相控陣技術(shù)在電廠小徑管檢測中的應(yīng)用

李延龍

（大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 托克托010206）

當前，隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展，電廠設(shè)備趨向于高參數(shù)、大容量，其運行的安全性、經(jīng)濟性對社會影響也越來越大，設(shè)備是火力發(fā)電廠安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，降低設(shè)備的缺陷發(fā)生率、提高設(shè)備可靠性，是設(shè)備管理的重要內(nèi)容。托電#9 新建機組在安裝過程中對焊接質(zhì)量監(jiān)督及焊口檢測合理應(yīng)用，是對機組以后安全運行的保障。

1 常規(guī)方法檢測電廠小徑管局限性

火力發(fā)電廠受熱面作為電站鍋爐熱交換的主要場所，其特征是數(shù)量多，管徑較小，壁厚較薄，管排密集，現(xiàn)場焊口數(shù)量龐大，工期緊，檢測時間有限。目前針對受熱面小徑管焊口的無損檢測技術(shù)主要是射線檢測和超聲波檢測，都具有一定的局限性：

1.1 小徑管射線檢測的局限性

（1）檢測空間需求大：電廠管排間距較小，大多數(shù)時候只能透照一次，有效檢測范圍??；

（2）檢測盲區(qū)大：大容量電廠管壁厚度較大，射線檢測有效范圍小，增大了檢測盲區(qū)；

（3）危險缺陷檢測靈敏度低：受裂紋，未熔等面狀缺陷檢出角的限制，射線檢測危險缺陷靈敏度較低；

（4）污染環(huán)境：射線檢測有輻射傷害，污染環(huán)境，目前全國都在提倡環(huán)保，射線檢測無疑成為電廠工程污點；

（5）延誤工期：射線檢測不可交叉作業(yè)，且人員勞動力低，基建工程，經(jīng)常出現(xiàn)射線延滯影響工程進度。

1.2 小徑管常規(guī)超聲波檢測的局限性：

（1）檢出率低：小徑管曲率大，焊縫寬度與母材厚度比值大，多采用小晶片大K 值探頭，受表面波影響較大，缺陷波與雜波混淆，導致缺陷檢出率低；

（2）人為因素影響大：電廠檢測環(huán)境惡劣，且小徑管超聲檢測難度較大，因此檢測結(jié)果受檢測人員的水平、情緒和現(xiàn)場工況影響大；

（3）數(shù)據(jù)不可記錄：超聲檢測不可記錄數(shù)據(jù)，因此檢測結(jié)果嚴重取決于檢測人員的責任心；

（4）要求較大檢測空間：常規(guī)超聲檢測時需手持探頭，因此管排間距要求至少大于10cmm。

2 檢測電廠小徑管新嘗試

超聲相控陣技術(shù)在國外發(fā)展十分迅速，并逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測,如對氣輪機葉片檢測、和渦輪圓盤的檢測、石油天然氣管道焊縫檢測、火車輪軸檢測、核電站檢測和航空材料的檢測等領(lǐng)域。

然而中國在超聲相控陣技術(shù)上的研究應(yīng)用尚處于起步階段，主要集中于醫(yī)療領(lǐng)域，在工業(yè)檢測方面還非常落后，中國大部分電廠仍然保守的使用常規(guī)超聲，歸結(jié)原因為中國標準的滯后及新技術(shù)推廣相對緩慢。

隨著近期許多電廠出現(xiàn)由于管排爆管而引起的非正常停爐現(xiàn)象日日增多，多數(shù)電廠將由于焊縫引起爆管原因歸咎于電廠基建時常規(guī)超聲檢出率低，存留大量隱患。

超聲相控陣技術(shù)兼?zhèn)渖渚€檢出率高和數(shù)據(jù)可記錄的特點，又可實現(xiàn)特殊位置交叉作業(yè)的優(yōu)點，近年來越來受到電力行業(yè)認可，國內(nèi)首個針對超聲相控陣的國家標準也于2016 年2 月頒布，10 月份實施。

