小徑管管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)工藝

齊高君,2，王耀禮,2，丁成海,2，耿士超，張樹功，韋鴻起

(1.山東豐匯工程檢測(cè)有限公司，濟(jì)南 250200； 2.山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究中心，濟(jì)南 250200)

在電站鍋爐制造和安裝過(guò)程中，為了避免強(qiáng)制對(duì)口和方便現(xiàn)場(chǎng)的焊接施工，在集箱、管道與接管間均會(huì)加裝管座，因此管座角焊縫的數(shù)量在電站鍋爐焊縫總數(shù)中占有很大比例，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到電站鍋爐的安全、可靠運(yùn)行[1]。

目前，對(duì)管座角焊縫的檢驗(yàn)，一般采用宏觀檢驗(yàn)加磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等表面檢測(cè)方法，而這些方法只能檢測(cè)焊縫表面和近表面缺陷，無(wú)法檢測(cè)焊縫內(nèi)部的缺陷。受現(xiàn)場(chǎng)條件和結(jié)構(gòu)形式的限制，絕大多數(shù)的集箱管座角接接頭都無(wú)法進(jìn)行射線檢測(cè)，極少數(shù)可采用特殊工藝進(jìn)行射線檢測(cè)，但對(duì)裂紋、未熔合等面狀危險(xiǎn)性缺陷的檢測(cè)靈敏度低。常規(guī)超聲波檢測(cè)受到管座曲率、壁厚、馬鞍狀焊接接頭形式，以及探測(cè)位置局限性等因素影響，存在缺陷信號(hào)識(shí)別難、缺陷定性及定位難、焊縫完全覆蓋難的問(wèn)題[2-3]。

相控陣超聲檢測(cè)是目前國(guó)際上先進(jìn)、前沿的超聲波檢測(cè)技術(shù)[4]，與常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率方面均具有顯著的優(yōu)越性，尤其適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和盲區(qū)位置的檢測(cè)[5-6]。筆者所在單位利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，針對(duì)電站機(jī)組小徑管管座角焊縫的特點(diǎn)，積極開展了相控陣檢測(cè)工藝研究，形成了成熟完善的檢測(cè)工藝流程，并在多個(gè)電站機(jī)組安裝、檢修工程中進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 檢測(cè)系統(tǒng)及原理

相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)主機(jī)、探頭、楔塊、編碼器、掃查架、試塊等組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)組成

檢測(cè)儀器選用在小徑管檢測(cè)方面性能突出的以色列ISONIC2009型64通道相控陣超聲檢測(cè)儀。探頭選用小徑管專用16晶片、自聚焦線陣探頭(型號(hào)為7.5S-16-0.5×10)，探頭楔塊的曲率和被檢小徑管管座的曲率相匹配。配套選用可拆卸、鏈?zhǔn)叫焦軝z測(cè)專用掃查器和編碼器。

角焊縫檢測(cè)用試塊包括3類：標(biāo)準(zhǔn)試塊、對(duì)比試塊、模擬試塊。標(biāo)準(zhǔn)試塊包括R50半圓試塊和相控陣A型、B型試塊，用于儀器的調(diào)試、校準(zhǔn)。自制小徑管管座角焊縫對(duì)比試塊，用于DAC曲線的制作，檢測(cè)靈敏度的確定。焊接缺陷模擬試塊主要用于掃查靈敏度的確定和檢測(cè)工藝的驗(yàn)證。

2 對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)制作

目前，電力行業(yè)小徑管管座角焊縫相控陣檢測(cè)時(shí)，通常使用DL-1[7]或者GS[8]對(duì)比試塊調(diào)整檢測(cè)靈敏度，采用直射波對(duì)不同深度的橫通孔進(jìn)行測(cè)試，得到靈敏度曲線。由于角焊縫檢測(cè)中絕大多數(shù)使用的是一次反射波，直射波僅能檢測(cè)安放式管座角焊縫根部缺陷，因此，采用DL-1或者GS對(duì)比試塊調(diào)整的檢測(cè)靈敏度并不能真實(shí)反映角焊縫中實(shí)際缺陷的回波特征，尤其在4～8 mm厚度的薄壁管檢測(cè)中的差異更加明顯。鑒于上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了一種切合小徑管管座角焊縫檢測(cè)實(shí)際的對(duì)比試塊，成為提高角焊縫檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵。

2.1 對(duì)比試塊設(shè)計(jì)

