相控陣超聲檢測技術在核電廠高壓排氣管線角接焊縫檢測中的應用

劉恩凱1,施建輝1,丁清越1,王 濤,朱 強

(1.陽江核電有限公司, 陽江 529500;2.廣州帕理檢測技術有限公司, 廣州 510000)

核電廠常規(guī)島汽輪機蒸汽和疏水系統(tǒng)可大致分為蒸汽回路和疏水回路。蒸汽回路的作用是保證向汽輪機高壓缸提供飽和蒸汽，將高壓缸排氣送到汽水分離再熱器，自汽水分離再熱器向低壓缸提供過熱蒸汽。疏水回路系統(tǒng)的作用是：保證啟動時排除暖機過程中形成的水，連續(xù)運行時排除沿蒸汽流動方向分離出的水，在瞬態(tài)過程中排除飽和蒸汽形成的水。在汽輪機的各個部位設有疏水系統(tǒng)，其中高壓環(huán)線和高壓汽室的疏水和蒸汽回路管線要承受高溫、高壓的作用，易產生缺陷。國內某電廠高壓排氣管線就發(fā)生過泄漏事件，經檢查發(fā)現(xiàn)部分主管線上的人孔門、支管焊縫等在制造階段未進行體積性檢驗，該階段自帶的缺陷加上高溫高壓的運行工況導致了此次泄漏。

為了確認其他類似焊口是否存在同樣的問題，需要在電廠大修階段對高壓排氣管線上支管焊縫和人孔門焊縫進行體積性排查。考慮到管線已經整體連接，其焊縫結構為插入式或安放式，現(xiàn)場已經不具備常規(guī)射線檢測條件。按照相關標準的要求及經過技術調研，采用可記錄的超聲檢測技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的射線檢測，又考慮角焊縫的結構特點，TOFD檢測技術不適用，最終確定采用相控陣超聲檢測技術對焊縫質量進行排查[1]。

1 相控陣超聲檢測技術

超聲成像檢測技術利用聲波穿透物體而獲得物體內部聲學特征的信息，再將其變成人眼可見的圖像，即可以獲得不透光物體內部聲學特性分布的圖像。目前超聲成像技術有很多種，例如P掃描成像、ALOK超聲成像、相控陣、TOFD技術等[2]。文章僅研究工業(yè)檢測常用的相控陣超聲技術。

相控陣超聲檢測技術主要特點是壓電復合陣列探頭中各陣元的激勵均由計算機控制。其在實施檢測時，可通過計算機控制聲束覆蓋范圍及角度，同時隨著計算機輔助成像技術的不斷發(fā)展，相控陣超聲技術所體現(xiàn)出的優(yōu)勢較射線更為突出，主要有以下幾點。

(1) 相控陣超聲聲束可實現(xiàn)聚焦檢測[3]，并且聲束可偏轉，扇形掃查可檢測范圍較大。相對于脈沖反射法常規(guī)檢測，相控陣超聲技術大大提高了檢測效率。

(2) 在軟件中輸入檢測焊縫的實際結構及尺寸，可以實時模擬聲束的掃查范圍及路徑，查看檢測的覆蓋范圍及缺陷的位置。

(3) 掃查距離要求較短。探頭不移動時，通過調節(jié)楔塊的角度、線性掃查以及聲束的偏轉等方式可實現(xiàn)焊縫中聚焦聲束的偏轉。

(4) 相控陣設備可以將不同波幅的幅值通過模數轉換器轉換成不同的顏色，從而通過圖像色彩來判別波幅大小，比脈沖反射法常規(guī)檢測通過捕捉閃動的波形來發(fā)現(xiàn)缺陷更具優(yōu)勢。

2 模擬試塊驗證及檢測工藝設計

為了更好地分析角接焊縫相控陣超聲檢測工藝的特點及相關檢測參數的可靠性，以現(xiàn)場代表性的角接焊縫(雙面焊)為例，通過制作帶有自然焊接缺陷的模擬試塊進行檢測工藝試驗，根據檢測結果，結合現(xiàn)場檢測焊縫的特點，綜合考慮選用不同的軟件，探頭以及對應的檢測參數。

2.1 模擬試塊驗證

圖1為腹板厚度T為14 mm的單K型坡口試板與腹板厚度T為19 mm的試板焊成的T型角焊縫(埋藏自然缺陷)試塊結構及其缺陷位置示意，選擇K型坡口主要是考慮其可同時覆蓋V型坡口形式焊縫。圖2為T型角焊縫實物。

命題 3.1 測度Μ(B,K)是Rd上的界為0 <∞的框架, 框架算子為S, K是S, S-1的不變子集, S為Borel映射, 那么存在測度框架ν, 使得μ+ν是Rd上的界為λ的緊框架, 其中λ>B。

圖1 T型角焊縫試塊結構及其預制缺陷位置示意

圖2 T型角焊縫實物圖片

2.1.1 相控陣超聲檢測

(1) 檢測參數。采用f=7.5 MHz的32陣元的相控陣超聲探頭，相鄰晶片中心線間距p=0.5 mm，晶片寬度e=0.4 mm，相鄰晶片間的間隙g=0.1 mm。一次激發(fā)16個陣元(即9～24),扇形角度范圍為55°～75°。

圖3 T型角焊縫PA檢測出的坡口未熔合缺陷

(2) 檢測結果。相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)了坡口未熔合缺陷(見圖3)，該缺陷長度為18 mm，深度為2.9 mm，自身高度為2.4 mm，幅度為129.9%。缺陷自身高度采用相控陣超聲橫波端點衍射法測量。

