超超臨界鍋爐小徑管焊縫的超聲相控陣檢測工藝

王維東,王亦民,孟倩倩,曹云峰,張振華

(1.徐州電力試驗中心， 徐州 221000；2.國網(wǎng)安徽電力公司電力科學研究院， 合肥 230601；3.山東瑞祥模具有限公司 ， 濟寧 272400)

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超超臨界鍋爐小徑管焊縫的超聲相控陣檢測工藝

王維東1,王亦民2,孟倩倩3,曹云峰1,張振華1

(1.徐州電力試驗中心， 徐州 221000；2.國網(wǎng)安徽電力公司電力科學研究院， 合肥 230601；3.山東瑞祥模具有限公司 ， 濟寧 272400)

根據(jù)鍋爐小徑管焊縫的缺陷分布范圍，研制出系列超聲相控陣檢測的對比試塊，并進行了模擬與自然缺陷的檢測試驗。測試采用φ1 mm橫孔制作距離-波幅曲線，對不同外徑與壁厚的內(nèi)外壁缺陷進行定量與指示長度測定，修正了傳統(tǒng)檢測的誤區(qū)，建立了超聲相控陣小徑管焊縫的檢測工藝方法。

小徑管焊縫;超聲相控陣;缺陷;無損檢測

隨著超聲相控陣技術(shù)聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能的發(fā)展，壓電復合材料、納秒級脈沖信號可控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)和計算機模擬等高新技術(shù)在超聲相控陣成像領域中得到了綜合應用[1-4]，這雖然促進了超聲相控陣檢測技術(shù)的快速發(fā)展，但對應的專項檢測工藝研究相對滯后。筆者根據(jù)鍋爐受熱面運行中頻繁發(fā)生的小徑管泄漏爆管事故的反饋信息，探討了采用超聲相控陣對小徑管焊縫缺陷進行準確定量定位的工藝方法。

1　超聲相控陣檢測試塊及儀器

1.1TY系列專用試塊與傳統(tǒng)試塊的區(qū)別

傳統(tǒng)的以不同深度φ1 mm×20 mm(直徑×長度)橫通孔建立的距離-波幅(DAC)曲線不能真實反映管焊縫一、二次波反射的內(nèi)外壁近表面的聲壓。試驗中發(fā)現(xiàn)當面狀缺陷分布在管截面內(nèi)外部不同區(qū)域時，其回波聲壓存在差異，且聲壓差隨著壁厚的增加而增大，故傳統(tǒng)方法無法做到有效定量檢測，不適應小徑管的相控陣檢測對比。研制的(TY-Ⅰ～TY-Ⅳ)對比試塊，采用了組合系列試塊的設計，將階梯管部分和平塊部分組合為一塊試塊，這樣既能進行靈敏度測定、儀器調(diào)節(jié)、DAC曲線制作，又能對DAC曲線的內(nèi)外壁反射聲壓進行修正。試塊在四種規(guī)格管型的內(nèi)外壁上加工深度×長度為1 mm×5 mm的等深模擬裂紋;并在相同規(guī)格管型的內(nèi)外壁上加工φ1 mm×2 mm(直徑×孔深)柱孔的參考試塊，用于與φ1 mm×20 mm(直徑×長度)橫通孔進行當量比較，修正DAC曲線。對比試塊的外觀與尺寸示意分別如圖1,2所示。

圖1　TY系列對比試塊外觀及剖面尺寸示意

圖2　四種不同管徑TY系列對比試塊的截面尺寸示意

1.2TY系列專用試塊的設計

根據(jù)常用小徑管焊縫壁厚與外徑變化大的特點，設計了減小定量誤差的變徑管試塊。按小徑管材料適用范圍選擇20G和304奧氏體鋼，采用數(shù)控一次成型技術(shù)加工形成不同外徑的管型。

平塊部分主要用于儀器、探頭性能測定及DAC曲線制作,管型部分用于內(nèi)外壁缺陷的對比及內(nèi)外壁缺陷對DAC曲線的修正,以為質(zhì)量評級驗收提供依據(jù)。

管型部分參考小徑管規(guī)格，將每個試塊設計為4種外徑、2種厚度的規(guī)格(圖2)。例如φ38 mm小徑管，按管徑分為兩種厚度，即6 mm和9 mm。檢測時當壁厚為4～7 mm時可采用TY-Ⅰ試塊；當壁厚為8～10 mm時，可采用TY-Ⅱ試塊。

變徑管部分與平塊部分采用燕尾槽連接，平塊部分上下端面設計為圓弧面，中間部位布置了深度分別為5,15,25 mm的3個φ1 mm×20 mm(直徑×長度)的橫通孔，用于相控陣儀器距離-波幅曲線(DAC)制作。

