相控陣技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

劉天佐，張傳清，王紀(jì)剛，種建鵬華電國(guó)際電力股份有限公司；西安金果能源動(dòng)力設(shè)備檢測(cè)有限公司；長(zhǎng)慶油田第一采油廠信息中心

相控陣技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

劉天佐1，張傳清1，王紀(jì)剛2，種建鵬3
1華電國(guó)際電力股份有限公司；2西安金果能源動(dòng)力設(shè)備檢測(cè)有限公司；3長(zhǎng)慶油田第一采油廠信息中心

摘要：分析了聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋無(wú)損檢測(cè)方法的選擇及超聲相控陣技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了超聲相控陣技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用。從應(yīng)用結(jié)果看出，相控陣技術(shù)是聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)的最佳方法，能極大地提高檢測(cè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省檢測(cè)成本。

關(guān)鍵詞：聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋；相控陣技術(shù)

Subject:Header over the tube hole wall crack；Phased Array Technology

1　聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋

1.1聯(lián)箱

聯(lián)箱布置于爐膛上部(頂棚過(guò)熱器之上)的大包內(nèi)，縱向布置。每根聯(lián)箱有幾十個(gè)到幾百個(gè)管座。典型的聯(lián)箱規(guī)格鋼號(hào)：Φ 368×60/12Cr1MoV，管座規(guī)格鋼號(hào)：Φ44.5×7/T23，展開(kāi)圖見(jiàn)圖1，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。管座間距非常?。ㄝS向：106.8-44.5=62.3mm；周向：64.2x2=128.4mm）。

圖1：聯(lián)箱展開(kāi)圖

圖2：聯(lián)箱結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.2聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋

圖3：管座截面圖

鍋爐經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，由于壓力、高溫、熱脹冷縮、震動(dòng)等外因，加上聯(lián)箱開(kāi)孔及材料本身缺陷的內(nèi)因，共同作用下，聯(lián)箱管座開(kāi)孔處，會(huì)形成徑向裂紋。這些裂紋最大的特征，是和聯(lián)箱徑向方向一致，圍繞開(kāi)孔周?chē)?，有的裂紋僅僅在聯(lián)箱主管上，有的裂紋擴(kuò)展到和支管連接的焊縫中。管座結(jié)構(gòu)圖截面圖見(jiàn)圖3，裂紋實(shí)物例圖見(jiàn)圖4。

圖4：裂紋實(shí)物例圖

2　聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋的傳統(tǒng)檢測(cè)方法

金屬傳統(tǒng)檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)、射線(xiàn)檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)。當(dāng)然還有各種各樣的裂紋傳感器檢測(cè)方法如磁記憶法等，但是傳感器的方法更不成熟，也沒(méi)有規(guī)范化，在實(shí)際應(yīng)用中，難以普遍推廣。

超聲波檢測(cè)及射線(xiàn)檢測(cè)主要用于檢測(cè)金屬內(nèi)部的裂紋，夾渣，氣孔等缺陷，磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)只能檢測(cè)金屬表面或近表面的裂紋，夾渣，氣孔等缺陷，因而不使用于聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋缺陷的檢測(cè)。超聲波檢測(cè)及射線(xiàn)檢測(cè)雖然使用于金屬內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，但是他們也有各自的局限性。

2.1傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)UT

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)采用單晶片探頭發(fā)散聲束。在某些情況下也采用雙晶片探頭或者單晶片聚焦探頭來(lái)減小盲區(qū)和提高分辨率。但是不管是哪種情況下，超聲場(chǎng)在介質(zhì)中均是按照一個(gè)單一角度的軸線(xiàn)方向傳播。單一角度的掃查限制了超聲檢測(cè)對(duì)于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”標(biāo)準(zhǔn)都要求采用多個(gè)角度聲束的掃查來(lái)提高檢出率。但是對(duì)于像聯(lián)箱接管座管這樣的復(fù)雜幾何外形、大壁厚或者探頭掃查空間有限的情況下，用傳統(tǒng)的超聲波方法檢測(cè)聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.2傳統(tǒng)的射線(xiàn)檢測(cè)RT

傳統(tǒng)的射線(xiàn)檢測(cè)，能比較直觀的對(duì)缺陷定性和定量，底片也可以長(zhǎng)期保存。但是對(duì)于裂紋這種面型缺陷，隨著被檢工件的厚度增加，檢測(cè)靈敏度急劇下降。特別是檢測(cè)像聯(lián)箱接管座管這樣的結(jié)構(gòu)，由于聯(lián)箱壁厚大（60-100mm），又是T型結(jié)構(gòu)，射線(xiàn)檢測(cè)方法幾乎無(wú)法實(shí)施，就是勉強(qiáng)進(jìn)行局部檢測(cè)，裂紋檢出率也幾乎是零。