圖2 安放式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)示意

圖3 插入式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)示意

為最大限度模擬小徑管管座角焊縫中的聲傳播特點(diǎn)，提出一種直接切取角焊縫模擬試塊的一部分來(lái)制作對(duì)比試塊的方案。先截取一段相似規(guī)格的大徑厚壁管道來(lái)模擬集箱筒壁，使用與被檢角焊縫相同的檢測(cè)工藝，將小徑管管道焊接在筒壁上，做成角焊縫模擬試塊。然后根據(jù)安放式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)或插入式管座角焊縫試塊結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，使用線切割方式將試塊切割成型，并在兩側(cè)焊縫的相應(yīng)位置上加工橫通孔反射體，最終形成角焊縫對(duì)比試塊。圖2,3中T為小徑管接管的壁厚；x為管座角焊縫沿管座側(cè)(即試塊的上半部分)垂直方向的焊縫長(zhǎng)度；y為管座角焊縫沿主管道側(cè)(即試塊的下半部分)水平方向的焊縫長(zhǎng)度。

試塊采用φ2 mm橫通孔作為參考反射體，為保證反射體信號(hào)回波具有較高的信噪比，便于靈敏度曲線的制作，在試塊兩側(cè)的焊縫上各設(shè)置一處橫通孔。左側(cè)橫通孔設(shè)置在焊縫垂直方向近探頭側(cè)，右側(cè)橫通孔設(shè)置在焊縫水平方向遠(yuǎn)探頭側(cè)，這兩處位置分別接近一次反射波的靈敏度極大值處和極小值處(相控陣聲場(chǎng)模擬如圖4所示)，因此對(duì)于管座角焊縫的相控陣檢測(cè)來(lái)說(shuō)，用兩通孔制作的靈敏度曲線即可表征焊縫受檢區(qū)域的靈敏度要求。

圖4 管座角焊縫試塊相控陣聲場(chǎng)模擬

2.2 試塊優(yōu)點(diǎn)

(1) 相控陣聲束范圍比常規(guī)超聲聲束范圍大，兩孔分開設(shè)置避免了反射體回波的相互干擾。

(2) 反射體設(shè)置在被檢試樣的模擬試塊上，其得到的靈敏度曲線更接近真實(shí)檢測(cè)情形，提高了檢測(cè)精度；并且其比DL-1和GS試塊更高效、更符合角焊縫的聲傳播特點(diǎn)。

3 檢測(cè)流程和主要檢測(cè)工藝

3.1 檢測(cè)流程

檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)流程圖

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

(1) 聚焦法則設(shè)置

設(shè)置的主要參數(shù)為：晶片數(shù)量、激發(fā)晶片起始位置、聲束角度范圍、聲束聲程或深度、聲速、被檢工件厚度、聚焦深度、探頭位置等。

(2) 被檢工件參數(shù)設(shè)置

將角焊縫結(jié)構(gòu)形式、焊縫寬度、余高、坡口角度等工件參數(shù)設(shè)置為焊縫實(shí)際值。

(3) CIVA仿真軟件驗(yàn)證檢測(cè)參數(shù)

利用CIVA仿真軟件對(duì)設(shè)定的聚焦法則參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)掃查聲束是否滿足對(duì)檢測(cè)區(qū)域的全覆蓋。

(4) 角度增益修正

相控陣探頭的最佳掃查角度為35°～75°。修正方法為：探頭附加小徑管平楔塊放在R50半圓試塊上，先調(diào)整中心角度反射波幅為滿屏的80%，再依次對(duì)最佳掃查角度范圍內(nèi)各角度(角度間隔一般為0.1°～2°)逐一進(jìn)行增益修正，使各角度反射波幅都達(dá)到滿屏的80%。

(5) 距離-波幅(DAC)曲線制作

距離-波幅(DAC)曲線是通過(guò)在相應(yīng)的安放式管座角焊縫試塊(見(jiàn)圖6)或者插入式管座角焊縫試塊(見(jiàn)圖7)上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制而成的。繪制時(shí)，將所用探頭和儀器連接，選擇試塊左側(cè)φ2 mm橫通孔制作DAC曲線的第一點(diǎn)，使反射波高達(dá)到顯示屏80%，然后保持靈敏度不變，選擇右側(cè)φ2 mm橫通孔制作DAC曲線的第二點(diǎn)，此兩點(diǎn)最高回波位置連線即為DAC曲線。不同管壁厚度的距離-波幅曲線靈敏度應(yīng)符合表1中的規(guī)定[9]。