2.1 超聲相控檢測原理及特點

超聲相控陣成像技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵（或接收）脈沖的時間延遲,改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達（或來自）物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化,完成聲成像的技術(shù)。

由于相控陣陣元的延遲時間可動態(tài)改變, 所以使用超聲相控陣探頭探傷主要是利用它的聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特點。

新技術(shù)應(yīng)用前我們也本著嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，制作缺陷試樣，分別采用相控陣檢驗法、常規(guī)超聲波檢驗法和射線檢驗法對試樣進行無損檢測，再對3 種方法的檢驗結(jié)果進行對比分析，確保對狹小位置焊口缺陷的檢出率，提高設(shè)備的安全性。

2.2 試驗試樣與檢測設(shè)備

實驗一：

現(xiàn)場截取相同材質(zhì)、同規(guī)格材料焊制3 根缺陷管，先采用射線檢測方法對焊口進行透照，并對射線底片進行評定，缺陷制定情況為兩個超標缺陷和一個不超標缺陷。針對小徑管焊縫特點，驗證試驗設(shè)備采用以色列ISONIC2009 超聲相控陣設(shè)備，探頭采用7.5Mhz，16 晶片探頭，楔塊采用與管徑相符的專用曲面楔塊。超聲相控陣技術(shù)的檢驗標準執(zhí)行ASME-V，驗收標準參考DL/T869-2012。射線檢測的檢驗標準執(zhí)行DL/T821-2002，驗收標準執(zhí)行DL/T869-2012。

圖1 相控陣現(xiàn)場調(diào)試圖片

圖2 現(xiàn)場標記缺陷

圖3 超標缺陷1#

由以上對比圖可看出，該小徑管利用相控陣共檢測出兩處缺陷，利用編碼器、側(cè)視圖（B 掃）和俯視圖（C 掃）確定缺陷位置分別為3 點鐘和10 點鐘方向，從端面圖可看出，該缺陷位于焊縫中下部偏右側(cè)，利用A 掃判定此兩處缺陷最高反射波均處于判廢區(qū)位置，屬于超標缺陷；而射線底片中由于3 點鐘存在盲區(qū)，所以只檢出10 點鐘位置的點狀缺陷，且由于管壁較厚，雙壁雙影法透照底片較模糊，缺陷易漏檢。

圖4 超標缺陷2#

由以上對比圖可看出，相控陣共檢測出1 處缺陷，利用編碼器、側(cè)視圖（B 掃）和俯視圖（C 掃）確定缺陷位置分別為4 點鐘方向，長度僅為1mm，從端面圖可看出，該缺陷位于焊縫中部，且有一定深度，利用A 掃判定此處缺陷最高反射波處于判廢區(qū)位置，屬于超標缺陷；此缺陷投影在射線底片中可能僅為一個點狀，而4 點鐘方向底片較模糊，不容易判定，因此從射線底片上未發(fā)現(xiàn)此缺陷。

圖5 未超標缺陷1#

由以上對比圖可看出，該管材母材位置相控陣檢測雜波較多，焊縫位置共檢測出2 處缺陷，分別位于焊縫中部、和近表面位置，利用A 掃判定焊縫中部最高反射波處于合格區(qū)，近表面反射信號最高回波處于合格區(qū)，均不屬于超標缺陷，判定為合格；射線底片上未發(fā)現(xiàn)此兩處缺陷投影，判定為合格。

實驗二：超聲和相控陣對比

現(xiàn)場截取相同材質(zhì)、同規(guī)格材料焊制10 根缺陷管，采用相同靈敏度情況下利用相控陣檢測設(shè)備與常規(guī)超聲檢測設(shè)備完成若干小徑管檢測，超聲相控陣技術(shù)的檢驗標準執(zhí)行ASME-V，驗收標準參考DL/T869-2012。超聲檢測的檢驗標準執(zhí)行DL/T820-2002，驗收標準執(zhí)行DL/T869-2012。對比實驗結(jié)果，得出相控陣檢測小徑管時采用靈敏度的標準。樣管規(guī)格如表1。

