火電廠金屬部件的相控陣超聲檢測(cè)

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 華北分公司，北京 100040)

隨著電力企業(yè)技術(shù)的發(fā)展,以及國(guó)家對(duì)發(fā)電企業(yè)提出的節(jié)能減排要求，發(fā)電機(jī)組逐漸向著大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展。裝機(jī)容量和運(yùn)行參數(shù)的升級(jí)將直接提高對(duì)機(jī)組金屬部件的質(zhì)量要求。因此，火電廠金屬部件的監(jiān)督檢驗(yàn)工作也變得更加重要。在制造安裝的檢驗(yàn)驗(yàn)收及在役機(jī)組的檢驗(yàn)監(jiān)督過程中運(yùn)用多種檢測(cè)方法進(jìn)行診斷、監(jiān)督金屬的部件狀態(tài)，及時(shí)掌握設(shè)備金屬部件的運(yùn)行狀況和質(zhì)量情況顯得極為重要。這有利于防止由于材料品質(zhì)不佳、焊接缺陷、選材不當(dāng)、應(yīng)力狀態(tài)不當(dāng)、運(yùn)行工況不良等因素引起的各類安全事故，減少電廠的非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限。

超聲檢測(cè)作為金屬監(jiān)督檢測(cè)中的一種重要檢測(cè)手段，在火電廠金屬部件缺陷的識(shí)別上具有獨(dú)特的地位。在火電廠金屬部件的超聲檢測(cè)工作中，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用最為成熟，使用頻率也最高，TOFD(超聲波衍射時(shí)差法)檢測(cè)技術(shù)在某些金屬部件上的應(yīng)用也逐漸成熟，近些年相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)開始應(yīng)用在火電廠部分金屬部件的檢測(cè)中[1]。

常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)使用單晶探頭，聲束發(fā)射角度單一[2]。在檢測(cè)過程中遇到待檢部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部缺陷類型較多時(shí)，需多次更換探頭進(jìn)行檢測(cè)。這增加了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了檢測(cè)效率；并且聲速角度難以連續(xù)變化，易造成缺陷漏檢。TOFD技術(shù)使用的是接收衍射波原理，衍射波信號(hào)較反射波信號(hào)強(qiáng)度弱，衍射波信號(hào)的缺陷識(shí)別力較反射波信號(hào)的缺陷識(shí)別率低；而且TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)部件的結(jié)構(gòu)要求較高。相控陣超聲技術(shù)使用的是陣列晶片探頭，探頭尺寸與常規(guī)超聲檢測(cè)探頭尺寸相同，但聲束發(fā)射角度可以調(diào)整為一個(gè)范圍，在這個(gè)

圖1 0～400 mm段焊縫檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)范圍內(nèi)角度是連續(xù)變化的，提高了缺陷檢出率。與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的結(jié)果為多視圖顯示，并且具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能。但相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)也存在標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，設(shè)備造價(jià)高，對(duì)檢測(cè)人員的要求較高等不足。而隨著檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步健全與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)逐漸在多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但在火電廠金屬監(jiān)督檢測(cè)中的應(yīng)用還較少，只有一部分金屬部件開始使用該技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并且檢測(cè)結(jié)果可靠性高。

1 相控陣超聲檢測(cè)在火電廠的應(yīng)用案例

1.1 大管徑對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)

石油燃?xì)庑袠I(yè)的大管徑(外徑大于108 mm)對(duì)接環(huán)焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用較早，電力行業(yè)特別是火電廠近些年也開始應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行管道環(huán)焊縫的檢測(cè)。

以下為某電廠再熱管道的相控陣超聲檢測(cè)實(shí)例，再熱管道規(guī)格為φ502 mm×32 mm(外徑×壁厚),材料為A335P92。在該管道的監(jiān)督檢驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)，由標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820-2002《管道焊接接頭超聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》可知，常規(guī)超聲探頭折射角為70°或60°，即使用兩種探頭進(jìn)行檢測(cè)，有些缺欠仍可能無法檢出。

用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)時(shí)，由于相控陣超聲技術(shù)中包含常規(guī)超聲的功能，且當(dāng)時(shí)檢測(cè)時(shí)并沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》)，所以參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820-2002。由于焊縫表面已經(jīng)磨平，所以采用5L128-0.8×12-SD11線性陣列探頭(128晶片直探頭)進(jìn)行掃查，掃查結(jié)果如圖1～3所示。整圈焊縫分為3個(gè)部分，分別是0～400 mm，620～1 000 mm,1 640～1 800 mm，發(fā)現(xiàn)3段焊縫內(nèi)部存在多處點(diǎn)狀缺陷，其中在620～1 000 mm段的焊縫內(nèi)缺陷分布較為集中，缺陷按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820-2002進(jìn)行評(píng)級(jí)，均為不記錄缺陷，但由于相控陣超聲的檢測(cè)結(jié)果可以儲(chǔ)存，這些缺陷均已記錄儲(chǔ)存。選取3個(gè)較為典型的缺陷(見表1)進(jìn)行具體描述。