1.3相控陣檢測系統(tǒng)

試驗采用的超聲波相控陣檢測儀器具有脈沖回波技術(shù)，有16個獨立發(fā)射和接收通道，能產(chǎn)生和顯示S、A、B、C掃描圖像，并能儲存圖像。探頭(編號為7.5S16-0.5×10)參數(shù)為:激發(fā)晶片數(shù)為16;標稱頻率為7.5 MHz;校準聲速為3 240 m·s-1;扇掃角度為35°～75°;激發(fā)頻率為6 MHz;楔塊聲速為2 337 m·s-1;探頭前沿為10 mm;有效孔徑大小為15 mm。

1.4聲束覆蓋范圍

對小徑管進行相控陣扇形掃查時，應確定探頭前端外沿至焊縫中心線的距離，保證扇形掃查中大角度聲束(一次波)覆蓋焊縫下部及熱影響區(qū)，小角度聲束(二次波)覆蓋焊縫上部及熱影響區(qū)，以達到對焊縫截面100%的檢測。當探頭對準焊縫并沿焊縫周向進行掃查時，為保證聲束對焊縫的全覆蓋，探頭前端外沿距焊縫中心線應為10 mm，移動范圍誤差±2 mm。

1.5相控陣檢測探頭及楔塊

在保證掃查范圍內(nèi)有足夠能量的前提下，應盡可能選擇外形尺寸小的相控陣探頭。為減少探頭與試樣管之間的耦合損失，楔塊接觸面應加工成與試塊管曲率相近的曲面，參照試塊外徑，研制了8種規(guī)格分別為φ32,38,42,45,51,54,60,63 mm，且與管外圓周吻合的軸向楔塊。根據(jù)被探管外徑選擇相近規(guī)格的楔塊，楔塊曲率的對應關(guān)系見表1。

1.6靈敏度校準設置

校準設置包括靈敏度校準和距離-波幅校準。

采用TY系列試塊φ1 mm×20 mm(直徑×長度)橫通孔,將第一點波幅調(diào)整為80%波高,在此靈敏度下進行(DAC)曲線制作。DAC曲線的制作過程為:找出5 mm深處φ1 mm橫通孔的最大波高，設為滿屏的80%高度；以該波高為基準波高，保持靈敏度不變，依次探測深15,25 mm處的φ1 mm橫通孔，找出最大反射波高；將不同深度及其對應的最大波高連接起來，即為DAC曲線。實際檢測時應根據(jù)被探小徑管的粗糙度補償3～4 dB。

表1　楔塊曲率的對應關(guān)系

2　探傷工藝

以φ1 mm×20 mm(直徑×長度)橫通孔制作的DAC曲線與TY試塊內(nèi)外壁1 mm×5 mm(深度×長度)模擬裂紋缺陷及φ1 mm×2 mm(直徑×深度)平底柱孔的當量進行比較，結(jié)果見表2。注意：比較內(nèi)外反射聲壓，內(nèi)壁反射聲壓大于外壁反射聲壓時為“+”，反之為“-”。

表2　 聲壓差比較

當管壁厚為6 mm時，內(nèi)壁缺陷聲壓比外壁缺陷聲壓高4～5 dB；當壁厚為9 mm時，內(nèi)壁缺陷聲壓比外壁缺陷聲壓低8～9 dB。檢測時應根據(jù)內(nèi)外壁缺陷聲壓差進行當量修正，以避免誤判。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1試驗結(jié)果

3.1.1體積型缺陷檢測(自然缺陷)

管編號：E3，規(guī)格φ54 mm×9 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)P91， X射線底片缺陷形象為單個點狀夾渣。檢測儀器顯示為：入射角度59°、二次波、深度5.4 mm、靈敏度44 dB、缺陷波高DAC-4 dB。檢測結(jié)果見圖3。

圖3　單個夾渣超聲相控陣檢測結(jié)果

3.1.2根部未焊透檢測(自然缺陷)

圖4　根部未焊透超聲相控檢測結(jié)果

管編號：9082-1，規(guī)格φ42 mm×5 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)20G， X射線底片缺陷形象為焊縫根部未焊透。檢測儀器顯示為：入射角度72°、二次波、深度4.4 mm、靈敏度44 dB、缺陷波高 DAC-2 dB。檢測結(jié)果見圖4。

3.1.3根部橫向裂紋檢測(自然缺陷)

管編號：T1-1，規(guī)格φ38 mm×6.8 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)T23，X射線底片缺陷形象為根部橫向裂紋。檢測儀器顯示為：入射角度47°、三次波、深度5.0 mm、靈敏度45 dB、缺陷波高DAC+4 dB。檢測結(jié)果見圖5。

