風(fēng)機(jī)塔筒焊縫的相控陣超聲檢測(cè)工藝

匡曉龍，鐘華兵，楊 慶

(中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，南昌 330001)

風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電機(jī)組的大型基礎(chǔ)性部件，主要起支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，吸收發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的作用。塔筒的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全。

近年來，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)塔筒倒塌造成的安全事故屢有發(fā)生，輕則造成風(fēng)電機(jī)組的報(bào)廢，重則造成人員的傷亡。如2017年7月25日，大唐新疆淖毛湖風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生了一起法蘭連接焊縫斷裂導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組倒塌事故。這表明，現(xiàn)在采用的風(fēng)電機(jī)組塔筒焊縫檢測(cè)方法還存在漏檢情況，需要采用新的更安全、高效的檢測(cè)技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行無損檢測(cè)。

1 風(fēng)機(jī)塔筒焊縫

風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電機(jī)組的支柱塔桿部分。塔筒制作過程中的焊縫有：鋼板彎成筒形后的對(duì)接縱縫、圓筒之間的對(duì)接環(huán)縫、法蘭盤與圓筒的拼接焊縫等。風(fēng)機(jī)塔筒的制作過程中焊接工作占到80%，故保證焊接的質(zhì)量對(duì)塔筒的安全意義重大，對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)是保證塔筒焊縫質(zhì)量的重要手段。

目前針對(duì)塔筒焊縫內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)方法[1]。對(duì)于塔筒焊縫，目前多數(shù)廠家要求進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，對(duì)縱縫與環(huán)縫交叉區(qū)域(T型焊縫)和法蘭盤拼接焊縫需進(jìn)行射線檢測(cè)。

2 相控陣超聲檢測(cè)原理

當(dāng)前應(yīng)用的常規(guī)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)明顯，它們相互補(bǔ)充，缺一不可，但這些方法均存在一個(gè)問題，就是對(duì)檢測(cè)人員的要求較高，容易出現(xiàn)人為的漏檢、錯(cuò)檢。因此，需要找到一種更高效的新方法，以減少漏檢、錯(cuò)檢的發(fā)生。

與常規(guī)超聲技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以使用單個(gè)探頭組合件中的多個(gè)晶片對(duì)聲束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃查。相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)的晶片數(shù)量和施加在每個(gè)晶片上的延時(shí)決定了相控陣探頭波束形成的孔徑尺寸、折射角和焦點(diǎn)深度。圖1是傾斜入射的聲束聚焦示意，圖中最上方為各晶片的延時(shí)，中間為壓電晶片，下方為通過電子控制形成的超聲波束。檢測(cè)時(shí)，左邊晶片先激發(fā)，往右依次按預(yù)定的延時(shí)進(jìn)行激發(fā)，相互干涉后得到一個(gè)向右偏轉(zhuǎn)的超聲聚焦波束[2]。

圖1 聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意

當(dāng)相控陣檢測(cè)儀同時(shí)發(fā)射數(shù)十個(gè)不同的聲束時(shí)，可以將這些聲束合成為不同位置的圖像，從而實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)的可視化。超聲圖像的出現(xiàn)，使得相控陣超聲檢測(cè)的缺陷判斷大為簡(jiǎn)化，合成的圖像可以以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行保存。圖2為相控陣超聲檢測(cè)的多種視圖。

圖2 相控陣超聲檢測(cè)視圖示例

可見，相控陣超聲檢測(cè)方法靈敏度高，缺陷判斷相對(duì)簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，基本能滿足風(fēng)機(jī)塔筒的檢測(cè)要求，故可用該方法來替代原有的檢測(cè)方法。

3 檢測(cè)試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證檢測(cè)工藝，使用一個(gè)平板模擬試塊模擬風(fēng)電塔筒進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。

由于塔筒直徑較大，可以近似看成平板，因此使用平板模擬試塊驗(yàn)證工藝。該平板模擬試塊尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為400 mm×400 mm×30 mm，焊縫坡口為X形，焊接方式為手工電弧焊(塔筒為埋弧焊，此處僅為驗(yàn)證缺陷檢出率)，焊縫寬度為20 mm，內(nèi)部共加工6個(gè)人工缺陷，分別為橫向裂紋1、內(nèi)部裂紋2、表面裂紋3、未焊透4、未熔合5、夾渣6。模擬試塊的射線底片如圖3所示。

