再熱器頂棚穿墻管焊縫裂紋相控陣檢測

劉廣興，陳 聰，劉 文

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

再熱器頂棚穿墻管焊縫裂紋相控陣檢測

劉廣興，陳 聰，劉 文

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

分析再熱器頂棚穿墻管焊縫裂紋產生的原因，選擇合理的檢測方法，制定相控陣檢測工藝對穿墻管焊縫進行檢測，并對檢測結果進行分析和驗證。結果表明，相控陣技術在穿墻管焊縫裂紋檢測方面具有明顯的技術優勢，有利于缺陷的識別和判定。

再熱器；焊縫裂紋；相控陣檢測

Abstract:The causes of the weld crack on the ceiling sealing structure are analyzed for choosing suitable detection method.The detection procedure of ultrasonic phased array is developed and tested.The data acquired is analyzed and validated.The experimental result shows that the ultrasonic phased array technology is very suitable for the detection of the welding crack on the ceiling sealing structure and has its accuracy proved on judging the degree of the defects.

Key words:boiler reheater；the welding crack；detection of phased array

0 引言

發電廠鍋爐再熱器管屬于小徑管的范疇，承受較高的溫度和壓力，其焊接質量直接關系到鍋爐的安全運行。一旦焊接質量不合格造成爆管，導致機組非停，會造成重大經濟損失［1］。

某電廠8號機組采用哈鍋廠制造的HG-1025／18.2-PH型號的鍋爐，其最大連續蒸發量為1 025 t／h，于1990年12月投產。該鍋爐在大修水壓試驗時，發現三級再熱器管排與頂棚密封板焊接處有3根管子有泄漏現象，把密封板割除后，發現密封板下面的這3根再熱器管子已經開裂，裂紋長度已達到管子周長的1／2，而且切開管子從內壁看，均已完全裂透。該問題的發現使得原定的開機計劃，被迫延遲。該鍋爐三級再熱器的規格為Φ63.5 mm×4.5 mm，材質是102鋼，其裂紋形貌如圖1所示。

圖1 三級再熱器裂紋

1 原因分析及檢測方法選擇

3根開裂的三級再熱器管子位于再熱器入口聯箱爐左最外側一屏，西往東數第7、8、9根。裂紋位于三級再熱器管排與頂棚密封板焊縫的下面，三級再熱器管與頂棚密封采用折邊式梳形板密封結構［2］，如圖2、圖3所示。根據相關文獻的實驗及分析可以知道，其焊縫處開裂的根本原因是搭接接頭疲勞強度很低，在結構幾何應力作用下導致開裂，裂紋優先發生于頂棚密封板和再熱器管形成的幾何應力較大處［3］。從裂紋形貌和結構可以發現，開裂裂紋位于頂棚密封板與再熱器管密封焊縫 （以下簡稱穿墻管焊縫）的熔合線處，在蠕變與疲勞交互作用下［4］，由外壁往內壁擴展，且發展方向與穿墻管焊縫走向一致。

考慮到該鍋爐三級再熱器、二級再熱器、三級過熱器、四級過熱器等與頂棚密封板的焊接結構都是相同的，所以其他管排此處位置焊縫也存在安全隱患，因此需要對此處位置進行相關檢驗。因結構的原因，在此處無法使用射線檢測方法，而且管道的裂紋處在密封板遮擋下，也無法進行磁粉、滲透等表面檢測，所以此處選用相控陣技術進行檢測。

圖2 三級再熱器與頂棚密封結構

圖3 三級再熱器與頂棚密封現場結構

相控陣是無損檢測的一種比較先進的檢測技術，通過控制陣列探頭各個陣元的接收與發射的延遲時間，從而實現超聲波的偏轉、聚焦等各種掃描效果，最終在掃描范圍內實現高分辨率的缺陷成像［5］。

2 相控陣檢測工藝選擇

2.1 檢測設備選擇

檢測設備選用多浦樂Phascan多功能超聲相控陣成像檢測系統。該設備采用32通道接收、獨立64通道發射的先進結構模式，可實現線性、扇形兩種掃查方式及真實深度、半聲程、投影、任意面4種聚焦方式的檢測。

再熱器管壁厚只有4.5 mm，考慮檢測分辨率因素的影響，探頭頻率的選擇盡量大一些；同時，小徑管曲率大，周向聲束擴散嚴重，探頭晶片形狀可選擇周向弧形以產生自聚焦的效果，從而提高周向的分辨率及靈敏度；考慮工件曲率、聲束聚焦和偏轉的能力以及加工的難易程度等各方面情況，對再熱器穿墻管焊縫檢測，可選擇16晶片的探頭。綜上所述，此處檢測可以采用型號7.5S16-0.5×10的相控陣探頭。

此處穿墻管焊縫檢測需要利用大角度橫波聲束來實現，所以對相控陣探頭必須加工合適的斜楔塊，以產生滿足范圍的橫波聲束角度，此處檢測采用60°斜楔塊與相控陣探頭配合使用，同時考慮到小徑管曲率大，為減小探頭與試樣管之間的耦合損失，楔塊的接觸面應加工成與試樣管曲率相近的形狀。