圖5　根部橫向裂紋超聲相控檢測結(jié)果

找出橫向裂紋的最強反射波，將波高調(diào)整至DAC曲線，增益6 dB，探頭沿管軸線向前移;當波高降至DAC線時，做好探頭中心標記，探頭后移，當波高降至DAC曲線時，則視為橫向裂紋的另一端，兩標記點間的距離即為裂紋指示長度。

3.1.4管外壁體積型缺陷檢測(模擬缺陷)

管編號：T1-1，規(guī)格φ51 mm×8 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)P91，缺陷為φ1 mm×2 mm(直徑×深度)外壁柱孔。檢測儀器顯示為：入射角度50.3°、二次波、深度0.1 mm、靈敏度44 dB、缺陷波高DAC-2 dB。檢測結(jié)果見圖6。

圖6　管外壁柱孔超聲相控陣檢測結(jié)果

3.1.5管內(nèi)壁面狀檢測(模擬缺陷)

管編號：Z1，規(guī)格φ51 mm×8 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)P91，缺陷為內(nèi)壁1 mm×5 mm(深度×長度)模擬裂紋。檢測儀器顯示為：入射角度67°、二次波、深度8.0 mm、靈敏度44 dB、缺陷波高DAC+5 dB。檢測結(jié)果見圖7。

圖7　管內(nèi)壁模擬裂紋超聲相控陣檢測結(jié)果

3.1.6管焊縫根部面狀檢測(模擬缺陷)

管編號：A12-2，規(guī)格φ63 mm×6 mm(管外徑×壁厚)，材質(zhì)20G，缺陷焊縫根部1 mm×5 mm(深度×長度)模擬裂紋。檢測儀器顯示為：入射角度74°、一次波深度5.0 mm、靈敏度44 dB、缺陷波高DAC+4 dB。檢測結(jié)果見圖8。

圖8　焊縫根部周向模擬裂紋超聲相控陣檢測結(jié)果

3.2試驗分析

超聲相控陣檢測小徑管的優(yōu)勢是可以確定缺陷在焊縫的空間位置，如能根據(jù)管截面上下部分的缺陷的聲壓差，以DAC曲線為基準線進行修正，則可以做到準確定量。

采用軸向探頭檢測，可以檢測出與超聲波聲束平行的缺陷，但前提條件是，搜索到缺陷信號后確定其反射聲壓，前后移動探頭以測定其長度；當指示長度大于5 mm，應判定為橫向裂紋，當橫向裂紋深度不小于2 mm時，可以檢出缺陷。

4　結(jié)語

試驗證明小徑管內(nèi)外壁缺陷反射波幅隨著壁厚的增加聲壓差5～9 dB。傳統(tǒng)的φ1橫通孔建立的DAC曲線對內(nèi)外壁缺陷定量誤差大，易造成誤判，研制了不同管徑及壁厚的TY系列對比試塊，用于修正DAC曲線，實現(xiàn)了小徑管焊縫缺陷的準確定量。

[1]李陽，唐創(chuàng)基，李男.相控陣超聲檢測技術(shù)在海洋工程小徑管對接焊縫檢驗中的應用[J].無損檢測，2013,35(9):41-44.

[2]劉冬冬，師芳芳，張碧星.超聲相控陣技術(shù)在管材檢測中的應用[J].無損檢測，2013,35(5):1-11.

[3]潘亮，董世運，徐濱士，等.線陣探頭相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2013,35(10):6-9.

[4]孫霓,刑耀淇，陳以方.基于PCIE總線的超聲相控陣檢測系統(tǒng)[J].無損檢測，2014，36(6)：1-5.

Ultrasonic Phased Array Testing for Small Diameter Tube Weld of Ultra-supercritical Boiler

WANG Wei-dong1, WANG Yi-min2, MENG Qian-qian3, CAO Yun-feng1, ZHANG Zhen-hua1

(1.Xuzhou Power Test Center, Xuzhou 221000, China;2.State Grid Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230601, China;3.Shandong Ruixiang Mould Co., Ltd., Jining 272400, China)

A series of ultrasonic phased array inspection contrast test blocks were developed according to the distribution range of the boiler pipe weld defect, and at the same time tests were conducted on the simulation and natural defects, respectively. By making distance amplitude curve for 1mm diameter horizontal hole, we quantified and measured indicating length of defects both inside and outside of the tube with different diameter and thickness, and thus corrected the errors of the traditional detection and established the testing method of ultrasonic phased array for small pipe weld.

Pipe weld; Ultrasonic phased array; Defect; Nondestructive testing

2015-04-22

王維東(1948-)，男，無損檢測高級技師，主要從事電站無損檢測工藝方法研究。

10.11973/wsjc201512012

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0049-04