射線底片上各缺陷長(zhǎng)度如下:橫向裂紋長(zhǎng)度為12 mm、內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度為20 mm、表面裂紋長(zhǎng)度為19 mm、未焊透長(zhǎng)度為26 mm、未熔合長(zhǎng)度為22 mm、夾渣長(zhǎng)度為25 mm。

試驗(yàn)儀器為廣州多浦樂電子科技有限公司生產(chǎn)的Phascan 32/128相控陣超聲檢測(cè)儀，使用的探頭為5L32-0.5*10相控陣探頭，探頭中心頻率為5 MHz，晶片寬度為0.5 mm，晶片高度為10 mm，晶片數(shù)量為32個(gè)。搭配的楔塊為N55S橫波楔塊，鋼中自然折射角為55°。檢測(cè)設(shè)置為扇形掃描，掃描角度為40°～70°，聚焦深度為50 mm，TCG(距離增益補(bǔ)償)曲線以CSK-IIA試塊上的φ2 mm橫孔為基準(zhǔn)制作。

對(duì)模擬試塊進(jìn)行相控陣檢測(cè)，模擬試塊中的缺陷均能檢測(cè)出來，得到的C掃描視圖如圖4所示，圖中紅圈圈出的缺陷，從左至右依次為橫向裂紋、內(nèi)部裂紋、上表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等。

其中，橫向裂紋雖然能夠檢測(cè)出來，但是回波與氣孔相似，很難分辨出來，其他缺陷都能大概判斷出性質(zhì)。以6 dB法測(cè)量各缺陷長(zhǎng)度，其中橫向缺陷無法測(cè)長(zhǎng)、內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度為18 mm、表面裂紋長(zhǎng)度為21 mm、未焊透長(zhǎng)度為24 mm、未熔合長(zhǎng)度為21 mm、夾渣長(zhǎng)度為27 mm，與射線底片結(jié)果相比差異均在1～2 mm。各缺陷的具體視圖如圖5所示。

圖4 模擬試塊的C掃描視圖

圖5 模擬試塊中各缺陷的檢測(cè)視圖

下面對(duì)模擬試塊進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)比。使用友聯(lián)PXUT-320型超聲儀，以及5P8×12K2探頭和5P8×12K1.5探頭進(jìn)行檢測(cè)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》，DAC(距離-波幅)曲線在CSK-IIA試塊上繪制。

常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果為：橫向裂紋未檢出；內(nèi)部裂紋能檢出，但是信噪比不足，僅為10 dB左右；表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等均能清晰地檢出。各檢出缺陷的長(zhǎng)度如下：內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度為16 mm、表面裂紋長(zhǎng)度為23 mm、未焊透長(zhǎng)度為27 mm、未熔合長(zhǎng)度為23 mm、夾渣長(zhǎng)度為27 mm。除內(nèi)部裂紋外，其他缺陷長(zhǎng)度均比另外兩種檢測(cè)方法的大。

通過模擬試塊上的工藝驗(yàn)證，可以看出相控陣超聲檢測(cè)方法的靈敏度高，并且圖像成像清晰，缺陷判斷相對(duì)簡(jiǎn)單，故可以使用相控陣超聲檢測(cè)來替代原有的檢測(cè)方法。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用主要驗(yàn)證相控陣超聲技術(shù)在風(fēng)機(jī)塔筒工件上的靈敏度和檢測(cè)效率。筆者在貴州安順、山西朔州兩個(gè)塔筒制造廠，各抽取一整套風(fēng)機(jī)塔筒，對(duì)其焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。

風(fēng)機(jī)塔筒板厚為14～44 mm，直徑為2.5～4.0 m，每套塔筒焊縫總長(zhǎng)度約為200 m。對(duì)所有焊縫進(jìn)行100%相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)總用時(shí)約7 h。

檢測(cè)完成后發(fā)現(xiàn)了多個(gè)缺陷，取其中較為典型的兩個(gè)缺陷與常規(guī)方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 未熔合檢測(cè)

