小徑管管座角焊縫相控陣超聲檢測工藝

齊高君,2，王耀禮,2，丁成海,2，耿士超，張樹功，韋鴻起

(1.山東豐匯工程檢測有限公司，濟南 250200； 2.山東省特種設(shè)備協(xié)會相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用研究中心，濟南 250200)

在電站鍋爐制造和安裝過程中，為了避免強制對口和方便現(xiàn)場的焊接施工，在集箱、管道與接管間均會加裝管座，因此管座角焊縫的數(shù)量在電站鍋爐焊縫總數(shù)中占有很大比例，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到電站鍋爐的安全、可靠運行[1]。

目前，對管座角焊縫的檢驗，一般采用宏觀檢驗加磁粉檢測、滲透檢測等表面檢測方法，而這些方法只能檢測焊縫表面和近表面缺陷，無法檢測焊縫內(nèi)部的缺陷。受現(xiàn)場條件和結(jié)構(gòu)形式的限制，絕大多數(shù)的集箱管座角接接頭都無法進行射線檢測，極少數(shù)可采用特殊工藝進行射線檢測，但對裂紋、未熔合等面狀危險性缺陷的檢測靈敏度低。常規(guī)超聲波檢測受到管座曲率、壁厚、馬鞍狀焊接接頭形式，以及探測位置局限性等因素影響，存在缺陷信號識別難、缺陷定性及定位難、焊縫完全覆蓋難的問題[2-3]。

相控陣超聲檢測是目前國際上先進、前沿的超聲波檢測技術(shù)[4]，與常規(guī)超聲波檢測技術(shù)相比，在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測效率方面均具有顯著的優(yōu)越性，尤其適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置的檢測[5-6]。筆者所在單位利用相控陣超聲檢測技術(shù)優(yōu)勢，針對電站機組小徑管管座角焊縫的特點，積極開展了相控陣檢測工藝研究，形成了成熟完善的檢測工藝流程，并在多個電站機組安裝、檢修工程中進行應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 檢測系統(tǒng)及原理

相控陣超聲檢測系統(tǒng)主要由檢測主機、探頭、楔塊、編碼器、掃查架、試塊等組成(見圖1)。

圖1 相控陣超聲檢測系統(tǒng)組成

檢測儀器選用在小徑管檢測方面性能突出的以色列ISONIC2009型64通道相控陣超聲檢測儀。探頭選用小徑管專用16晶片、自聚焦線陣探頭(型號為7.5S-16-0.5×10)，探頭楔塊的曲率和被檢小徑管管座的曲率相匹配。配套選用可拆卸、鏈?zhǔn)叫焦軝z測專用掃查器和編碼器。

角焊縫檢測用試塊包括3類：標(biāo)準(zhǔn)試塊、對比試塊、模擬試塊。標(biāo)準(zhǔn)試塊包括R50半圓試塊和相控陣A型、B型試塊，用于儀器的調(diào)試、校準(zhǔn)。自制小徑管管座角焊縫對比試塊，用于DAC曲線的制作，檢測靈敏度的確定。焊接缺陷模擬試塊主要用于掃查靈敏度的確定和檢測工藝的驗證。

2 對比試塊的設(shè)計制作

目前，電力行業(yè)小徑管管座角焊縫相控陣檢測時，通常使用DL-1[7]或者GS[8]對比試塊調(diào)整檢測靈敏度，采用直射波對不同深度的橫通孔進行測試，得到靈敏度曲線。由于角焊縫檢測中絕大多數(shù)使用的是一次反射波，直射波僅能檢測安放式管座角焊縫根部缺陷，因此，采用DL-1或者GS對比試塊調(diào)整的檢測靈敏度并不能真實反映角焊縫中實際缺陷的回波特征，尤其在4～8 mm厚度的薄壁管檢測中的差異更加明顯。鑒于上述問題，設(shè)計制作了一種切合小徑管管座角焊縫檢測實際的對比試塊，成為提高角焊縫檢測靈敏度的關(guān)鍵。

