的檢出率也高于常規超聲的檢出率；② 相控陣檢測速度比常規超聲的檢測速度快，由于常規超聲檢測需要更換探頭，發現缺陷時需從不同位置分別識別缺陷，而相控陣檢測工藝在采集數據時只需勻速掃查一圈；③ 相控陣檢測結果可儲存，而常規超聲沒有此功能，儲存數據功能對于夾渣帶裂紋的缺陷尤為重要，因為這類缺陷開始時主要表現形式為夾渣，檢測時可能評為不記錄缺陷，但運行一段時間后夾渣中的裂紋開始擴展，最后演變成裂紋。常規超聲檢測沒有儲存功能，且對于此類缺陷前期不進行記錄，等下次檢測時發現裂紋再進行記錄，則難以發現兩者之間的聯系。

圖2 620～1000 mm段焊縫檢測結果

圖3 1 640～1 800 mm段焊縫檢測結果

1.2 高、中壓汽輪機的隔板檢測

汽輪機高、中壓隔板在制造廠出廠驗收時，使用常規超聲直探頭對其進行檢測，探頭放置在隔板外環端面上，通過上下移動探頭進行全面檢測(見圖4)。檢測區域主要是隔板外環與葉片圍帶之間的主焊縫，由于主焊縫的深度和寬度比較大，主要缺陷為未熔合缺陷，未熔合缺陷屬于面積型缺陷，對于入射角度要求較高。檢測面與主焊縫呈一定角度，常規超聲直探頭的掃描信號難以被接收識別。

圖4 常規超聲探頭掃查示意

應用相控陣超聲技術檢測隔板時，采用5L128-0.8×12-SD11線性陣列探頭配0°曲面楔塊和5L64線性陣列探頭配SA2-N55S楔塊。5L128-0.8×12-SD11為直探頭，檢測外環主焊縫時，放置位置為外環的外弧端面上的A檢測面；5L64線性陣列探頭為斜探頭，檢測內環主焊縫放置位置為內環上端面B、C檢測面(見圖5)。以某電廠金屬部件的檢測數據為例，檢測結果如圖6，7所示。內外環主焊縫沿熔合線處存在未熔合缺陷，而常規超聲檢測使用直探頭只能對隔板外環主焊縫進行檢查，對于主焊縫沒有傾角的隔板可以查出超標缺陷，但對于傾角大于8°隔板的焊縫回波信號則難以接收。

常規超聲檢測方法可以檢出外環主焊縫的缺陷，但對比常規超聲檢測結果和相控陣超聲檢測結果可知：① 相控陣超聲檢測的聲束覆蓋范圍大,具有角度可調和動態聚焦的特點，較常規超聲接收回波信號能力較強，對面積型缺陷檢出率較高；② 相控陣超聲檢測技術具有圖形導入功能，在分析結果中導入相應的結構圖，更易于分析缺陷類型，例如上述相控陣超聲檢測出缺陷均沿焊縫熔合線，且為面積型缺陷，從而分析此類缺陷為未熔合缺陷[3]。

圖5 相控陣探頭放置位置示意

圖6 某金屬部件的直探頭掃查結果

圖7 某金屬部件的斜探頭掃查結果

1.3 受熱面小徑管焊縫的檢測

電廠受熱面小徑管的數量極多，經常出現爆管泄漏的問題而造成機組非計劃停運。受熱面小徑管的焊縫表面檢測、內外壁表面導波檢測和對接焊縫的內部檢測多為射線檢測。受熱面小徑管排列緊密，尤其在兩管并排處，現場焊接時位置不佳，焊接缺陷較多。而對于這些現場焊口，射線機擺放位置受到限制，檢測存在盲區，缺陷識別困難，射線檢測效果不好。

相控陣超聲檢測受熱面小徑管時，探頭檢測角度和聚焦深度可以根據小徑管焊接結構設計，保證檢測覆蓋全部焊縫區域。由于相控陣檢測小徑管時探頭尺寸小，便于穿過兩管之間的縫隙，這樣可以確保檢測到整圈焊縫，對于識別射線檢測盲區的缺陷十分有利。對某電廠過熱器受熱面對接焊縫進行相控陣超聲檢測時，缺陷識別明顯，且多數缺陷在兩管并排之間的焊縫內。使用OLYMPUS公司的16晶片小徑管探頭進行檢測，結果如圖8所示，缺陷為沿熔合線的未熔合缺陷。

圖8 某受熱面小徑管焊縫的相控陣超聲檢測結果

對比常規檢測方法和相控陣檢測方法可知：① 相控陣超聲檢測相比其他檢測方法，其對于管排中間縫隙位置的焊縫缺陷的識別能力高，檢出率高；② 對于焊縫內部的缺陷，射線檢測對未熔合的檢出率極低，常規超聲在薄壁小徑管上的應用較少。相控陣超聲技術彌補了射線檢測和常規超聲檢測方法的不足，通過設計聚焦深度、檢測角度等參數，可以對不同厚度的小徑管進行檢測，并且缺陷識別能力高于常規超聲的識別能力，尤其對未熔合類型缺陷的檢出率高。

1.4 汽輪機葉根的檢測

汽輪機葉片的葉根處最易出現裂紋，尤其在第一、第二齒內的凹陷處(見圖9)，由于葉片結構復雜，探頭放置位置少，常規超聲難以選擇合適的探頭對易出缺陷位置進行檢測。

圖9 汽輪機葉片葉根處外觀

相控陣超聲檢測汽輪機葉片葉根時，可以將探頭放置在僅有的檢測面處，通過工藝設計可以同時檢測到不同齒的內凹部位，圖10為相控陣超聲檢測縱樹型葉根的結果，在第一齒內凹位置的裂紋缺陷明顯可見，并且葉根的結構位置波形明顯。

圖10 相控陣超聲檢測縱樹型葉根的結果

對比常規超聲和相控陣超聲檢測結果可知：① 相控陣超聲可以在檢測位置受限的情況下，不前后移動探頭就能對整個待檢部位進行全面檢測，并且缺陷識別能力強；② 相控陣超聲檢測定位準確，掃查結果直觀易懂。

1.5 高溫螺栓的檢測

高溫螺栓的常規超聲檢測已經成熟，并且檢出率也很高，但是在檢測時需要檢測人員對不同波形進行分析。而通過相控陣超聲檢測，操作人員可以從圖像直觀分析波形，提高檢測效率。

圖11為螺栓1/4直徑位置的缺陷聲像特征,反映了不同當量缺陷的聲像特征。從圖11可以看出,在扇形掃描圖的左下部分閘門線位置有一異常回波信號,從位置上分析,可以認定這是一個刻槽人工缺陷造成的異常回波；同時可以從圖中直觀地分析出缺陷在哪個掃查角度的反射波最高,并可由左側A掃波形圖與圖像上方的增益、波高進行定量分析。

2 結語

相控陣超聲檢測已在部分電廠檢修中得到應用，并且檢測結果較好，也得到了電廠專業人員的認可。還有很多電廠中的金屬部件可以嘗試使用相控陣超聲技術，例如管座角焊縫、轉子軸徑、葉輪輪緣、容器焊縫等金屬部件。相控陣超聲技術成像結果直觀，工藝設計靈活，檢測效率高。

圖11 螺栓1/4直徑位置的缺陷聲像特征