2.1.2 解剖驗證

對坡口未熔合進行解剖驗證，得到其自身高度為2.5 mm，如圖4所示。

圖4 解剖坡口未熔合缺陷

通過基礎模擬測試可知，對于角接焊縫的檢測主要要注意缺陷的方向性，而具有方向性的缺陷主要為面積性缺陷(裂紋、未熔合)，因此制定工藝的時候要考慮缺陷的方向性及檢測區(qū)域的聲束全覆蓋。

2.2 實際檢測工藝設計

表1 高壓排氣管線焊縫結構及坡口形式

2.2.1 探頭參數選擇

焊縫材料為碳鋼，其晶粒對聲束的衰減較小，故在保證穿透力的前提下宜盡量選擇較高的探頭頻率來提高檢測的靈敏度及聲束的指向性[4]。相控陣探頭陣元數量越多，陣列孔徑越大，可提高探頭的橫向分辨力，但會使得近場區(qū)增加；另外，考慮檢測部件弧度較大，需要采用帶有弧度楔塊的探頭來保證耦合，若晶片數量增多會導致探頭面積增大而影響耦合效果。故確定選用7.5 MHz，晶片數量16個、間距為0.5 mm的相控陣探頭檢測安放式焊縫；選用5 MHz，晶片數量為32個、間距為0.5 mm的相控陣探頭檢測插入式焊縫。

2.2.2 楔塊的設計

楔塊的設計主要考慮角度及弧度。角度主要影響相控陣激發(fā)的聲束在檢測工件中的有效檢測角度范圍；弧度主要考慮檢測工件外表面弧度，為了保證耦合效果，楔塊的曲率應盡量與掃查面所在的曲率一致。確定采用楔塊角度為55°，尺寸(長×寬)為32 mm×22 mm的平面型楔塊檢測插入式焊縫;采用楔塊角度為60°，曲率半徑為44.5 mm的曲面楔塊檢測支管焊縫。

2.2.3 掃查方式規(guī)定

對于支管安放式焊縫結構(見表1)，無法進行焊縫兩側掃查，只能進行單側掃查。為了保證不同位置的缺陷不因方向性而出現(xiàn)漏檢，因此需要在單側進行兩次掃查，兩次掃查的交叉角度應至少大于10°(見圖5)。其中安放式焊縫探頭放在支管上進行單側兩次掃查，其焊縫結構模擬對接管道環(huán)焊縫。GPV(汽輪機蒸汽和疏水系統(tǒng))人孔門因其焊縫在主管線上，屬于插入式結構，探頭應同時在主管和人孔門上進行掃查。但是因其結構原因需要采用特殊的軟件對焊縫進行三維結構建立，以便發(fā)現(xiàn)缺陷時儀器上顯示的缺陷信號位置能與缺陷的實際位置對應，不影響檢測過程中缺陷的判斷和定位。圖6所示為人孔門插入式角焊縫的相控陣超聲檢測掃查圖。因此，不同焊縫結構形式選擇的軟件或者相控陣設備是不同的。

圖5 安放式焊縫結構掃查示意

圖6 插入式焊縫結構的相控陣超聲檢測掃查示意

3 現(xiàn)場檢測結果

在DL/T 1718-2017標準公開發(fā)布之前，在沒有任何可直接參考的行業(yè)相控陣檢測標準的情況下，筆者按照上述自主開發(fā)的相控陣檢測工藝及相關驗收標準，在歷次大修中進行了檢測應用，多次發(fā)現(xiàn)不合格缺陷，及時消除了影響機組運行的焊縫品質隱患。同時，從后期焊縫的運行情況來看，相控陣超聲檢測可以有效地檢測出焊縫的內部缺陷，能保障后期機組安全可靠地運行；另外，應用相控陣超聲檢測技術不僅解決了射線檢測帶來的輻射風險、工期緊張、禁止交叉作業(yè)等問題，還縮短了大修工期，提高了經濟效益。

對現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)的含缺陷焊縫進行挖補跟蹤，進一步確認所采用的檢測技術及結果評判的準確性。檢測發(fā)現(xiàn)人孔門角焊縫存在疑似裂紋缺陷，通過相控陣圖譜判斷該缺陷屬于面積型缺陷，進一步考慮焊接過程產生的面積缺陷主要為裂紋和未熔合，基于裂紋與未熔合缺陷在A掃查圖上顯示的差異進行綜合判斷而確認為裂紋缺陷，缺陷現(xiàn)場挖出后也同樣確認為裂紋缺陷[5](見圖7)。

圖7 現(xiàn)場檢測結果及挖出的裂紋缺陷

4 結語

通過對高壓排氣管線的角接焊縫進行相控陣超聲排查，發(fā)現(xiàn)了大量的不合格焊接缺陷。經過歷次大修的應用，已建立起一套專用標準化的相控陣檢測規(guī)程，對檢測所用的探頭、設備、軟件等進行了明確規(guī)定，有力地保證了檢測工藝的可靠性及檢測結果的準確性。現(xiàn)場應用中，通過排查，及時發(fā)現(xiàn)了焊縫中的不合格缺陷，通過返修去除了隱患，保證了電廠運行的安全性。同時采用了可記錄的超聲檢測技術代替了射線檢測技術，彌補了射線檢測技術的局限性。同時，超聲檢測已經從常規(guī)的脈沖反射檢測步入可記錄的成像檢測時代，大大彌補了常規(guī)超聲檢測相比射線檢測存在的不足，且相控陣超聲檢測技術可以交差作業(yè)，無需輻射防護成本，耗材成本較低，檢測效率較高。