2.1 對比試塊設(shè)計

圖2 安放式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)示意

圖3 插入式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)示意

為最大限度模擬小徑管管座角焊縫中的聲傳播特點，提出一種直接切取角焊縫模擬試塊的一部分來制作對比試塊的方案。先截取一段相似規(guī)格的大徑厚壁管道來模擬集箱筒壁，使用與被檢角焊縫相同的檢測工藝，將小徑管管道焊接在筒壁上，做成角焊縫模擬試塊。然后根據(jù)安放式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)(見圖2)或插入式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)(見圖3)，使用線切割方式將試塊切割成型，并在兩側(cè)焊縫的相應(yīng)位置上加工橫通孔反射體，最終形成角焊縫對比試塊。圖2,3中T為小徑管接管的壁厚；x為管座角焊縫沿管座側(cè)(即試塊的上半部分)垂直方向的焊縫長度；y為管座角焊縫沿主管道側(cè)(即試塊的下半部分)水平方向的焊縫長度。

試塊采用φ2 mm橫通孔作為參考反射體，為保證反射體信號回波具有較高的信噪比，便于靈敏度曲線的制作，在試塊兩側(cè)的焊縫上各設(shè)置一處橫通孔。左側(cè)橫通孔設(shè)置在焊縫垂直方向近探頭側(cè)，右側(cè)橫通孔設(shè)置在焊縫水平方向遠探頭側(cè)，這兩處位置分別接近一次反射波的靈敏度極大值處和極小值處(相控陣聲場模擬如圖4所示)，因此對于管座角焊縫的相控陣檢測來說，用兩通孔制作的靈敏度曲線即可表征焊縫受檢區(qū)域的靈敏度要求。

圖4 管座角焊縫試塊相控陣聲場模擬

2.2 試塊優(yōu)點

(1) 相控陣聲束范圍比常規(guī)超聲聲束范圍大，兩孔分開設(shè)置避免了反射體回波的相互干擾。

(2) 反射體設(shè)置在被檢試樣的模擬試塊上，其得到的靈敏度曲線更接近真實檢測情形，提高了檢測精度；并且其比DL-1和GS試塊更高效、更符合角焊縫的聲傳播特點。

3 檢測流程和主要檢測工藝

3.1 檢測流程

檢測流程如圖5所示。

圖5 檢測流程圖

3.2 檢測系統(tǒng)設(shè)置

(1) 聚焦法則設(shè)置

設(shè)置的主要參數(shù)為：晶片數(shù)量、激發(fā)晶片起始位置、聲束角度范圍、聲束聲程或深度、聲速、被檢工件厚度、聚焦深度、探頭位置等。

(2) 被檢工件參數(shù)設(shè)置

將角焊縫結(jié)構(gòu)形式、焊縫寬度、余高、坡口角度等工件參數(shù)設(shè)置為焊縫實際值。

(3) CIVA仿真軟件驗證檢測參數(shù)

利用CIVA仿真軟件對設(shè)定的聚焦法則參數(shù)進行驗證，確認掃查聲束是否滿足對檢測區(qū)域的全覆蓋。

(4) 角度增益修正

相控陣探頭的最佳掃查角度為35°～75°。修正方法為：探頭附加小徑管平楔塊放在R50半圓試塊上，先調(diào)整中心角度反射波幅為滿屏的80%，再依次對最佳掃查角度范圍內(nèi)各角度(角度間隔一般為0.1°～2°)逐一進行增益修正，使各角度反射波幅都達到滿屏的80%。

(5) 距離-波幅(DAC)曲線制作

距離-波幅(DAC)曲線是通過在相應(yīng)的安放式管座角焊縫試塊(見圖6)或者插入式管座角焊縫試塊(見圖7)上實測數(shù)據(jù)繪制而成的。繪制時，將所用探頭和儀器連接，選擇試塊左側(cè)φ2 mm橫通孔制作DAC曲線的第一點，使反射波高達到顯示屏80%，然后保持靈敏度不變，選擇右側(cè)φ2 mm橫通孔制作DAC曲線的第二點，此兩點最高回波位置連線即為DAC曲線。不同管壁厚度的距離-波幅曲線靈敏度應(yīng)符合表1中的規(guī)定[9]。

