相控陣技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用

劉天佐，張傳清，王紀剛，種建鵬華電國際電力股份有限公司；西安金果能源動力設備檢測有限公司；長慶油田第一采油廠信息中心

相控陣技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用

劉天佐1，張傳清1，王紀剛2，種建鵬3
1華電國際電力股份有限公司；2西安金果能源動力設備檢測有限公司；3長慶油田第一采油廠信息中心

摘要：分析了聯箱接管座管孔內壁裂紋無損檢測方法的選擇及超聲相控陣技術的特點，介紹了超聲相控陣技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用。從應用結果看出，相控陣技術是聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測的最佳方法，能極大地提高檢測效率，降低勞動強度，節省檢測成本。

關鍵詞：聯箱接管座管孔內壁裂紋；相控陣技術

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

1　聯箱接管座管孔內壁裂紋

1.1聯箱

聯箱布置于爐膛上部(頂棚過熱器之上)的大包內，縱向布置。每根聯箱有幾十個到幾百個管座。典型的聯箱規格鋼號：Φ 368×60/12Cr1MoV，管座規格鋼號：Φ44.5×7/T23，展開圖見圖1，結構尺寸見圖2。管座間距非常小（軸向：106.8-44.5=62.3mm；周向：64.2x2=128.4mm）。

圖1：聯箱展開圖

圖2：聯箱結構尺寸圖

1.2聯箱接管座管孔內壁裂紋

圖3：管座截面圖

鍋爐經過長時間的運行后，由于壓力、高溫、熱脹冷縮、震動等外因，加上聯箱開孔及材料本身缺陷的內因，共同作用下，聯箱管座開孔處，會形成徑向裂紋。這些裂紋最大的特征，是和聯箱徑向方向一致，圍繞開孔周圍整圈，有的裂紋僅僅在聯箱主管上，有的裂紋擴展到和支管連接的焊縫中。管座結構圖截面圖見圖3，裂紋實物例圖見圖4。

圖4：裂紋實物例圖

2　聯箱接管座管孔內壁裂紋的傳統檢測方法

金屬傳統檢測方法有超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測。當然還有各種各樣的裂紋傳感器檢測方法如磁記憶法等，但是傳感器的方法更不成熟，也沒有規范化，在實際應用中，難以普遍推廣。

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

2.1傳統的超聲檢測UT

傳統的超聲檢測采用單晶片探頭發散聲束。在某些情況下也采用雙晶片探頭或者單晶片聚焦探頭來減小盲區和提高分辨率。但是不管是哪種情況下，超聲場在介質中均是按照一個單一角度的軸線方向傳播。單一角度的掃查限制了超聲檢測對于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”標準都要求采用多個角度聲束的掃查來提高檢出率。但是對于像聯箱接管座管這樣的復雜幾何外形、大壁厚或者探頭掃查空間有限的情況下，用傳統的超聲波方法檢測聯箱接管座管孔內壁裂紋是無法實現的。

2.2傳統的射線檢測RT

傳統的射線檢測，能比較直觀的對缺陷定性和定量，底片也可以長期保存。但是對于裂紋這種面型缺陷，隨著被檢工件的厚度增加，檢測靈敏度急劇下降。特別是檢測像聯箱接管座管這樣的結構，由于聯箱壁厚大（60-100mm），又是T型結構，射線檢測方法幾乎無法實施，就是勉強進行局部檢測，裂紋檢出率也幾乎是零。

2.3傳統的磁粉檢測MT

磁粉檢測是利用工件缺陷處的漏磁場與磁粉的相互作用，它利用了被檢工件表面和近表面缺陷（如裂紋，夾渣，發紋等）磁導率和被檢工件表面磁導率的差異，磁化后這些材料不連續處的磁場將發生崎變，形成部分磁通泄漏處工件表面產生了漏磁場，從而吸引磁粉形成缺陷處的磁粉堆積——磁痕，在適當的光照條件下，顯現出缺陷位置和形狀，對這些磁粉的堆積加以觀察和解釋，就實現了磁粉探傷。所以說，磁粉檢測只能檢測鐵磁性材料的表面及近表面缺陷，顯然無法檢測聯箱接管座管孔內壁裂紋這樣的缺陷。

2.4傳統的滲透檢測PT

滲透檢測是利用毛細現象檢查材料表面缺陷的一種無損檢驗方法。滲透探傷包括熒光法和著色法。熒光法是將含有熒光物質的滲透液涂敷在被探傷件表面，通過毛細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，進行顯象。著色法與熒光法相似，只是滲透液內不含熒光物質，而含著色染料，使滲透液鮮明可見，可在白光或日光下檢查。滲透檢測可廣泛應用于檢測大部分的非吸收性物料的表面開口缺陷，而對于聯箱接管座管孔內壁裂紋這樣的缺陷，用滲透檢測這一方法，無能為力。