圖6 安放式對(duì)比試塊調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

圖7 插入式對(duì)比試塊調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)

壁厚/mm評(píng)定線定量線≥4～8?2 mm×20 mm-24 dB?2 mm×20 mm-18 dB≥8～15?2 mm×20 mm-20 dB?2 mm×20 mm-14 dB≥15?2 mm×20 mm-16 dB?2 mm×20 mm-10 dB

(6) 掃描類型及顯示方式的選擇

小徑管管座角焊縫宜采用扇形掃描檢測(cè)。插入式管座角焊縫采用二次波進(jìn)行檢測(cè)；安放式管座角焊縫采用一次波和二次波進(jìn)行檢測(cè)，一次波能檢測(cè)到角焊縫根部，二次波檢測(cè)表面及中部。

(7) 掃查靈敏度確定

在表1規(guī)定的評(píng)定線靈敏度基礎(chǔ)上再增益6 dB作為掃查靈敏度。

(8) 步進(jìn)設(shè)置

檢測(cè)前將系統(tǒng)設(shè)置為根據(jù)掃查步進(jìn)采集信號(hào)，掃查步進(jìn)最大值不大于1.0 mm；扇掃描角度步進(jìn)設(shè)置應(yīng)不大于1°。

(9) 編碼器校準(zhǔn)

每次檢測(cè)工作開始前要對(duì)編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)，若測(cè)試誤差大于1%或超過(guò)10mm，需重新校準(zhǔn)。

3.3 檢測(cè)實(shí)施

(1) 檢測(cè)靈敏度驗(yàn)證。每次檢測(cè)作業(yè)前，應(yīng)對(duì)掃查靈敏度及編碼器進(jìn)行復(fù)核，并在模擬缺陷試塊上進(jìn)行驗(yàn)證，確保檢測(cè)靈敏度滿足要求。

(2) 檢測(cè)環(huán)境。系統(tǒng)校準(zhǔn)溫度與實(shí)際檢測(cè)溫度差應(yīng)控制在±15 ℃之內(nèi)。檢測(cè)時(shí)，被檢工件表面溫度應(yīng)控制在0～50 ℃間。

(3) 檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)區(qū)域?yàn)楣茏呛缚p本身加上距焊縫邊緣5 mm內(nèi)的一段區(qū)域。

(4) 檢測(cè)標(biāo)識(shí)。檢測(cè)前應(yīng)在工件掃查面上標(biāo)記掃查起始點(diǎn)和掃查方向，一般情況下，起始點(diǎn)用“0”標(biāo)記，掃查方向用箭頭表示。

(5) 施加耦合劑。在管座角接接頭接管側(cè)探頭移動(dòng)區(qū)域內(nèi)均勻涂刷耦合劑，耦合劑應(yīng)選用甘油、機(jī)油等。

(6) 探頭位置的確定。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，用鋼板尺確定探頭前段距焊縫邊緣的長(zhǎng)度，使探頭實(shí)際平移距離和聚焦法則中設(shè)置的平移距離相同。

(7) 掃查和數(shù)據(jù)采集。掃查過(guò)程中，可采用自動(dòng)掃查器或手動(dòng)掃查器。采用手動(dòng)掃查器時(shí)，操作人員應(yīng)用力均勻，保證探頭與工件接觸良好。掃查的最短長(zhǎng)度為接管外圓周長(zhǎng)加30 mm，采用線性掃查時(shí)應(yīng)保證掃查速度不大于20 mm·s-1。

3.4 數(shù)據(jù)分析評(píng)定

3.4.1 數(shù)據(jù)有效性評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)有效性評(píng)價(jià)應(yīng)著重以下幾方面：① 采集的數(shù)據(jù)量應(yīng)滿足檢測(cè)焊縫的長(zhǎng)度要求;② 數(shù)據(jù)丟失量不得超過(guò)整個(gè)掃查長(zhǎng)度的5%，且不允許相鄰數(shù)據(jù)連續(xù)丟失;③ 掃查圖像中的耦合不良長(zhǎng)度不得超過(guò)整個(gè)掃查長(zhǎng)度的5%，單個(gè)耦合不良長(zhǎng)度不得超過(guò)2 mm；④ 評(píng)判掃查數(shù)據(jù)是否有效，若數(shù)據(jù)無(wú)效，應(yīng)排除故障后重新進(jìn)行掃查。