圖6 安放式對比試塊調(diào)試現(xiàn)場

圖7 插入式對比試塊調(diào)試現(xiàn)場

壁厚/mm評定線定量線≥4～8?2 mm×20 mm-24 dB?2 mm×20 mm-18 dB≥8～15?2 mm×20 mm-20 dB?2 mm×20 mm-14 dB≥15?2 mm×20 mm-16 dB?2 mm×20 mm-10 dB

(6) 掃描類型及顯示方式的選擇

小徑管管座角焊縫宜采用扇形掃描檢測。插入式管座角焊縫采用二次波進行檢測；安放式管座角焊縫采用一次波和二次波進行檢測，一次波能檢測到角焊縫根部，二次波檢測表面及中部。

(7) 掃查靈敏度確定

在表1規(guī)定的評定線靈敏度基礎(chǔ)上再增益6 dB作為掃查靈敏度。

(8) 步進設(shè)置

檢測前將系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)掃查步進采集信號，掃查步進最大值不大于1.0 mm；扇掃描角度步進設(shè)置應(yīng)不大于1°。

(9) 編碼器校準(zhǔn)

每次檢測工作開始前要對編碼器進行校準(zhǔn)，若測試誤差大于1%或超過10mm，需重新校準(zhǔn)。

3.3 檢測實施

(1) 檢測靈敏度驗證。每次檢測作業(yè)前，應(yīng)對掃查靈敏度及編碼器進行復(fù)核，并在模擬缺陷試塊上進行驗證，確保檢測靈敏度滿足要求。

(2) 檢測環(huán)境。系統(tǒng)校準(zhǔn)溫度與實際檢測溫度差應(yīng)控制在±15 ℃之內(nèi)。檢測時，被檢工件表面溫度應(yīng)控制在0～50 ℃間。

(3) 檢測區(qū)域。檢測區(qū)域為管座角焊縫本身加上距焊縫邊緣5 mm內(nèi)的一段區(qū)域。

(4) 檢測標(biāo)識。檢測前應(yīng)在工件掃查面上標(biāo)記掃查起始點和掃查方向，一般情況下，起始點用“0”標(biāo)記，掃查方向用箭頭表示。

(5) 施加耦合劑。在管座角接接頭接管側(cè)探頭移動區(qū)域內(nèi)均勻涂刷耦合劑，耦合劑應(yīng)選用甘油、機油等。

(6) 探頭位置的確定。現(xiàn)場檢測時，用鋼板尺確定探頭前段距焊縫邊緣的長度，使探頭實際平移距離和聚焦法則中設(shè)置的平移距離相同。

(7) 掃查和數(shù)據(jù)采集。掃查過程中，可采用自動掃查器或手動掃查器。采用手動掃查器時，操作人員應(yīng)用力均勻，保證探頭與工件接觸良好。掃查的最短長度為接管外圓周長加30 mm，采用線性掃查時應(yīng)保證掃查速度不大于20 mm·s-1。

3.4 數(shù)據(jù)分析評定

3.4.1 數(shù)據(jù)有效性評價

數(shù)據(jù)有效性評價應(yīng)著重以下幾方面：① 采集的數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足檢測焊縫的長度要求;② 數(shù)據(jù)丟失量不得超過整個掃查長度的5%，且不允許相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失;③ 掃查圖像中的耦合不良長度不得超過整個掃查長度的5%，單個耦合不良長度不得超過2 mm；④ 評判掃查數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)無效，應(yīng)排除故障后重新進行掃查。

3.4.2 數(shù)據(jù)評定和處理

(1) 缺陷的評定按照先定性后定量的順序進行。應(yīng)首先對掃查數(shù)據(jù)進行整體分析，結(jié)合A、B、C、D、S多種掃描顯示判斷缺陷性質(zhì)，后進行缺陷定量。