檢測(cè)過程中，在塔筒末級(jí)T型焊縫位置240 mm 長(zhǎng)度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了未熔合缺陷，檢測(cè)圖像如圖6所示。從圖6中C掃視圖可明顯看到4個(gè)缺陷回波，其中第一個(gè)缺陷距掃查0點(diǎn)位置5 mm、長(zhǎng)度為44 mm；第二個(gè)缺陷距0點(diǎn)位置96 mm、長(zhǎng)度為18 mm；第三個(gè)缺陷距0點(diǎn)位置145 mm、長(zhǎng)度為52 mm；第四個(gè)缺陷距0點(diǎn)位置226 mm、長(zhǎng)度為12 mm。

圖6 塔筒末級(jí)焊縫的檢測(cè)圖像

該未熔合位于T型焊縫位置，此處塔筒厚度為44 mm，需要進(jìn)行射線檢測(cè)對(duì)比。由于位置原因，分兩張射線底片拍攝，從射線底片中同樣發(fā)現(xiàn)了缺陷，但由于工件厚度達(dá)到了44 mm，底片上的缺陷信號(hào)顯示較淡，如圖7所示。在射線底片1中發(fā)現(xiàn)一個(gè)典型的未熔合缺陷，長(zhǎng)度為50 mm，位置對(duì)應(yīng)相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)缺陷位置，第二個(gè)缺陷射線檢測(cè)未能檢出。在射線底片2上也發(fā)現(xiàn)了缺陷，位于標(biāo)尺0點(diǎn)位置，長(zhǎng)度為40 mm，對(duì)應(yīng)相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的第三個(gè)缺陷，第四個(gè)缺陷射線檢測(cè)未能檢出。

圖7 塔筒末級(jí)T型焊縫射線檢測(cè)底片(缺陷在紅圈內(nèi))

圖8 氣刨后發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷外觀

對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行氣刨驗(yàn)證，確認(rèn)分段存在4個(gè)未熔合缺陷，其中第一個(gè)未熔合長(zhǎng)度約為50 mm，第二個(gè)約為22 mm，第三個(gè)約為50 mm，第四個(gè)約為12 mm。氣刨發(fā)現(xiàn)的未熔合缺陷外觀如圖8所示。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，工件厚度較大時(shí)，射線檢測(cè)的準(zhǔn)確性明顯不如相控陣超聲檢測(cè)的。

3.2.2 氣孔

在環(huán)形焊縫掃查檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)較大的缺陷回波。這兩個(gè)缺陷回波過渡圓滑，呈圓孔狀，為典型的氣孔缺陷回波,檢測(cè)圖像如圖9所示。根據(jù)儀器測(cè)量，較大的氣孔類缺陷長(zhǎng)徑為6.3 mm，較小的氣孔類缺陷長(zhǎng)徑為5 mm。該環(huán)縫位置的塔筒厚度為25 mm，此前廠家檢測(cè)人員已進(jìn)行過超聲檢測(cè)，使用的是5P12×14K2和2.5P14×14K2.5探頭，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)缺陷。相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷后，再用5P12×14K2探頭進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了缺陷，這說明存在人為漏檢情況。

圖9 塔筒環(huán)縫的檢測(cè)圖像

對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行氣刨驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在兩個(gè)大氣孔(見圖9)，一個(gè)長(zhǎng)徑約為7 mm，一個(gè)長(zhǎng)徑約為6 mm，與相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的氣孔尺寸相差不大。

4 結(jié)論

(1) 檢測(cè)效率較常規(guī)檢測(cè)方法明顯提高。常規(guī)超聲檢測(cè)方法總耗時(shí)約20 h，夜間還需要進(jìn)行射線檢測(cè)，總工作時(shí)間達(dá)3～4 d，而現(xiàn)在只需要7 h，效率提高60%。

(2) 靈敏度更高，漏檢率更低。原檢測(cè)方法未發(fā)現(xiàn)的缺陷，相控陣超聲技術(shù)均能發(fā)現(xiàn)，其中包括一些危害性缺陷。

(3) 檢測(cè)工作更方便，更靈活。在檢測(cè)作業(yè)時(shí)，附近工人不受影響，避免了射線檢測(cè)作業(yè)的危害。

(4) 檢測(cè)數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存，便于檢測(cè)結(jié)果的跟蹤和后續(xù)在役缺陷生長(zhǎng)的跟蹤。