鍋爐受熱面小徑管超聲相控陣檢測技術研究

王東，江野，劉文生，賈少威，王警衛，朱國斌

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

鍋爐受熱面小徑管超聲相控陣檢測技術研究

王東，江野，劉文生，賈少威，王警衛，朱國斌

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

依據超聲相控陣檢測技術原理，結合鍋爐受熱面小徑管對接焊縫的特點，研制了專用的超聲相控陣檢測換能器和楔塊，在PHASCAN型便攜式超聲相控陣儀上實現了小徑管對接焊縫的二維成像檢測。選擇?51mm×4mm的小徑管人工缺陷進行驗證，該檢測技術能快速、直觀、有效地檢測出裂紋缺陷，可確保鍋爐安全運行，防止爆管。

鍋爐；受熱面小徑管；對接焊縫；超聲相控陣檢測；換能器；楔塊

0 引言

火力發電廠鍋爐受熱面所用的直徑小(32～89mm)且壁薄(4～12mm)的管子通常被稱為小徑管，隨著超臨界以及超超臨界機組不斷增加，機組運行溫度、壓力等參數不斷提高，對電站鍋爐用小徑管的質量提出了更高的要求。小徑管長期處于高溫、高壓環境下，極易產生蠕變、疲勞和腐蝕，進而引起嚴重的爆管事件[1]，嚴重威脅火電機組的安全穩定運行，同時還會給電廠帶來巨大的經濟損失。

對于小徑管焊縫裂紋類缺陷，一般采用磁粉、滲透、超聲等方法進行探傷。磁粉、滲透探傷對焊縫表面光潔度要求較高且只能檢測表面或近表面缺陷，小徑管管壁較薄不能過度打磨，焊縫表面光潔度一般無法達到要求，容易造成漏檢。常規超聲波探測時耦合不佳，聲速擴散，反射率低，降低了檢出率，檢測時只能發射角度固定的聲束，存在一定檢測盲區；同時，由于電站鍋爐小徑管管排比較密集，空間狹小，操作受到影響[2]。因此，尋求一種新的小徑管檢測技術顯得十分迫切。

本文通過理論分析，提出了一種專用超聲相控陣檢測換能器以及楔塊，并在PHASCAN型便攜式相控陣檢測儀的基礎上進行模塊開發。

1 超聲相控陣檢測的原理和特點

超聲相控陣檢測技術是通過控制換能器陣列中各陣元發射(或接收)脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現焦點和聲束方向的變化，從而進行超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦[3]。這種檢測技術可以產生不同形式的聲束效果，模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以進行電子掃描和動態聚焦，無需或少移動探頭，檢測速度快，探頭放在一個位置就可以生成被檢測物體的完整圖像，實現了自動掃查，且可檢測復雜形狀的物體[4]。與傳統超聲檢測相比，超聲相控陣檢測技術在檢測速度、缺陷定量準確性及降低作業強度等方面有著明顯的優勢[5]。設計專用的相控陣超聲檢測換能器和楔塊，采用超聲相控陣檢測技術檢測鍋爐小徑管對接焊縫，能夠實現電站鍋爐受熱面管焊縫裂紋的多角度、無盲區掃查，檢測靈敏度高，能有效排除此類隱患，對實現鍋爐安全運行具有重要意義。

2 小徑管對接焊縫超聲相控陣檢測工藝

2.1 換能器參數優化設計

超聲相控陣換能器的性能對檢測結果影響很大，換能器設計與制作是極為關鍵的技術。實際檢測時，換能器多為均勻線陣，均勻線陣的主要參數包括換能器頻率、換能器陣元數、陣元間距、陣元寬度、陣元尺寸和輻射角等。若換能器參數選用不合適，聲場分布除了主瓣外還會出現柵瓣和較高的旁瓣。柵瓣是產生偽像的主要原因之一，旁瓣的出現一方面降低了主瓣的能量和系統的對比度分辨力，同時還可能會造成偽像。由于系統的橫向分辨力主要取決于主瓣的寬度，所以減少主瓣寬度即可提高系統的橫向分辨力。因此，相控陣換能器的主要設計原則即為最小化方向銳角，抑制旁瓣，消除柵瓣[6]。

電站鍋爐受熱面管曲率大、管壁薄，且受熱面管子排列緊密，實際掃查空間較小，因此，換能器在滿足檢測的同時應盡可能小。通過研究分析，定制了自聚焦換能器7.5S16-0.5×10-D10，外形及尺寸如圖1所示，主要參數見表1。換能器采用弧形晶片，具有周向自聚焦功能，能有效改善聲場形狀，如圖2所示。

圖1 換能器尺寸及外形

圖2 換能器在小徑管的聲場形狀

項目設計參數實測參數中心頻率(-6dB)/MHz7．50(1±10%)7．43相對帶寬(-6dB)/%≥60．0093．09脈沖長度/μs≤0．530．31均勻性靈敏度/dB±3．00+1．00/-1．38界面波和反射回波比值≤-60-62陣元數目1616陣元間距/mm0．50．5陣元間隙/mm0．10．1陣元寬度/mm1010

2.2 楔塊的設計

電站鍋爐受熱面管管徑小且排布緊密，除了對換能器有較高的要求外，還必須有專門定制的楔塊來配合完成焊縫裂紋準確、快捷的成像檢測。

本次試驗楔塊制作材料選擇聚苯乙烯，楔塊內聲速為2 337m/s，楔塊前段設有消聲槽，鑲嵌阻抗橡膠，可有效降低界面反射波的干擾。根據電站鍋爐受熱面管的實際情況，專門設計定制了SD10-N60S-IH-AODXX系列楔塊，入射角度為39°，整體尺寸設計為18mm×22mm×12mm(長×寬×高)，如圖3所示。