表1 樣管規(guī)格

實驗結(jié)果見表2。

表2 常規(guī)超聲與相控陣結(jié)果對比

因此對比結(jié)果得出，在相同檢測靈敏度情況下，相控陣檢測缺陷長度大部分長于常規(guī)超聲檢測長度，相控陣檢測得到的最大波幅也略大于常規(guī)超聲。

由現(xiàn)場試驗可得出結(jié)論：超聲相控陣技術(shù)檢測相對常規(guī)超省靈敏度較高，從射線對比結(jié)果可以看出超聲相控陣檢測結(jié)果與射線檢測結(jié)果基本相符，因此可以得出以下結(jié)論：超聲相控陣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)集箱管排小徑管的無損檢測工作，同時，相控陣探頭小巧、靈活，適用于現(xiàn)場工況需求，且無輻射、無污染，能夠適應(yīng)多工種立體交叉作業(yè)現(xiàn)場，解決了因采用射線檢測而造成其他人員全部需要安全避讓等問題。

3 超聲相控陣技術(shù)在托克托電廠的應(yīng)用情況

內(nèi)蒙古托克托電廠#9 機組2016 年在基建過程中，由于設(shè)計原因出現(xiàn)了設(shè)備部分位置間隙過小，焊接困難，射線檢驗困難的情況，由于相控陣檢測技術(shù)在國內(nèi)還未普及，托電項目也本著對新技術(shù)的探討和研究，采用相控陣檢測技術(shù)替代常規(guī)超聲波檢測技術(shù)對困難位置進行檢測，確保焊口焊接質(zhì)量。新技術(shù)在托電現(xiàn)場應(yīng)用如圖6。

圖6 現(xiàn)場檢驗位置圖片

我們采用相控陣檢驗方法對9#機組以下部件。（表3）

共計1920 道口進行了檢驗，數(shù)據(jù)采集速度快，無輻射危險，圖形成型良好，便于分析，在1920 道口中，發(fā)現(xiàn)體積型類型缺陷數(shù)量6 道，對6 道口進行了返修，將焊口割開后與相控陣采集結(jié)果相對比，缺陷尺寸基本吻合，很好的驗證了相做控陣之前的試驗對比。在緊張的基建安裝期間，保證了焊接質(zhì)量，提高的檢驗速度。對在以后的困難位置積累了豐富的經(jīng)驗。

大唐國際托克托發(fā)電廠9#新建機組為660MW 超超臨界機組，受熱面材料選用多為合金鋼和奧氏體鋼，而且小徑管壁厚相比其他電廠的受熱面都有所增加，這更加增大了采用射線檢驗方法或傳統(tǒng)超聲波檢驗方法對焊口進行無損檢測的難度，而相控陣檢驗方法在同時具有射線和超聲檢驗方法的優(yōu)勢的情況下，又有它們不具備的特殊性，使得相控陣檢驗技術(shù)在對受熱面小徑管的檢驗中發(fā)揮更大的優(yōu)勢。金屬人員積極學習行業(yè)新技術(shù)，接受新鮮事物，并且不盲目跟風，秉承踏實嚴謹?shù)淖黠L，本著對工程質(zhì)量負責的態(tài)度，通過理論與現(xiàn)場實踐相結(jié)合，確保受熱面小徑管的焊接質(zhì)量得到大大提高。從2016 年至今，相控陣檢測的小徑管焊口在長期的運行過程中沒有發(fā)生過泄露，認真學習相控陣技術(shù)，在以后的工作中，能有更多的部件通過相控陣技術(shù)的檢測，來為電廠的安全生產(chǎn)工作保駕護航。

表3