2.5傳統的金屬磁記憶檢測MMT

金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法。鐵磁性金屬零件在加工和運行時，由于受載荷和地磁場共同作用，在應力和變形集中區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態的不可逆變化在工作載荷消除后不僅會保留，還與最大作用應力有關。金屬構件表面的這種磁狀態“記憶”著微觀缺陷或應力集巾的位置，即所謂的磁記憶效應。

金屬磁記憶檢測能夠對鐵磁性金屬構件內部的應力集中區，即微觀缺陷和早期失效和損傷等進行診斷，防止突發性的疲勞損傷，但是，對于聯箱接管座管孔內壁裂紋這樣的缺陷，金屬磁記憶檢測無法定性定位，也沒有規范化，在實際應用中，難以普遍推廣。

3　相控陣技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用

3.1相控陣原理

相控陣是超聲探頭晶片的組合，由多個壓電晶片按一定的規律分布排列，然后逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發射超聲束（波陣面）的形狀和方向，能實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦。

波束聚焦是通過軟件控制每一個晶片的觸發時間，使波前在指定位置疊加實現的。焦點取決于所用晶片的大小和數量以及晶片的激發頻率。

波束的偏轉是通過軟件控制每一個晶片激發的延時使波陣面沿特定角度傳播來實現的。

3.2相控陣技術特點

1)由于相控陣陣元的延遲時間可動態改變，通過控制延遲時間來控制偏轉角度和焦點，所以該技術具有聲束角度可控和可動態聚焦兩大特點，從而實現了復雜結構件和盲區位置缺陷的檢測。

2)通過局部晶片組合實現聲場控制，無需象普通單探頭那樣在焊縫兩側頻繁地來回前后左右移動，可實現高速掃描；配置機械夾具，可對試件進行高速、全方位和多角度檢測。

3)采用同樣的脈沖電壓驅動每個陣列單元，聚焦區域的實際聲場強度遠大于常規超聲技術，從而對于相同聲衰減特性的材料可以使用較高的檢測頻率。

4)檢測結果以圖像形式顯示，即采用A掃描、B掃描、C掃描及TOFD等顯示方式；具有能實時評定缺陷的優點。

4　聯箱接管座管孔內壁裂紋的相控陣檢測方法

4.1掃查覆蓋

制作專用探頭和楔塊，通過控制偏轉角度、聚焦類型、聲速角度-起始角度，用一次波及二次波進行檢測，使得聲波全面覆蓋整體聯箱截面。

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4.2掃查方式

由于聯箱是直徑為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

探頭中心應對準聯箱接管座管孔內壁，而不能對準小管中心。否則，會造成誤判和漏檢。

4.4探頭移動

探頭按照橢圓軌跡移動，橢圓軌跡要根據探頭聲束特性及被檢管座幾何尺寸計算，并且保持主聲束對準探頭中心應對準聯箱接管座管孔內壁，并做5度擺動。

4.5檢測次數

4.6缺陷位置

對于曲面試件，可以根據缺陷所處的聲程和探頭折射角度計算缺陷的位置，也可以采用檢測儀器內的曲面焊縫軟件自動對焊縫中的缺陷位置進行修正。

4.7檢測探頭

檢測探頭參數較多，選擇原則主要是，在聲程能夠滿足的前提下，頻率越大越好，楔塊越小越好，在檢測空間滿足的前提下，陣元數越多越好。實際檢測時要根據被檢工件的規格及探頭性能進行實際測試。

4.8檢測主機

要使用便攜式超聲相控陣設備。如以色列Sonotron NDT公司生產的相控陣設備，通用電氣公司（General Electric Company，簡稱GE，又稱奇異公司生產的相控陣設備，オリンパス株式會社Olym?pus Corporation生產的相控陣設備，德國SONOTRONIC生產的相控陣設備，汕頭超聲儀器研究所(SIUI)生產的相控陣設備，多普樂電子有限公司生產的相控陣設備等。

5　聯箱接管座管孔內壁裂紋的相控陣檢測應用圖例

6　結論

1)相控陣技術可任意設定偏向角和聚焦深度的聲束，能使檢測條件最佳化。

2)檢測結果以圖像形式顯示，即采用A掃描、B掃描、C掃描及TOFD等顯示方式；具有能實時評定缺陷的優點。

3)采用便攜式相控陣檢測優勢顯著，諸如檢測速度快、效率高、定量精度高及分析缺陷容易等，它是一項既有挑戰性又極具發展前途和推廣價值的新技術。

4)對檢測人員素質要求比較高，既要有豐富的實際經驗，又要有熟練的電腦操作能力。對圖形的識別要積累經驗，才能準確的評定檢測結果。

總之，通過相控陣技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用研究，指明了常規磁粉、滲透或磁記憶檢測方式無法對聯箱接管座管孔內壁裂紋等缺陷檢測的原因，找到了聯箱接管座管的最佳檢測方式方法，是相控陣檢測技術在聯箱接管座管孔內壁裂紋檢測中的應用創新。

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.