圖3 SD10-N60S-IH-AOD60.33楔塊

2.3 靈敏度的設置

將探頭放在試塊R2外弧面上并前后移動，使5mm深的?1mm通孔反射信號移動到不同聲速角度，增益至波高的80%，記錄增益值。對8mm深的?1 mm通孔重復上述步驟，得到探頭在不同聲速角度的靈敏度，見表2。由表2可知，聲束角度80°時的直射波是整個掃查覆蓋范圍內靈敏度最低的地方，故選擇聲束角度80° 時8 mm深的?1mm通孔反射波高80%時的增益值為檢測靈敏度。

表2 不同聲速角度的靈敏度 dB

圖4 聲速覆蓋范圍

圖5 某電站鍋爐高溫再熱器進口管屏焊縫裂紋

2.4 探頭放置和聲束覆蓋范圍設置

相控陣扇形掃查可掃查整個工件界面，而無需前后移動探頭。對于4～12mm厚的受熱面管焊縫，為實現直射波、一次反射波全覆蓋掃查，需要較大的掃查角度，但增大聲速偏轉角度會降低靈敏度，因此需要進行模擬研究，找到一個掃查范圍，既能滿足全覆蓋掃查的要求，又能保證一定的靈敏度。

在實際檢測時一般應用超聲波檢測模擬軟件ESBeamTool模擬不同掃查角度、不同探頭放置位置時聲速覆蓋的情況。經分析，掃查角度為40°～80°，探頭放置在距離焊縫中線δ±2 mm(δ為管壁厚)時，可以滿足全覆蓋掃查要求，對于4 mm和6 mm厚的焊縫，聲速覆蓋范圍如圖4所示。

3 小徑管相控陣掃查分析

電站鍋爐受熱面管焊縫裂紋大多產生在焊縫邊緣熱影響區，內外側均可能產生裂紋，如圖5所示。

為了驗證小徑管對接焊縫檢測系統對鍋爐小徑管焊縫的檢測靈敏度，此次試驗采用目前電站鍋爐受熱面中?51mm×4mm的小徑管制作了2個模擬裂紋缺陷對比試塊，材質為T91，具體參數見表3。

超聲相控陣檢測可實現實時成像檢測，在檢測界面中導入繪制的焊縫坡口圖形，就可實現小徑管對接焊縫的成像檢測，如圖6所示。在小徑管檢測系統界面的相關功能菜單中選擇相應的探頭、楔塊和工件類型，并完成超聲基本參數和聚焦法則的設置，部分參數見表4。

對#1，#2對比試樣A，B側管壁進行掃查檢測。將探頭放在試樣管壁外弧面上，探頭前端離焊縫中心線(4±2)mm，以增益33dB為檢測靈敏度，對試塊的3處人工缺陷進行檢測。探頭不做前后移動，只在檢測面上沿試塊周向勻速移動，得到#1，#2對比試樣A，B側掃查檢測結果，如圖7～10圖所示。在圖中可以清楚地看到缺陷二次波反射回波圖像，成像位置與缺陷所在位置一致，易于辨別。

表3 對比試樣具體參數

圖6 檢測軟件界面

參數數值參數數值檢測范圍/mm20橫波聲速/(m·s-1)3290掃描類型扇形起始角度/(°)40．0終止角度/(°)80．0步進/(°)0．5聚焦類型真實深度

圖7 #1對比試樣A側掃查檢測結果

圖8 #1對比試樣B側掃查檢測結果

圖9 #2對比試樣A側掃查檢測結果

圖10 #2對比試樣B側掃查檢測結果

4 結論

(1)通過理論分析相控陣超聲檢測技術的特點，設計一種專用的相控陣超聲檢測換能器和楔塊，能完全覆蓋這個小徑管對接焊縫，很好地提高了檢測效率。

(2)在PHASCAN型便攜式超聲相控陣檢測儀基礎上進行模塊開發，從而實現小徑管對接焊縫二維檢測，其裂紋類缺陷檢測靈敏度高，成像位置準確，檢測結果直觀、準確、易于判斷。

(3)結合試驗可知，由于相控陣聚焦及偏轉的特點，單側檢測就可以查出小徑管環焊縫全部區域危害性的缺陷。

[1]馬延會，蘇德瑞，劉建屏，等.鍋爐受熱面小徑管周向缺陷磁致伸縮導波檢測試驗研究[J].華北電力技術，2014(9)：39-43.

[2]金南輝，牟彥春.小徑管對接焊接接頭相控陣超聲檢測技術[J].無損檢測，2010，32(6)：427-430.

[3]李衍.超聲相控陣技術[J].無損探傷，2007，31(4)：24-28.

[4]靳峰，楊旭，劉文生，等.叉型葉根超聲相控陣檢測技術研究[J].熱加工工藝，2013，42(24)：217-218.

[5]單寶華，喻言，歐進萍.海洋平臺結構超聲相控陣檢測成像技術的發展及應用[J].海洋工程，2005，23(2)：104-107.

[6]張武能，汪毅，靳峰，等.汽輪機葉片菌型葉根相控陣超聲檢測技術[J].無損探傷，2013，37(3):44-45.

(本文責編：劉芳)

2017-04-05；

2017-06-20

TG

A

1674-1951(2017)07-0007-04

王東(1989—)，男，河南安陽人，助理工程師，工學碩士，從事電力行業無損檢測新技術的應用研究和電力行業的失效分析研究(E-mail:wangd_1989@163.com)。