超臨界機組的無損檢測發展現狀和趨勢探討

引言：對當前超臨界機組無損檢測面臨的困難進行總結，在此基礎上提出目前正在推廣應用的新型技術。通過這些新型技術的原理和特點介紹，探討在未來超臨界機組的無損檢測發展方向和趨勢。

前言

目前中國的電力建設正處在一個變革之時，為了節約能源，提高經濟效益，鍋爐選型大多為超臨界機組。超臨界機組是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力22.12MPa的機組，超臨界機組具有煤耗低、環保性能好和熱效率高等特點。而無損檢測作為焊接和安裝質量的一個重要保證，在超臨界機組施工過程中成為質量控制不可缺少的重要手段。

一、超臨界機組的無損檢測現狀

近幾年國內多臺超臨界機組成功投運，雖然取得了一定的焊接施工和無損檢測經驗，但是在施工過程中也暴露出了一些問題，亟待解決。

1.1檢測工作量大。以我司承建的華電宜賓珙縣2×600MW超臨界機組為例，該鍋爐具有結構復雜，合金成分高，管小壁厚，管排間距小，大管徑厚壁管多等特點。根據標準，超臨界機組鍋爐的Ⅰ類焊接接頭需要進行100%無損檢測，且其中不少于50%的射線檢測[1]。

1.2受天氣影響較大。超臨界機組的建設地點，對焊接的無損檢測也有重要的影響作用，主要體現在建設地點天氣的影響。在華電宜賓珙縣項目的焊接檢驗過程中，連續一個月在夜間連續或間斷下雨。在該工程中為了保證小管管排的檢測質量，采用了X射線探傷。X探傷機對天氣尤為敏感，惡劣的天氣情況對檢測的速率和檢測質量都造成了很大的影響。

1.3工期對檢測的影響。由于業主對工期的要求提前，每天的無損檢測工作量也相對較大。同時為了保證工期按時完成，部分夜間時段也安排了加班工作。這樣造成了檢測時間的嚴重縮水，對檢測工作的開展也造成了相當大的困難。

1.4輻射危害性大。由于在施工中出現工期要求緊，部分工作面提供給檢測的時間有限，需要在一個工作面同時布置好幾個探傷組進行射線檢測。由于防護距離有限，造成探傷人員在一段時間內輻射劑量相對較大。

1.5檢測工藝影響。針對大管的檢測工作，一般安排在熱處理以后，以避免再熱裂紋和延遲裂紋的產生。但是如果是焊接過程中產生了缺陷，就會造成返修后又要重新熱處理和檢測，這樣使得管材的晶粒粗大，硬度降低，機械性能降低。對于厚度不小于70mm的管子在焊到20mm左右時做100%的射線檢驗，焊接完成后做100%超聲波檢驗[1]。

1.6檢測手段單一。現階段在超臨界機組無損檢測中，除常規的五大檢測手段外，很少有其他的檢測手段可供選擇。主要是因為五大常規檢測手段技術上已經比較成熟，成本相對低廉。而其他的新型檢測手段，前期成本投入較大，在電力建設行業上應用推廣和實踐時間較短。

二、無損檢測新技術和發展趨勢

無損檢測是指對材料或結構實施一種不損或不影響其未來使用性能或用途的檢查和測量方法。無損檢測具有不破壞檢驗物品，可監督和改進焊接成型工藝，減少返工，降低成本等優點。在超臨界機組中，使用較多的是五大常規檢測手段。五大常規檢測手段各有優缺點，例如射線檢測具有檢測結果直觀、缺陷定量準確、體積型缺陷檢出率高等優點；但是射線檢測不適合于比較厚的工件，也不適用于結構復雜的工件；從檢測到拿到檢測結果周期較長，檢測危害性大的缺點。隨著超臨界機組施工技術的不斷完善，為了保證工程周期的同時也確保工程的質量，對發展相對滯后的無損檢測工作也提出了新的要求。目前各種新型的檢測技術也出不窮，例如聲發射檢測技術、激光全息檢測技術、紅外線檢測技術已被逐漸應用到石油、化工、航天航空當中，取得了較好的檢測效果。下面就幾種在國外已經被廣泛應用在超臨界機組中的檢測方法進行簡單減少。