(2) 性質(zhì)判定為裂紋、未熔合、未焊透缺陷評定為不允許。

(3) 根據(jù)缺陷俯視圖中的輪廓確定缺陷的長度、寬度，長度與寬度之比大于3的相關(guān)顯示按條形缺陷處理，長度與寬度之比不大于3的相關(guān)顯示按圓形缺陷處理。條形缺陷和圓形缺陷的評定按照表2的規(guī)定進行。

表2 焊接接頭允許的缺陷尺寸

4 應(yīng)用實例

4.1 安放式管座角焊縫檢測結(jié)果對比

在某電廠安裝施工過程中，對低再進口集箱廠家角焊縫質(zhì)量進行安裝前抽檢，其中接管規(guī)格(外徑×壁厚)為60 mm×6 mm，材料為20G，焊接方法為GTAW(鎢極惰性氣體保護焊)。

通過使用該相控陣檢測工藝發(fā)現(xiàn)8號焊口存在兩處超標(biāo)缺陷，為驗證相控陣檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者設(shè)計了專用射線檢測方案對該焊口進行了復(fù)檢。使用180 mm×40 mm(長×寬)規(guī)格的特制暗盒袋，裁制相應(yīng)規(guī)格的底片和增感屏，將暗盒袋緩慢塞入接管內(nèi)壁，將射線源置于角焊縫外側(cè)分段進行透照，每次間隔60°，共透照6次，實現(xiàn)了對該角焊縫的射線檢測。

(1) 相控陣超聲檢測結(jié)果：圖8為針對未焊透缺陷進行的相控陣檢測數(shù)據(jù)分析示意，測得缺陷長度L=10.5 mm；圖9為針對氣孔缺陷進行的相控陣檢測數(shù)據(jù)分析示意，測得缺陷長度L=4.9 mm。

圖8 未焊透缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖9 氣孔缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖10 8號管座角焊縫未焊透缺陷底片

圖11 8號管座角焊縫氣孔缺陷底片

(2) 射線檢測結(jié)果：通過對射線底片的評定，分別在第二次和第四次的拍攝底片中發(fā)現(xiàn)一處缺陷： 8B段底片(見圖10)顯示有一長為8 mm的未焊透缺陷；8C段底片(見圖11)顯示有一個φ4 mm氣孔，其他區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可評級缺陷。

通過與射線檢測結(jié)果的比對發(fā)現(xiàn)，相控陣檢測技術(shù)對缺陷位置、缺陷性質(zhì)的判定，均與射線檢測結(jié)果相同，僅在缺陷測長方面稍有差別。就文中試驗而言，相控陣檢測技術(shù)測得的缺陷指示長度要大于射線檢測的測長，缺陷檢測靈敏度相對較高。

4.2 插入式管座角焊縫檢測結(jié)果對比

在某電廠A級檢修項目中，對高溫再熱器進口集箱廠家角焊縫進行相控陣檢測，接管規(guī)格(外徑×壁厚)為57 mm×4.5 mm，材料為12Cr1MoVG，焊接方法為GTAW。

在對3號角焊縫的掃查過程中，發(fā)現(xiàn)一長為8 mm的裂紋顯示，其深度位置接近于角焊縫表面，相控陣檢測數(shù)據(jù)分析示意如圖12所示。隨后對該角焊縫進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)有一條清晰的裂紋顯示(見圖13)，與相控陣檢測缺陷位置和長度的實測值相符。

圖12 3號管座角焊縫裂紋缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖13 3號管座角焊縫滲透檢測結(jié)果

5 結(jié)語

工程實踐證明，文章所制定的檢測工藝針對性強、可操作性好，并具有檢測靈敏度高、缺陷判定準(zhǔn)確等優(yōu)點，大大提高了小徑管管座角焊縫這一特殊結(jié)構(gòu)部件的缺陷檢出率，保障了電站機組的安全穩(wěn)定運行，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有推廣應(yīng)用前景。