表1 3個(gè)典型缺陷參數(shù) mm

由相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果和常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：① 相控陣超聲檢測(cè)識(shí)別出的缺陷多于常規(guī)超聲檢測(cè)識(shí)別出的缺陷，從理論上來說相控陣斜探頭的檢出率高于常規(guī)超聲探頭的檢出率，使用斜探頭的相控陣超聲檢測(cè)工藝時(shí)，角度范圍為35°～75°，角度設(shè)置范圍較廣，對(duì)不同方向缺陷的檢出率也高于常規(guī)超聲的檢出率；② 相控陣檢測(cè)速度比常規(guī)超聲的檢測(cè)速度快，由于常規(guī)超聲檢測(cè)需要更換探頭，發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)需從不同位置分別識(shí)別缺陷，而相控陣檢測(cè)工藝在采集數(shù)據(jù)時(shí)只需勻速掃查一圈；③ 相控陣檢測(cè)結(jié)果可儲(chǔ)存，而常規(guī)超聲沒有此功能，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)功能對(duì)于夾渣帶裂紋的缺陷尤為重要，因?yàn)檫@類缺陷開始時(shí)主要表現(xiàn)形式為夾渣，檢測(cè)時(shí)可能評(píng)為不記錄缺陷，但運(yùn)行一段時(shí)間后夾渣中的裂紋開始擴(kuò)展，最后演變成裂紋。常規(guī)超聲檢測(cè)沒有儲(chǔ)存功能，且對(duì)于此類缺陷前期不進(jìn)行記錄，等下次檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋再進(jìn)行記錄，則難以發(fā)現(xiàn)兩者之間的聯(lián)系。

圖2 620～1000 mm段焊縫檢測(cè)結(jié)果

圖3 1 640～1 800 mm段焊縫檢測(cè)結(jié)果

1.2 高、中壓汽輪機(jī)的隔板檢測(cè)

汽輪機(jī)高、中壓隔板在制造廠出廠驗(yàn)收時(shí)，使用常規(guī)超聲直探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，探頭放置在隔板外環(huán)端面上，通過上下移動(dòng)探頭進(jìn)行全面檢測(cè)(見圖4)。檢測(cè)區(qū)域主要是隔板外環(huán)與葉片圍帶之間的主焊縫，由于主焊縫的深度和寬度比較大，主要缺陷為未熔合缺陷，未熔合缺陷屬于面積型缺陷，對(duì)于入射角度要求較高。檢測(cè)面與主焊縫呈一定角度，常規(guī)超聲直探頭的掃描信號(hào)難以被接收識(shí)別。

圖4 常規(guī)超聲探頭掃查示意

應(yīng)用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)隔板時(shí)，采用5L128-0.8×12-SD11線性陣列探頭配0°曲面楔塊和5L64線性陣列探頭配SA2-N55S楔塊。5L128-0.8×12-SD11為直探頭，檢測(cè)外環(huán)主焊縫時(shí)，放置位置為外環(huán)的外弧端面上的A檢測(cè)面；5L64線性陣列探頭為斜探頭，檢測(cè)內(nèi)環(huán)主焊縫放置位置為內(nèi)環(huán)上端面B、C檢測(cè)面(見圖5)。以某電廠金屬部件的檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，檢測(cè)結(jié)果如圖6，7所示。內(nèi)外環(huán)主焊縫沿熔合線處存在未熔合缺陷，而常規(guī)超聲檢測(cè)使用直探頭只能對(duì)隔板外環(huán)主焊縫進(jìn)行檢查，對(duì)于主焊縫沒有傾角的隔板可以查出超標(biāo)缺陷，但對(duì)于傾角大于8°隔板的焊縫回波信號(hào)則難以接收。

常規(guī)超聲檢測(cè)方法可以檢出外環(huán)主焊縫的缺陷，但對(duì)比常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果和相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果可知：① 相控陣超聲檢測(cè)的聲束覆蓋范圍大,具有角度可調(diào)和動(dòng)態(tài)聚焦的特點(diǎn)，較常規(guī)超聲接收回波信號(hào)能力較強(qiáng)，對(duì)面積型缺陷檢出率較高；② 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有圖形導(dǎo)入功能，在分析結(jié)果中導(dǎo)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖，更易于分析缺陷類型，例如上述相控陣超聲檢測(cè)出缺陷均沿焊縫熔合線，且為面積型缺陷，從而分析此類缺陷為未熔合缺陷[3]。

圖5 相控陣探頭放置位置示意

圖6 某金屬部件的直探頭掃查結(jié)果

圖7 某金屬部件的斜探頭掃查結(jié)果

1.3 受熱面小徑管焊縫的檢測(cè)

