套管焊縫的相控陣超聲檢測工藝

胡 慶,張 洋,徐廣寶,于 達

(天津誠信達金屬檢測技術有限公司,天津 300384)

目前,國內火電機組在安裝穿頂棚管子時采用加裝密封套管的結構,形成的套管焊縫屬于非承壓類焊縫,得不到足夠重視,工藝規范執行不嚴格[1]。隨著機組的運行,套管焊縫處可能萌生裂紋并擴展至受熱面管,嚴重影響機組的運行安全。針對穿頂棚套管焊縫,磁粉和滲透檢測只能發現部分表面缺陷,無法檢測出擴展至受熱面管上的裂紋,除此之外,沒有更有效的手段實現對套管焊縫的檢測。

相控陣超聲技術有可控制聲束掃查、聚焦和偏轉的特點,可在不移動探頭的情況下實現較大角度范圍的掃查。其易于分辨結構產生的波形,能對復雜幾何形狀工件進行檢測,能實現對缺陷的各種視圖成像,檢測結果直觀,便于對缺陷的識別與判定;且可借助計算機仿真軟件模擬聲束覆蓋,指導檢測工藝的制定[2-3]。

某電廠4#機組C修要求對低溫再熱器穿頂棚套管焊縫進行檢測,為了實現對套管焊縫的有效檢測,結合理論分析和計算機仿真,制定了合理的相控陣超聲檢測工藝,取得了良好的檢測效果,為解決同類問題提供了一定借鑒。

1 穿頂棚套管

1.1 穿頂棚套管結構

低溫再熱器穿頂棚套管結構如圖1所示,低溫再熱器在穿過頂棚位置過程中,依次與密封套管、梳形板、高冠密封相連。密封套管一端與梳形板焊接,另一端與低溫再熱器焊接。

圖1 低溫再熱器穿頂棚套管結構示意

1.2 受力分析

穿頂棚套管受安裝誤差和運行中熱偏差的影響,各焊縫會受力不均,且處于不斷變化的狀態。在正常運行過程中,在高溫煙氣流速和余旋的作用下會發生抖動,承受一定的附加剪力。受工況的變化(冷、熱態等)及管屏重量等因素會使焊縫處受力發生變化,在焊縫位置處易產生裂紋[4-6]。

因此穿頂棚套管焊縫的質量至關重要,亟需一種有效手段對其進行檢測。

2 檢測方案

2.1 套管焊縫檢測現狀

密封套管與低溫再熱器通過角接焊縫焊接在一起,根部存在間隙,受力不均易產生裂紋,該裂紋會逐漸擴展至低溫再熱器管子上,從而引起管子破裂,套管焊縫裂紋如圖2所示。

圖2 套管焊縫裂紋示意

穿頂棚套管焊縫照片現場如圖3所示,可見,該焊縫沒有實施射線檢測的空間,超聲檢測可達性差,通常采用磁粉或滲透方法進行檢測,但滲透只能檢測表面開口缺陷,磁粉檢測受檢測深度限制,無法檢出套管焊縫下延伸至低溫再熱器管子中的裂紋。相控陣超聲技術可以很好地解決該問題,實現該位置缺陷的有效檢出。

圖3 套管焊縫現場照片

2.2 計算機仿真

采用Esbeam Tool仿真軟件,構建套管焊縫模型,其仿真結果如圖4所示。相控陣超聲探頭可以放置于套管側和低溫再熱器管子側進行檢測,兩種方式都能實現對套管焊縫的聲束全覆蓋。由仿真結果可以確定相控陣超聲探頭位置、角度、激發晶片等參數,根據仿真制定的聚焦法則來對相控陣設備進行設置,即可滿足現場檢測工作要求。

圖4 Esbeam Tool仿真結果

圖4(a)中,將探頭放置于套管側進行檢測,利于一次和二次聲束對套管焊縫全覆蓋,但由于現場結構限制,該位置無法放置相控陣超聲探頭。

圖4(b)中,將探頭放置于低溫再熱器管子側進行檢測,利用低溫再熱器管子內壁反射的二次聲束對套管焊縫全覆蓋,且能有效覆蓋套管焊縫處管壁區域,大大提高了缺陷檢出率,防止開裂至管壁的裂紋漏檢。低溫再熱器管子側不受結構限制,適合開展相控陣超聲檢測,因此選擇圖4(b)所示工藝。

2.3 工藝制定

(1) 繪制套管焊縫結構

現場測量待檢套管焊縫尺寸(見圖5),這些尺寸包括低溫再熱器管壁厚度T,套管焊縫垂直厚度a,套管焊縫水平寬度b,依據實際尺寸繪制套管焊縫。

圖5 套管焊縫尺寸示意

(2)聲束仿真

現場測量低溫再熱器管子規格為60 mm×4 mm(直徑×壁厚),套管焊縫垂直厚度a為4 mm,套管焊縫水平寬度b為4 mm。根據測量的實際尺寸,利用Esbeam Tool仿真軟件進行聲束模擬,確定實現聲束全覆蓋的聚焦法則和探頭所處的位置。