2.2 相控陣參數設置

設置扇形掃查的角度為30°～70°，步進0.5 dB，聚焦類型選擇真實深度，聚焦深度設置在9 mm，同時激發晶片數16個。利用DL／T 820—2002標準里的DL-1試塊進行楔塊延遲和靈敏度的校準，使得深度8 mm處的Φ1 mm橫通孔在不同的聚焦法則（即不同的聲束角度）下得到的波幅相同；然后進行TCG曲線的制作和校準，使得5 mm和8 mm處的Φ1 mm橫通孔波幅相同。采用圖1已經完全裂透的再熱器管子外表面裂紋回波信號波幅的80%再提高10 dB作為檢測靈敏度。

因開裂裂紋位于再熱器穿墻管的外表面密封板焊縫的熔合線處，由外壁往內壁擴展，所以再熱器穿墻管的外表面是檢測的重點。從割除的再熱器管子上面可以測出穿墻管焊縫的寬度值為10 mm，如圖1中紅色雙箭頭所示。采用Phascan相控陣設備的Calculator模擬軟件，輸入再熱器管子壁厚4.5 mm、焊縫寬度10 mm，可以模擬出聲束的覆蓋范圍，調整探頭前沿至焊縫中心的距離，使超聲聲束能夠完全覆蓋穿墻管焊縫的區域，此時探頭前沿至焊縫中心的距離為13 mm。

2.3 檢測過程

將步進偏置（用來設置楔塊前表面和待測工件步進軸參考位置之間的偏置）數值設置為與探頭前沿至焊縫中心的距離相等。采用機油做耦合劑，將探頭置于再熱器管外壁，探頭前沿至焊縫上邊緣的距離為8 mm，然后繞焊縫1周進行檢測。因焊縫形狀成弧形，非常見的對接焊縫，而且焊縫又處在密封板下面，掃查過程中很難保持探頭前沿至焊縫上邊緣的距離不變。掃查過程可以采用常規脈沖回波檢測的鋸齒形掃查方式，在扇形掃查圖形上發現可疑圖像后，再移動探頭使其前沿至焊縫邊緣的距離為8 mm，此時可疑圖像在扇掃圖形的位置即與缺陷在再熱器穿墻管焊縫的位置一致。

2.4 檢測結果

按照上述檢測工藝，對三級再熱器穿墻管焊縫進行相控陣檢測。三級再熱器由于管屏間隔很小，無法進入檢測，因此選取管屏兩側各4根、鍋爐左側和右側各20排共320根進行檢測，共檢測出28根存在裂紋信號。之后又對其他有相同結構的二級再熱器、三級過熱器、四級過熱器等穿墻管焊縫進行抽查，未發現問題。三級再熱器穿墻管裂紋的相控陣檢測圖像 （選擇信號能量較大的根管道）如圖4所示。

圖4 再熱器穿墻管裂紋的相控陣圖像

圖5 再熱器割管后的裂紋形貌

圖中紅色圓圈標注的是裂紋在扇形掃查圖形中的圖像，箭頭所指的是其對應的A型顯示波型。從圖中可以看出裂紋深度顯示為0.2 mm，即聲束的二次波恰好打在三級再熱器穿墻管的外表面，且位于焊縫的上熔合線附近。

對該根管道割管后打磨掉密封板檢查，發現裂紋已經非常嚴重，如圖5中紅色圓圈所示。

對8號鍋爐31根再熱器管道（含已經泄漏的3根管道）進行更換后已安全運行1年多。

3 結語

采用相控陣對穿墻管焊縫進行檢測，可同時實現S掃、A掃等顯示，結果直觀，圖像可視化，有利于對缺陷的識別和判定。檢測時還需注意穿墻管外表面是檢測的重點，檢測過程中要保證聲束覆蓋整個穿墻管焊縫區域；同時，因焊縫結構復雜，掃查過程需采用鋸齒形掃查方式，發現可疑圖像后再進行詳細定位，從而確保檢測的準確性。

［1］龍會國，鄧宏平.電站鍋爐小徑管焊縫超聲波檢測技術［J］.鍋爐技術，2012，43（4）：59-62.

［2］伍明生.DG1025／18.2-Ⅱ型鍋爐再熱器穿墻管密封結構的技術改造［J］.江蘇電機工程，2006，25（6）：71-73.

［3］曾勁松，楊湘偉.末級再熱器頂棚穿墻管泄漏原因分析［J］.湖南電力，2005，25（2）：43-46.

［4］金萬里.國產首臺600 MW機組鍋爐的再熱器頂棚穿墻管泄漏原因分析及改進技術∥全國火電大機組 （600 MW級）競賽第11屆年會論文集（上冊）［C］.北京：中國電力企業聯合會科技開發服務中心，2007.

［5］劉正凡，劉麗川，舒丹，等.對接焊縫中超聲相控陣的檢測［J］.廣東化工，2008，35（12）：103-108.

Detection of Phased Array for the Welding Crack on the Ceiling Sealing Structure of Boiler Reheater

LIU Guangxing，CHEN Cong，LIU Wen
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

TG411.7

B

1007－9904（2017）09－0068－03

2017-05-20

劉廣興（1981），男，從事無損檢測工作；陳 聰（1988），男，從事無損檢測工作；劉 文（1988），男，從事無損檢測工作。