水冷壁綁帶的超聲相控陣檢測技術

(天津誠信達金屬檢測技術有限公司, 天津 300384)

目前國內火電機組在建設中，為了使水冷壁在運行過程中更佳穩固，通常在水冷壁管排上焊接扁鋼以防止水冷壁磨損，但是國內北方多個機組的綁帶與水冷壁管排之間的焊縫產生了垂直于綁帶的裂紋，運行一段時間后，裂紋延展至水冷壁，導致水冷壁開裂[1]。產生裂紋的原因是在此位置進行焊接時，北方現場溫度過低且位置特殊而無法進行焊接熱處理。目前國內還少有對特殊的焊縫結構進行檢測的報道，筆者結合焊縫的特殊結構，提出了采用超聲相控陣“扇掃端角區域分析法”對缺陷進行判定，同時采用計算機輔助技術指導相控陣檢測工藝的制定，很好地解決了該難題[2]。

1 檢測方案

1.1 水冷壁綁帶焊縫的基本結構

螺旋水冷壁與綁帶焊接的基本結構示意如圖1所示，水冷壁綁帶是厚度為28 mm，寬度為120 mm左右的長條形鋼板，將水冷壁綁帶與水冷壁管排焊接在一起，能起到固定水冷壁且防止水冷壁磨損的作用。為了使水冷壁管排和綁帶之間焊接得更牢固，需要將綁帶兩側與水冷壁外表面相接觸的地方通過熔透式焊接在一起；從圖1(c)可以看出，該焊接方式形成的焊縫結構相當特殊，如焊縫與綁帶連接面積很小，焊縫結構也隨著其所在位置不同而變化。

1.2 水冷壁綁帶焊縫的檢測現狀

水冷壁綁帶在焊接過程中，由于位置特殊而無法完成熱處理工作，所以該位置在焊接完成后，由于冷卻速度過快，容易產生與綁帶垂直的裂紋，該裂紋逐漸延展至水冷壁管道，從而引起水冷壁管道的破裂，水冷壁綁帶的焊縫裂紋結構示意如圖2所示。

圖3為現場割掉的部分水冷壁綁帶焊縫外觀，通過圖3可以看到，焊縫位于兩片水冷壁綁帶之間，沒有射線檢測的位置，同時由于該焊縫產生的裂紋具有一定深度，也無法進行磁粉檢測；另外焊縫與綁帶的接觸面較小，且焊縫結構復雜，也無法進行常規超聲檢測[3]。

圖1 水冷壁綁帶焊縫的基本結構示意

圖2 水冷壁綁帶的焊縫裂紋結構示意

圖3 水冷壁綁帶焊縫外觀

1.3 檢測工藝

1.3.1 超聲相控陣S掃描顯示

S掃描顯示即扇形或方位顯示,是探頭延時和折射角已作校正，特定通道所有A顯示疊加而成的二維圖像。典型的S顯示是用相同陣元和相同焦距通過一定角度范圍掃查獲得的(見圖4)，其水平軸對應于投影距離(試件寬度)，而垂直軸對應于深度。

圖4 超聲相控陣S顯示

1.3.2 扇掃端角區域分析法

圖5 ESBeamTool軟件仿真效果示意

扇掃端角區域分析法是為完成缺陷評定而提出的一種新的超聲相控陣圖譜分析方法，其原理是根據被檢焊縫固定位置的反射波來確定聲束覆蓋區域，從而判定該區域是否存在缺陷的。ESBeamTool軟件仿真效果示意如圖5所示，被檢測焊縫隨著位置變化，焊縫結構也隨之發生變化，但是超聲相控陣聲波可實現多角度覆蓋，進行超聲相控陣聲束覆蓋仿真時發現，當超聲相控陣探頭保持與焊縫水平位置不變時，會有相同或相近的角度覆蓋住結構端角1、結構端角2和結構端角3(見圖5)。依據仿真軟件得出采用此檢測工藝進行檢測時，超聲相控陣扇掃圖譜的61°聲束方向上會發現端角2的反射波，在扇掃圖譜的63°聲束方向上會發現端角3的反射波，在扇掃圖譜的70°聲束方向上會發現端角1的反射波。通過仿真軟件同樣可發現聲束61°～70°所覆蓋的區域即為要檢測的焊縫區域，同時此類焊縫缺陷多出現在水冷壁管外表面，即區域2，因此依據此結論完成對綁帶焊縫的檢測工作，無缺陷焊縫的超聲相控陣檢測圖譜如圖6所示。由圖6可見，在扇掃圖譜的60°聲束方向上發現端角2的反射波，深度為28.1 mm；在扇掃圖譜的65°聲束方向上發現端角3的反射波，深度為28.6 mm；在扇掃圖譜的72°聲束方向上發現端角1的反射波，深度為18.6 mm。該檢測結果與仿真結果基本一致，因此可以在扇掃圖上判定區域1為焊縫所在區域，區域2為裂紋易出現區域。在實際檢測過程中，只需觀察區域2中是否存在異常信號，即可判斷該區域是否存在裂紋，該方法即為提出的“扇掃端角區域分析法”[4]。