3.4.2 數(shù)據(jù)評(píng)定和處理

(1) 缺陷的評(píng)定按照先定性后定量的順序進(jìn)行。應(yīng)首先對(duì)掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，結(jié)合A、B、C、D、S多種掃描顯示判斷缺陷性質(zhì)，后進(jìn)行缺陷定量。

(2) 性質(zhì)判定為裂紋、未熔合、未焊透缺陷評(píng)定為不允許。

(3) 根據(jù)缺陷俯視圖中的輪廓確定缺陷的長(zhǎng)度、寬度，長(zhǎng)度與寬度之比大于3的相關(guān)顯示按條形缺陷處理，長(zhǎng)度與寬度之比不大于3的相關(guān)顯示按圓形缺陷處理。條形缺陷和圓形缺陷的評(píng)定按照表2的規(guī)定進(jìn)行。

表2 焊接接頭允許的缺陷尺寸

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 安放式管座角焊縫檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

在某電廠安裝施工過(guò)程中，對(duì)低再進(jìn)口集箱廠家角焊縫質(zhì)量進(jìn)行安裝前抽檢，其中接管規(guī)格(外徑×壁厚)為60 mm×6 mm，材料為20G，焊接方法為GTAW(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)。

通過(guò)使用該相控陣檢測(cè)工藝發(fā)現(xiàn)8號(hào)焊口存在兩處超標(biāo)缺陷，為驗(yàn)證相控陣檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者設(shè)計(jì)了專用射線檢測(cè)方案對(duì)該焊口進(jìn)行了復(fù)檢。使用180 mm×40 mm(長(zhǎng)×寬)規(guī)格的特制暗盒袋，裁制相應(yīng)規(guī)格的底片和增感屏，將暗盒袋緩慢塞入接管內(nèi)壁，將射線源置于角焊縫外側(cè)分段進(jìn)行透照，每次間隔60°，共透照6次，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該角焊縫的射線檢測(cè)。

(1) 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果：圖8為針對(duì)未焊透缺陷進(jìn)行的相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)分析示意，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度L=10.5 mm；圖9為針對(duì)氣孔缺陷進(jìn)行的相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)分析示意，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度L=4.9 mm。

圖8 未焊透缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖9 氣孔缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖10 8號(hào)管座角焊縫未焊透缺陷底片

圖11 8號(hào)管座角焊縫氣孔缺陷底片

(2) 射線檢測(cè)結(jié)果：通過(guò)對(duì)射線底片的評(píng)定，分別在第二次和第四次的拍攝底片中發(fā)現(xiàn)一處缺陷： 8B段底片(見(jiàn)圖10)顯示有一長(zhǎng)為8 mm的未焊透缺陷；8C段底片(見(jiàn)圖11)顯示有一個(gè)φ4 mm氣孔，其他區(qū)域未發(fā)現(xiàn)可評(píng)級(jí)缺陷。

通過(guò)與射線檢測(cè)結(jié)果的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷位置、缺陷性質(zhì)的判定，均與射線檢測(cè)結(jié)果相同，僅在缺陷測(cè)長(zhǎng)方面稍有差別。就文中試驗(yàn)而言，相控陣檢測(cè)技術(shù)測(cè)得的缺陷指示長(zhǎng)度要大于射線檢測(cè)的測(cè)長(zhǎng)，缺陷檢測(cè)靈敏度相對(duì)較高。

4.2 插入式管座角焊縫檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

在某電廠A級(jí)檢修項(xiàng)目中，對(duì)高溫再熱器進(jìn)口集箱廠家角焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè)，接管規(guī)格(外徑×壁厚)為57 mm×4.5 mm，材料為12Cr1MoVG，焊接方法為GTAW。

在對(duì)3號(hào)角焊縫的掃查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一長(zhǎng)為8 mm的裂紋顯示，其深度位置接近于角焊縫表面，相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)分析示意如圖12所示。隨后對(duì)該角焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有一條清晰的裂紋顯示(見(jiàn)圖13)，與相控陣檢測(cè)缺陷位置和長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)值相符。

圖12 3號(hào)管座角焊縫裂紋缺陷數(shù)據(jù)分析示意

圖13 3號(hào)管座角焊縫滲透檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，文章所制定的檢測(cè)工藝針對(duì)性強(qiáng)、可操作性好，并具有檢測(cè)靈敏度高、缺陷判定準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了小徑管管座角焊縫這一特殊結(jié)構(gòu)部件的缺陷檢出率，保障了電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有推廣應(yīng)用前景。