水輪機轉子對接焊縫相控陣檢測

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 彭建華 王海港

水輪機轉子對接焊縫相控陣檢測

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 彭建華 王海港

相控陣超聲波檢測作為一種獨特的技術得到開發和應用，在21世紀初進入成熟階段。相控陣超聲波技術用于無損檢測，最先是為動力工業解決檢測問題，如用單探頭在固定位置檢測不同位置和任意方向的裂紋，以及檢測和定量形狀復雜的汽輪機部件中的應力腐蝕小裂紋等。本文，筆者介紹了采用超聲波相控陣技術檢測對接焊縫的檢測工藝，并且采用區域劃分法，將焊縫分為垂直方向上的若干個區，再由電子系統控制相控探頭對其進行分區掃查。

一、檢測對象

某水電站水輪機轉子中心體總重55t，中心體分3瓣，材質為S550Q，壁厚為220mm，連接部位為單U型坡口，對接焊縫采用大西洋牌CHE707Ni焊條。

二、基本條件

1.儀器。數據采集系統采用Omniscan32/128相控陣超聲檢測系統，掃查器為可以放置相控陣探頭的手動掃查器。

2.探頭。探頭為5L32-A5（5MHz 32晶片探頭）、5L128-I2（5MHz 128晶片探頭），楔塊為SI2-N45S-IHC、SI2-OL-IHC、LP-2012-10、SA5-N45S-IHC等。

3.其他。調節試塊為相控陣徑向靈敏度校準試塊（圖1）、相控陣切向靈敏度校準試塊（圖2），耦合劑為水或機油。

圖 1 相控陣徑向靈敏度校準試塊

圖 2 相控陣切向靈敏度校準試塊

三、檢測方案

1.徑向檢測。

（1）探頭楔塊。探頭型號5L32-A5（5MHz 32晶片探頭）和楔塊型號SA5-N45S-IHC，探頭型號5L128-I2（5MHz 128晶片探頭）和楔塊型號SI2-OL-IHC和SI2-N45S-IHC。

（2）檢測方案。徑向檢測采用扇形和線性2種掃查方式。

①扇形掃查使用5L32-A5探頭和SA5-N45S楔塊，產生的橫波角度范圍為45°～70°，分單面、雙側檢測，每側重復檢測2次。檢測具體設置見表1，探頭覆蓋范圍如圖3、圖4所示。

表 1 扇形掃查具體設置

圖3 90°相交角

圖4 270°相交角

②線型掃查使用5L128-I2探頭、SI2-OL和SI2-N45S兩個楔塊，分別安裝不同楔塊產生45°橫波和0°縱波。45°橫波覆蓋扇形掃查中的盲區，0°縱波檢測全部焊縫體積。檢測具體設置見表2，探頭覆蓋范圍如圖5、圖6和圖7所示。

表 2 線型掃查具體設置

圖 5 橫波45°、90°相交角

圖 6橫波45°、270°相交角

圖7 縱波0°相交角

（3）校準。相控陣檢測需要對聲速、楔塊延遲、靈敏度和TCG進行校準。

①聲速校準。選擇聲束角度，調整光標位置，使其顯示55°折射角。使用4英寸半徑的IIW試塊（船形試塊），使A型掃描顯示2次回波并達到峰值。選定峰值位置，進行校準。盡管扇形掃查可能在其他角度有更高的信號幅值，在此僅使用55°的A型掃描。

②楔塊延遲校準。楔塊延遲校準必須以采用的所有角度校準到真實深度為準。選擇靈敏度試塊中某一深度的橫孔，并使所有角度檢測到這一橫孔的包絡線達到同一選定范圍內。

③靈敏度校準。對使用的每一個折射角和聲程給出所需的增益調整。選擇靈敏度試塊中某一深度的橫孔，使得從校準反射面得到的信號達到峰值，并以所有不同的角度或聚焦法則向后移動相控陣探頭進行掃查。再以所有的折射角或聚焦法則在校準反射面上向前掃查。相控陣系統將對每個聚焦法則所需的增益進行計算，并作調整。

④TCG校準。時間矯正增益（自動TCG）用于補償聲程材料在校準和檢測中的衰減。對于電子掃差的特定角度（如，45°、60°或70°），可以選用DAC。

2.切向檢測。

（1）探頭楔塊。探頭型號為5L128-I2（5MHz 128晶片探頭），楔塊型號為LP-2012-10和LP-2012-11。

（2）檢測方案。沿焊縫切向方向分別使用橫波45°和60°線性掃查，沿順時針和逆時針方向檢測4次，目的是檢測容易漏檢的橫向缺陷。檢測具體設置見表2。

表 2 沿焊縫切向方向檢測設置

（3）校準。需要對聲速、楔塊延遲、靈敏度和TCG進行校準。

①聲速校準。選擇聲束角度，調整光標位置，使其顯示中心位置波束。使用4英寸半徑的IIW試塊（船形試塊），使A型掃描顯示2次回波并達到峰值。選定峰值位置，進行校準。

②楔塊延遲校準。校準中采用的所有波束校準到真實深度。選擇靈敏度試塊中某一深度的橫孔，使得所有波束檢測到這一橫孔的包絡線達到同一選定范圍內。

③靈敏度校準。對使用的每一條波束和聲程給出所需的增益調整。選擇靈敏度試塊中某一深度的橫孔，使得從校準反射面得到的信號達到峰值。以所有不同的波束或聚焦法則向后移動相控陣探頭進行掃查，再以所有的波束或聚焦法則在校準反射面上向前掃查。相控陣系統將對每個聚焦法則所需的增益進行計算，并作調整。

④TCG校準。時間矯正增益（自動TCG）校準必須用于補償聲程材料在校準和檢測中的衰減。對于電子掃差的特定角度（如，45°、60°或70°），可以選用DAC。

3.檢測。

（1）檢測前應對位置編碼器進行校準。要使掃查裝置移動一定距離時，檢測設備所顯示的位移與實際位移一致。

（2）探頭的掃查速度取決于維持超聲耦合的機械能力和保證不丟失超聲波形數據點采集的檢測設備的電子能力，掃查速度不得超過150mm/s。

（3）若對焊縫在長度方向進行分段掃查，則各段掃查區的重疊范圍至少為20mm。對于環焊縫，掃查停止位置應越過起始位置至少20mm。