電廠受熱面小徑管的數(shù)量極多，經(jīng)常出現(xiàn)爆管泄漏的問題而造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。受熱面小徑管的焊縫表面檢測(cè)、內(nèi)外壁表面導(dǎo)波檢測(cè)和對(duì)接焊縫的內(nèi)部檢測(cè)多為射線檢測(cè)。受熱面小徑管排列緊密，尤其在兩管并排處，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)位置不佳，焊接缺陷較多。而對(duì)于這些現(xiàn)場(chǎng)焊口，射線機(jī)擺放位置受到限制，檢測(cè)存在盲區(qū)，缺陷識(shí)別困難，射線檢測(cè)效果不好。

相控陣超聲檢測(cè)受熱面小徑管時(shí)，探頭檢測(cè)角度和聚焦深度可以根據(jù)小徑管焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證檢測(cè)覆蓋全部焊縫區(qū)域。由于相控陣檢測(cè)小徑管時(shí)探頭尺寸小，便于穿過兩管之間的縫隙，這樣可以確保檢測(cè)到整圈焊縫，對(duì)于識(shí)別射線檢測(cè)盲區(qū)的缺陷十分有利。對(duì)某電廠過熱器受熱面對(duì)接焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，缺陷識(shí)別明顯，且多數(shù)缺陷在兩管并排之間的焊縫內(nèi)。使用OLYMPUS公司的16晶片小徑管探頭進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示，缺陷為沿熔合線的未熔合缺陷。

圖8 某受熱面小徑管焊縫的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比常規(guī)檢測(cè)方法和相控陣檢測(cè)方法可知：① 相控陣超聲檢測(cè)相比其他檢測(cè)方法，其對(duì)于管排中間縫隙位置的焊縫缺陷的識(shí)別能力高，檢出率高；② 對(duì)于焊縫內(nèi)部的缺陷，射線檢測(cè)對(duì)未熔合的檢出率極低，常規(guī)超聲在薄壁小徑管上的應(yīng)用較少。相控陣超聲技術(shù)彌補(bǔ)了射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)方法的不足，通過設(shè)計(jì)聚焦深度、檢測(cè)角度等參數(shù)，可以對(duì)不同厚度的小徑管進(jìn)行檢測(cè)，并且缺陷識(shí)別能力高于常規(guī)超聲的識(shí)別能力，尤其對(duì)未熔合類型缺陷的檢出率高。

1.4 汽輪機(jī)葉根的檢測(cè)

汽輪機(jī)葉片的葉根處最易出現(xiàn)裂紋，尤其在第一、第二齒內(nèi)的凹陷處(見圖9)，由于葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，探頭放置位置少，常規(guī)超聲難以選擇合適的探頭對(duì)易出缺陷位置進(jìn)行檢測(cè)。

圖9 汽輪機(jī)葉片葉根處外觀

相控陣超聲檢測(cè)汽輪機(jī)葉片葉根時(shí)，可以將探頭放置在僅有的檢測(cè)面處，通過工藝設(shè)計(jì)可以同時(shí)檢測(cè)到不同齒的內(nèi)凹部位，圖10為相控陣超聲檢測(cè)縱樹型葉根的結(jié)果，在第一齒內(nèi)凹位置的裂紋缺陷明顯可見，并且葉根的結(jié)構(gòu)位置波形明顯。

圖10 相控陣超聲檢測(cè)縱樹型葉根的結(jié)果

對(duì)比常規(guī)超聲和相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果可知：① 相控陣超聲可以在檢測(cè)位置受限的情況下，不前后移動(dòng)探頭就能對(duì)整個(gè)待檢部位進(jìn)行全面檢測(cè)，并且缺陷識(shí)別能力強(qiáng)；② 相控陣超聲檢測(cè)定位準(zhǔn)確，掃查結(jié)果直觀易懂。

1.5 高溫螺栓的檢測(cè)

高溫螺栓的常規(guī)超聲檢測(cè)已經(jīng)成熟，并且檢出率也很高，但是在檢測(cè)時(shí)需要檢測(cè)人員對(duì)不同波形進(jìn)行分析。而通過相控陣超聲檢測(cè)，操作人員可以從圖像直觀分析波形，提高檢測(cè)效率。

圖11為螺栓1/4直徑位置的缺陷聲像特征,反映了不同當(dāng)量缺陷的聲像特征。從圖11可以看出,在扇形掃描圖的左下部分閘門線位置有一異?；夭ㄐ盘?hào),從位置上分析,可以認(rèn)定這是一個(gè)刻槽人工缺陷造成的異常回波；同時(shí)可以從圖中直觀地分析出缺陷在哪個(gè)掃查角度的反射波最高,并可由左側(cè)A掃波形圖與圖像上方的增益、波高進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)語

相控陣超聲檢測(cè)已在部分電廠檢修中得到應(yīng)用，并且檢測(cè)結(jié)果較好，也得到了電廠專業(yè)人員的認(rèn)可。還有很多電廠中的金屬部件可以嘗試使用相控陣超聲技術(shù)，例如管座角焊縫、轉(zhuǎn)子軸徑、葉輪輪緣、容器焊縫等金屬部件。相控陣超聲技術(shù)成像結(jié)果直觀，工藝設(shè)計(jì)靈活，檢測(cè)效率高。

圖11 螺栓1/4直徑位置的缺陷聲像特征