2.3傳統(tǒng)的磁粉檢測(cè)MT

磁粉檢測(cè)是利用工件缺陷處的漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用，它利用了被檢工件表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣，發(fā)紋等）磁導(dǎo)率和被檢工件表面磁導(dǎo)率的差異，磁化后這些材料不連續(xù)處的磁場(chǎng)將發(fā)生崎變，形成部分磁通泄漏處工件表面產(chǎn)生了漏磁場(chǎng)，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積——磁痕，在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下，顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀，對(duì)這些磁粉的堆積加以觀察和解釋?zhuān)蛯?shí)現(xiàn)了磁粉探傷。所以說(shuō)，磁粉檢測(cè)只能檢測(cè)鐵磁性材料的表面及近表面缺陷，顯然無(wú)法檢測(cè)聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋這樣的缺陷。

2.4傳統(tǒng)的滲透檢測(cè)PT

滲透檢測(cè)是利用毛細(xì)現(xiàn)象檢查材料表面缺陷的一種無(wú)損檢驗(yàn)方法。滲透探傷包括熒光法和著色法。熒光法是將含有熒光物質(zhì)的滲透液涂敷在被探傷件表面，通過(guò)毛細(xì)作用滲入表面缺陷中，然后清洗去表面的滲透液，將缺陷中的滲透液保留下來(lái)，進(jìn)行顯象。著色法與熒光法相似，只是滲透液內(nèi)不含熒光物質(zhì)，而含著色染料，使?jié)B透液鮮明可見(jiàn)，可在白光或日光下檢查。滲透檢測(cè)可廣泛應(yīng)用于檢測(cè)大部分的非吸收性物料的表面開(kāi)口缺陷，而對(duì)于聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋這樣的缺陷，用滲透檢測(cè)這一方法，無(wú)能為力。

2.5傳統(tǒng)的金屬磁記憶檢測(cè)MMT

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種利用金屬磁記憶效應(yīng)來(lái)檢測(cè)部件應(yīng)力集中部位的快速無(wú)損檢測(cè)方法。鐵磁性金屬零件在加工和運(yùn)行時(shí)，由于受載荷和地磁場(chǎng)共同作用，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會(huì)保留，還與最大作用應(yīng)力有關(guān)。金屬構(gòu)件表面的這種磁狀態(tài)“記憶”著微觀缺陷或應(yīng)力集巾的位置，即所謂的磁記憶效應(yīng)。

金屬磁記憶檢測(cè)能夠?qū)﹁F磁性金屬構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)，即微觀缺陷和早期失效和損傷等進(jìn)行診斷，防止突發(fā)性的疲勞損傷，但是，對(duì)于聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋這樣的缺陷，金屬磁記憶檢測(cè)無(wú)法定性定位，也沒(méi)有規(guī)范化，在實(shí)際應(yīng)用中，難以普遍推廣。

3　相控陣技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1相控陣原理

相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個(gè)壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個(gè)整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。

波束聚焦是通過(guò)軟件控制每一個(gè)晶片的觸發(fā)時(shí)間，使波前在指定位置疊加實(shí)現(xiàn)的。焦點(diǎn)取決于所用晶片的大小和數(shù)量以及晶片的激發(fā)頻率。

波束的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)軟件控制每一個(gè)晶片激發(fā)的延時(shí)使波陣面沿特定角度傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.2相控陣技術(shù)特點(diǎn)

1)由于相控陣陣元的延遲時(shí)間可動(dòng)態(tài)改變，通過(guò)控制延遲時(shí)間來(lái)控制偏轉(zhuǎn)角度和焦點(diǎn)，所以該技術(shù)具有聲束角度可控和可動(dòng)態(tài)聚焦兩大特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置缺陷的檢測(cè)。

2)通過(guò)局部晶片組合實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)控制，無(wú)需象普通單探頭那樣在焊縫兩側(cè)頻繁地來(lái)回前后左右移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速掃描；配置機(jī)械夾具，可對(duì)試件進(jìn)行高速、全方位和多角度檢測(cè)。

3)采用同樣的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)每個(gè)陣列單元，聚焦區(qū)域的實(shí)際聲場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)超聲技術(shù)，從而對(duì)于相同聲衰減特性的材料可以使用較高的檢測(cè)頻率。

4)檢測(cè)結(jié)果以圖像形式顯示，即采用A掃描、B掃描、C掃描及TOFD等顯示方式；具有能實(shí)時(shí)評(píng)定缺陷的優(yōu)點(diǎn)。

4　聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋的相控陣檢測(cè)方法

4.1掃查覆蓋

制作專(zhuān)用探頭和楔塊，通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)角度、聚焦類(lèi)型、聲速角度-起始角度，用一次波及二次波進(jìn)行檢測(cè)，使得聲波全面覆蓋整體聯(lián)箱截面。