2.1X射線數字成像技術

目前常用的射線檢測主要是借助膠片來對焊縫進行質量評價，成本高，污染大、時效慢，危害大。隨著計算機技術的廣泛應用，一種新的X射線數字成像技術應運而生。X射線穿過檢測物體后被圖像增強器所接收，圖像增強器通過光電轉換將不可見的X射線轉換為可視圖像。可視圖像通過光學鏡頭和電視攝像機所接收，通過模數轉換為計算機可以識別的數字圖像。最后通過與計算機相連的顯示器進行透視圖像的呈現，也可以通過計算機進行圖像的儲存、打印、分析等功能。整個系統操作跟常規的X射線探傷差別不大，可適用各種透照方式，包括雙壁雙影、雙壁單影、單壁單影等透照方式。

曾祥照通過對比試驗說明常規X射線檢測拍攝一張底片連暗室處理至少30分鐘，而X射線數字成像技術檢測一次所需時間僅僅只有幾秒鐘的時間。而從成本上分析，X射線數字成像技術的檢測成本也僅是膠片照相成本的2%左右[2]。同時X射線數字成像技術具有透照圖像清晰，無底片偽缺陷，沒有膠片成本，便于實時觀察、易于儲存等特點，提高了檢測效率和檢測精度。在國外Changhee Lee等人將X射線數字成像技術應用到電廠的焊接檢驗中，避免了以膠片為基礎的X射線檢測所要求的復雜工藝流程、高成本和不環保的廢液處理等問題[3]。X射線數字成像技術可以實時檢測減少了檢驗周期，提高了檢驗效率，可以解決在超臨界機組無損檢測中工作量大，檢驗受天氣和工期影響因素，輻射危害等問題。S.M. Walker 等人通過X射線數字成像技術和常規X射線檢測技術對電廠中容易出現裂紋的部件進行分析發現，X射線成像技術對電廠由于疲勞腐蝕造成的裂紋有明顯效果，并且該技術可以準確分析出裂紋的深度，是一種精確和有效的電廠無損檢測手段[4]。

2.2超聲波相控陣技術和時差衍射法技術

目前常規的超聲波檢測由于檢測時間長且無法對檢測結果進行直觀顯示，對操作者經驗有較高的要求。同時檢測結果的判定受人為影響因素較多，也因此常規的超聲波檢測無法廣泛應用到超臨界機組的檢測中去。為了克服這些缺陷，人們發展出了超聲波相控陣技術和時差衍射法技術。三種檢測技術的檢測原理一致，都是利用聲波來對被檢工件進行檢測的方法。常規超聲波檢測是通過人為的方式控制超聲波入射角度，使缺陷反射回波反應在顯示屏上，顯示方式主要是A型掃描。超聲波相控陣技術是通過電子的方式控制超聲波入射角度，使超聲波以扇形面的形式入射到被撿測工件中，顯示方式有A型掃描、B型掃描、C型掃描、D型掃描、S型掃描等[5]。時差衍射法技術是利用聲波的衍射原理，通過一發一收的雙探頭結構，對被檢工件上下表面以及缺陷兩端的衍射信號進行顯示的檢測方法。主要的顯示方式是B型掃描。

超聲波相控陣技術不光能按常規超聲波檢測方式的A型掃描反應缺陷情況，同時能通過其他的掃描方式形象顯示缺陷信息，使得檢測圖像可視化，極大提高了缺陷的檢測效率。時差衍射法技術通過B型掃描的方式形象顯示缺陷信息，具有直觀效果。總的來說超聲波相控陣技術和時差衍射法具有速度快、效率高、適應性強、再現性好等優點。同時兩種方法都可以實現機械化或半機械化，減少了人的影響因素，提高檢測的精度。目前在國內長輸管線的焊縫檢測中，已經使用到自動化的超聲波相控陣技術和時差衍射法技術，取得了良好的經濟效益。由于超臨界機組的運行溫度和壓力遠遠高于一般機組，以致在超臨界機組中的大管徑厚壁管的數量比例增加。使用的常規超聲波探傷方法對這些厚壁管進行檢測需要更換探頭，增加了檢測時間。Ditchburn等人通過對比發現相控陣超聲波比傳統超聲波具有更高的靈敏度和檢測效率，同時具有檢測圖像，增加了檢測的直觀性[6]。相控陣超聲波技術減少了檢測時間和降低了對操作者能力的要求，能實現半自動化和自動化。同時相控陣超聲波檢測技術能夠針對超臨界機組中部分由于設計原因造成探頭移動區域過小無法使用常規超聲波檢測的情況，使用相控陣超聲波技術就能很快解決這些問題。E. Jasiūnien?等人通過研究發現由于噴嘴和插接件厚度不一，且探頭移動區域有限，采用常規超聲波而無法檢測；如果采用相控陣超聲波技術對噴嘴內部和插接焊縫進行檢測，在無需移動探頭的情況下可以取得較好檢測效果[7]。