圖6 無缺陷焊縫的超聲相控陣檢測圖譜

1.3.3 檢測步驟

(1) 繪制焊縫結構圖，現場測量待檢焊縫結構(見圖7)，測量水冷壁管排位置的焊縫結構尺寸和水冷壁膜片位置的焊縫結構尺寸，該尺寸包括水冷壁綁帶厚度D，水冷壁焊縫水平寬度a，水冷壁垂直厚度b，并依據此尺寸繪制不同位置的焊縫結構[5]。

(2) 聲束仿真，采用ESBeamTool仿真軟件完成超聲相控陣聲束覆蓋模擬，用來確定檢測不同位置焊縫采用的聚焦法則和探頭所在位置。

(3) 制定檢測工藝，通過EsbeamTool仿真軟件的聲束覆蓋模擬，可以看出在此工藝下，可實現被檢焊縫的全覆蓋，且在綁帶與水冷壁管排相連的焊縫(見圖8)和綁帶與水冷壁膜片相連的焊縫(見圖9)處可采用相同的檢測工藝。

(4) 依據模擬軟件完成掃查工藝參數設計(見表1)。

圖9 水冷壁綁帶與水冷壁膜片相連的焊縫結構示意

表1 掃查工藝參數

(5) 缺陷判別方法，采用1.3.2提出的“扇掃端角區域分析法”進行判別。

2 檢測結果與分析

2.1 檢測對象與設備

圖10 水冷壁管排及缺陷位置示意

采用現場割管的形式獲得檢測對象，水冷壁管排及缺陷位置示意如圖10所示，該試樣為某機組工程截取的帶自然缺陷的水冷壁管排，其中綁帶厚度為28 mm。超聲相控陣試驗采用頻率為5 MHz，32陣元，間距為0.5 mm的探頭; 橫波楔塊傾角為36°，聲速為2 337 m/s，最大偏轉范圍標稱值為40°～74°[6]。

2.2 檢測結果

(1) 缺陷識別，采用提出的“扇掃端角區域分析法”對扇掃圖譜進行分析，圖11為無缺陷焊縫的超聲相控陣檢測圖譜，其中區域1為焊縫結構所在區域，區域2為此類缺陷多發的區域，即為此次檢測重點關注的區域。

圖11 無缺陷焊縫的超聲相控陣檢測圖譜

圖12 檢測過程中的扇掃圖譜

(2) 檢測過程中的扇掃圖譜如圖12所示，圖12(a)為無缺陷的超聲相控陣檢測圖譜，由該圖譜可觀察到區域2中無異常信號，代表該區域沒有裂紋缺陷，當探頭繼續移動，區域2發現異常信號，則說明此位置存在裂紋缺陷，如圖12(b)所示，繼續移動探頭，區域2位置的異常信號消失代表此處為裂紋結束位置，如圖12(c)所示。

(3) 依據以上方法對試樣進行檢測，可清晰地檢測到試樣上的3處裂紋缺陷，如圖13所示。

圖13 不同位置的缺陷圖譜

2.3 檢測結果分析

由圖12可知，檢測此類焊縫時，采用超聲相控陣檢測技術可直觀地區別該位置是否存在裂紋缺陷，從而大大提高檢出率。由圖12可知，水冷壁綁帶裂紋缺陷多出現在水冷壁焊縫與水冷壁管排相接觸的位置。依據提出的“扇掃端角區域分析法”檢測此類焊縫，可直觀可靠地完成此類特殊焊縫的檢測工作。

3 結語

(1) 水冷壁綁帶焊縫檢測一直是行業內的檢測難題，提出了超聲相控陣仿真軟件模擬檢測工藝，并利用“扇掃端角區域分析法”對檢測圖譜進行分析，很好地解決了該難題。

(2) ESBeamTool仿真軟件完成了超聲相控陣聲束覆蓋模擬，可以有效指導超聲相控陣檢測工藝的設計，直觀顯示超聲波束在管接頭的覆蓋狀態，克服相控陣超聲檢測參數設置的盲目性。

(3) 提出的“扇掃端角區域分析法”對有固定端角的焊縫超聲相控陣檢測有很好的指導作用，該分析方法可推廣至其他類似特殊焊縫的檢測中去。