目標(biāo)讀者是閱讀推廣的服務(wù)群體，品牌定位首先要確定的是目標(biāo)服務(wù)群體。比如高校館一般是大學(xué)生，當(dāng)然還可以細(xì)分為本科生、碩士生、博士生，但其整體素質(zhì)差別不大，群體需求接近。但公共館的目標(biāo)群體則是多樣化的，從學(xué)齡前兒童到銀發(fā)老人，各群體服務(wù)需求差距比較大。因?yàn)槠放贫ㄎ缓蟮姆?wù)基本是為特定群體量身定做的產(chǎn)物，所以需求接近的群體比較適合囊括在一個(gè)品牌下，圖書(shū)館要對(duì)他們的閱讀需求進(jìn)行詳盡的分析，并抓住他們的需求來(lái)設(shè)計(jì)推廣活動(dòng)。

4.2掃查方式

由于聯(lián)箱是直徑為368mm的圓桶，軸向掃查和周向掃查方式不能一致，軸向掃查必須用一次波及二次波分別掃查，軸向用一次波掃查即可。

4.3探頭位置

探頭中心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁，而不能對(duì)準(zhǔn)小管中心。否則，會(huì)造成誤判和漏檢。

4.4探頭移動(dòng)

探頭按照橢圓軌跡移動(dòng)，橢圓軌跡要根據(jù)探頭聲束特性及被檢管座幾何尺寸計(jì)算，并且保持主聲束對(duì)準(zhǔn)探頭中心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁，并做5度擺動(dòng)。

4.5檢測(cè)次數(shù)

4.6缺陷位置

對(duì)于曲面試件，可以根據(jù)缺陷所處的聲程和探頭折射角度計(jì)算缺陷的位置，也可以采用檢測(cè)儀器內(nèi)的曲面焊縫軟件自動(dòng)對(duì)焊縫中的缺陷位置進(jìn)行修正。

4.7檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭參數(shù)較多，選擇原則主要是，在聲程能夠滿(mǎn)足的前提下，頻率越大越好，楔塊越小越好，在檢測(cè)空間滿(mǎn)足的前提下，陣元數(shù)越多越好。實(shí)際檢測(cè)時(shí)要根據(jù)被檢工件的規(guī)格及探頭性能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

4.8檢測(cè)主機(jī)

要使用便攜式超聲相控陣設(shè)備。如以色列Sonotron NDT公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備，通用電氣公司（General Electric Company，簡(jiǎn)稱(chēng)GE，又稱(chēng)奇異公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備，オリンパス株式會(huì)社Olym?pus Corporation生產(chǎn)的相控陣設(shè)備，德國(guó)SONOTRONIC生產(chǎn)的相控陣設(shè)備，汕頭超聲儀器研究所(SIUI)生產(chǎn)的相控陣設(shè)備，多普樂(lè)電子有限公司生產(chǎn)的相控陣設(shè)備等。

5　聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋的相控陣檢測(cè)應(yīng)用圖例

6　結(jié)論

1)相控陣技術(shù)可任意設(shè)定偏向角和聚焦深度的聲束，能使檢測(cè)條件最佳化。

2)檢測(cè)結(jié)果以圖像形式顯示，即采用A掃描、B掃描、C掃描及TOFD等顯示方式；具有能實(shí)時(shí)評(píng)定缺陷的優(yōu)點(diǎn)。

3)采用便攜式相控陣檢測(cè)優(yōu)勢(shì)顯著，諸如檢測(cè)速度快、效率高、定量精度高及分析缺陷容易等，它是一項(xiàng)既有挑戰(zhàn)性又極具發(fā)展前途和推廣價(jià)值的新技術(shù)。

4)對(duì)檢測(cè)人員素質(zhì)要求比較高，既要有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，又要有熟練的電腦操作能力。對(duì)圖形的識(shí)別要積累經(jīng)驗(yàn)，才能準(zhǔn)確的評(píng)定檢測(cè)結(jié)果。

總之，通過(guò)相控陣技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用研究，指明了常規(guī)磁粉、滲透或磁記憶檢測(cè)方式無(wú)法對(duì)聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋等缺陷檢測(cè)的原因，找到了聯(lián)箱接管座管的最佳檢測(cè)方式方法，是相控陣檢測(cè)技術(shù)在聯(lián)箱接管座管孔內(nèi)壁裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用創(chuàng)新。

Abstract:Analyzing the characters of ultrasonic Phased Array technology and the choice of NDT methods for Header over the tube hole wall crack,introducing the applications of this technology in Header over the tube hole wall joints inspection.These applica?tions result in much better inspection efficiency,lower work intensity and less cost.