2.3電磁超聲技術

傳統的超聲波檢測技術是利用壓電效應激發出超聲波對工件進行無損檢測的一種方法，在檢測過程中需要對檢測工件表面進行打磨，檢測過程中在探頭與檢測工件之間要施加耦合劑。這些耦合劑不光加快了材料的腐蝕，同時不斷的打磨也增加了檢測工作量。電磁超聲技術主要依靠磁致伸縮原理在被檢測物體中激發出超聲波而對物體進行檢測的一種無損檢測新技術，可以克服以上的不足。電磁超聲波除不需要打磨和耦合劑外，還可以不接觸到工件表面的情況下對工件進行檢測。目前國內已經發布了GB/T20935-2009《金屬材料電磁超聲檢驗方法》這一國標，同時電磁超聲波設備的動態靈敏度可達到Φ2mm的平底孔當量，在超臨界機組的檢測中也逐漸被重視起來。但是電磁超聲波檢測技術在檢測工件中有一個檢測盲區，需要借助其他檢測方法進行補充。在鍋爐施工過程中，由于部分水冷壁管排在焊接后焊口位置距地面較高，檢測安全危險系數大，采用其他檢測方法難以對焊口進行準確檢驗。Badodkar等人通過采用半自動的電磁超聲波檢測技術對鍋爐水冷壁管進行檢測，檢測效率高，并且可以對彎頭處焊縫進行檢測，檢測靈敏度較高[8]。

三、總結

超臨界機組無損檢測的常規方法無疑在目前及將來都是主要的檢測手段。然而，從安全性、環保性看，超臨界機組無損檢測必然向自動化、圖像化、綠色化發展。隨著火力發電廠超臨界機組的不斷施工，無損檢測在確保設備安全經濟高效運行方面將起著越來越重要的作用。面對新的電力施工組織改革，除了開展常規的無損檢測工作之外，還應積極研究、開發和推廣無損檢測新技術，朝著提高超臨界機組無損檢測的準確性和檢測效率努力。

參考文獻

[1]DL/T869-2004.鋼制承壓管道對接焊接接頭射線檢驗技術規程[S]，2004.03.09.

[2]曾祥照.無損檢測新技術-X射線數字成像研究與應用[J].壓力容器，1997（6）：38-46.

[3]Changhee Lee，Jong-Bong Lee，Dong-Hwan Park等.The Study of Field Application of Digital Radiography Testing for Power Plant Weldments[J].Materials Science Forum，580-582（2008）：105-108.

[4]S.M.Walker.Development of a Digital Radiographic System for Power Plant Components[C].6th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components.October 2007，Budapest，Hungary.

[5]李衍.相控陣超聲檢測國際動態[J]. 無損檢測，2009，31（1）：56-60.

[6]R.J.Ditchburn and M.E.Ibrahim.Ultrasonic Phased Arrays for the Inspection of Thick-Section Welds[R].Maritime Platforms Division Defense Science and Technology Organisation.DSTO-TN-0911.2009.09.

[7]E.Jasiūnien?，L.Ma?eika，O.Tum?ys.Investigations of the inspection possibilities of the inner surface of the nozzle using ultrasonic phased array[J].ULTRAGARSAS （ULTRASOUND），Vol.65，No.3，2010.

[8]D.N.Badodkar，N.K.Singh，N.S.Dalal等.EMAT Integrated with Vertical Climbing Robot for Boiler Tube Inspection[J].NDE 2009，December 10-12，2009.

（作者單位：中國電建集團四川電力建設三公司）

作者簡介

唐體春（1981.08-），碩士，工程師，主要從事電廠無損檢測研究。現工作于四川電力建設三公司。