(3) 檢測工藝制定

套管焊縫聲束覆蓋如圖6所示,可見在此工藝下能實現對套管焊縫的全覆蓋,不僅能有效發現存在的焊縫缺陷,還能檢測出焊縫處管壁中的缺陷。根據仿真軟件的聲束模擬信息確定聲束角度范圍、探頭位置、晶片數量等。

(4) 掃描計劃

依據工藝仿真制定的掃描計劃如表1所示。

表1 制定的掃描計劃

3 檢測結果與分析

3.1 檢測設備

選用多浦樂Phascan PA32/64型相控陣檢測儀,具體參數如下:探頭頻率為7.5 MHz,陣元數量為16,陣元間距為0.5 mm,最大探頭孔徑為16(陣元數)×0.5 mm(陣元間距)。楔塊為曲面楔塊,型號為SD10-N60S-IH,與低溫再熱器管徑吻合。

該多浦樂Phascan型相控陣檢測儀內置焊縫型式為對接焊縫,但系統中沒有此類特殊焊縫模型,需要繪制焊縫CAD 模型導入該型號相控陣檢測儀中。根據測量的套管焊縫尺寸繪制套管焊縫CAD模型(見圖7)。

圖7 套管焊縫CAD模型

該套管焊縫CAD 模型以坐標原點為相控陣探頭偏置的起點,將CAD模型導入相控陣檢測儀中,按照工藝仿真制定的掃描計劃設置聚焦法則,進行聲速校準、楔塊延時校準、TCG(時間校正增益)校準和編碼器校準,儀器校準完畢后即可進行現場檢測。

3.2 檢測結果

采用相控陣超聲技術對低溫再熱器穿頂棚套管焊縫進行檢測,共抽檢套管焊縫200道,發現15道焊縫的相控陣檢測圖譜有異常信號。

無缺陷的相控陣超聲圖譜如圖8所示,可見,焊縫模型覆蓋區域沒有異常信號出現,二次波聲束覆蓋了整個焊縫區及相連管壁,即三角區域為焊縫區,相連的矩形區域為低溫再熱器管壁。為了盡可能發現缺陷,降低風險,應將焊縫區及相連的管壁都設置為檢測區。

圖8 無缺陷的相控陣超聲圖譜

有異常信號的相控陣超聲圖譜如圖9所示,由圖9(a)可見有異常信號出現在低溫再熱器管壁上,靠近焊縫區,由B掃圖中可知,該異常信號具有一定長度和方向性。沿著掃查方向行進,異常信號逐漸往焊縫區移動[見圖9(b)]。由此可知,該異常信號不僅出現在套管焊縫上,還延伸至低溫再熱器管上,危害極大,需要確認其是否為裂紋缺陷。通過打磨和表面檢測,確認該異常信號為裂紋,打磨后出現的裂紋缺陷如圖10所示。

圖9 有異常信號的相控陣超聲圖譜

圖10 打磨后出現的裂紋缺陷

由圖10可知,該裂紋已延伸至管壁中,沿著管壁周向開裂,極易造成管壁破裂,嚴重影響機組的安全運行。打磨后確認的裂紋也證實了圖9中出現的異常信號為缺陷。相控陣超聲圖譜可以以扇掃、A型和B型等多種顯示方式來顯示異常信號,大大提高缺陷的識別效果,對于復雜焊縫的檢測具備很大的優勢,異常信號變化圖譜如圖11所示。

圖11 異常信號變化圖譜

由圖11可知,異常信號出現在管壁上,沿著掃查方向移動,異常信號位置不斷變化,具有一定反向性,且走向沿著焊縫縱向。觀察A 型顯示,其波形反射強烈,波底較寬,波峰有分枝,符合裂紋的特征,綜合扇掃和B型顯示,懷疑該異常信號為裂紋,出現在管壁上,危害性大。經現場打磨挖口后,確認為縱向裂紋缺陷,裂紋缺陷現場照片如圖12所示。可見相控陣超聲技術和檢測工藝對于套管焊縫及其低溫再熱器管壁具備良好的適用性,能夠發現焊縫和管壁中的缺陷。

圖12 裂紋缺陷現場照片

3.3 結果分析

抽檢200道低溫再熱器穿頂棚套管焊縫,共發現15道焊口出現異常信號,經過挖口打磨確認為裂紋缺陷,且大多數裂紋已延伸至管壁,危害極大。

分析可得,穿頂棚套管焊縫間隙部位在運行中先產生缺陷,外加材料老化,強度有所降低,使管子產生裂紋。裂紋首先在套管縱向焊縫與管壁交接處產生,后延展至管子。基于以上檢測結果,宜及時采取補救防護措施,以降低機組的運行風險。

4 結語

采用相控陣超聲技術,借助Esbeam Tool仿真軟件指導相控陣超聲檢測工藝的制定,按照制定的檢測工藝對現場低溫再熱器穿頂棚焊縫進行抽檢,有效檢測出了有問題的焊縫,通過挖口打磨確認為裂紋,并及時采取措施,避免造成很大的危害。