風機塔筒焊縫的相控陣超聲檢測工藝

匡曉龍，鐘華兵，楊 慶

(中國電建集團江西省電力建設有限公司，南昌 330001)

風機塔筒是風電機組的大型基礎性部件，主要起支撐風力發電機組，吸收發電機組振動的作用。塔筒的質量直接關系到整個機組的運行安全。

近年來，因為風機塔筒倒塌造成的安全事故屢有發生，輕則造成風電機組的報廢，重則造成人員的傷亡。如2017年7月25日，大唐新疆淖毛湖風電場發生了一起法蘭連接焊縫斷裂導致的風電機組倒塌事故。這表明，現在采用的風電機組塔筒焊縫檢測方法還存在漏檢情況，需要采用新的更安全、高效的檢測技術對風機塔筒進行無損檢測。

1 風機塔筒焊縫

風機塔筒是風電機組的支柱塔桿部分。塔筒制作過程中的焊縫有：鋼板彎成筒形后的對接縱縫、圓筒之間的對接環縫、法蘭盤與圓筒的拼接焊縫等。風機塔筒的制作過程中焊接工作占到80%，故保證焊接的質量對塔筒的安全意義重大，對其進行無損檢測是保證塔筒焊縫質量的重要手段。

目前針對塔筒焊縫內部缺陷的無損檢測方法主要有超聲檢測和射線檢測方法[1]。對于塔筒焊縫，目前多數廠家要求進行100%超聲檢測，對縱縫與環縫交叉區域(T型焊縫)和法蘭盤拼接焊縫需進行射線檢測。

2 相控陣超聲檢測原理

當前應用的常規檢測方法的優缺點明顯，它們相互補充，缺一不可，但這些方法均存在一個問題，就是對檢測人員的要求較高，容易出現人為的漏檢、錯檢。因此，需要找到一種更高效的新方法，以減少漏檢、錯檢的發生。

與常規超聲技術相比，相控陣超聲檢測技術可以使用單個探頭組合件中的多個晶片對聲束進行偏轉、聚焦和掃查。相控陣超聲檢測時，激勵的晶片數量和施加在每個晶片上的延時決定了相控陣探頭波束形成的孔徑尺寸、折射角和焦點深度。圖1是傾斜入射的聲束聚焦示意，圖中最上方為各晶片的延時，中間為壓電晶片，下方為通過電子控制形成的超聲波束。檢測時，左邊晶片先激發，往右依次按預定的延時進行激發，相互干涉后得到一個向右偏轉的超聲聚焦波束[2]。

圖1 聲束偏轉聚焦示意

當相控陣檢測儀同時發射數十個不同的聲束時，可以將這些聲束合成為不同位置的圖像，從而實現超聲檢測的可視化。超聲圖像的出現，使得相控陣超聲檢測的缺陷判斷大為簡化，合成的圖像可以以數據的形式進行保存。圖2為相控陣超聲檢測的多種視圖。

圖2 相控陣超聲檢測視圖示例

可見，相控陣超聲檢測方法靈敏度高，缺陷判斷相對簡單，檢測效率高，基本能滿足風機塔筒的檢測要求，故可用該方法來替代原有的檢測方法。

3 檢測試驗及應用

3.1 檢測試驗

為驗證檢測工藝，使用一個平板模擬試塊模擬風電塔筒進行檢測驗證。

由于塔筒直徑較大，可以近似看成平板，因此使用平板模擬試塊驗證工藝。該平板模擬試塊尺寸(長×寬×厚)為400 mm×400 mm×30 mm，焊縫坡口為X形，焊接方式為手工電弧焊(塔筒為埋弧焊，此處僅為驗證缺陷檢出率)，焊縫寬度為20 mm，內部共加工6個人工缺陷，分別為橫向裂紋1、內部裂紋2、表面裂紋3、未焊透4、未熔合5、夾渣6。模擬試塊的射線底片如圖3所示。

射線底片上各缺陷長度如下:橫向裂紋長度為12 mm、內部裂紋長度為20 mm、表面裂紋長度為19 mm、未焊透長度為26 mm、未熔合長度為22 mm、夾渣長度為25 mm。

試驗儀器為廣州多浦樂電子科技有限公司生產的Phascan 32/128相控陣超聲檢測儀，使用的探頭為5L32-0.5*10相控陣探頭，探頭中心頻率為5 MHz，晶片寬度為0.5 mm，晶片高度為10 mm，晶片數量為32個。搭配的楔塊為N55S橫波楔塊，鋼中自然折射角為55°。檢測設置為扇形掃描，掃描角度為40°～70°，聚焦深度為50 mm，TCG(距離增益補償)曲線以CSK-IIA試塊上的φ2 mm橫孔為基準制作。

對模擬試塊進行相控陣檢測，模擬試塊中的缺陷均能檢測出來，得到的C掃描視圖如圖4所示，圖中紅圈圈出的缺陷，從左至右依次為橫向裂紋、內部裂紋、上表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等。

其中，橫向裂紋雖然能夠檢測出來，但是回波與氣孔相似，很難分辨出來，其他缺陷都能大概判斷出性質。以6 dB法測量各缺陷長度，其中橫向缺陷無法測長、內部裂紋長度為18 mm、表面裂紋長度為21 mm、未焊透長度為24 mm、未熔合長度為21 mm、夾渣長度為27 mm，與射線底片結果相比差異均在1～2 mm。各缺陷的具體視圖如圖5所示。

圖4 模擬試塊的C掃描視圖

圖5 模擬試塊中各缺陷的檢測視圖

下面對模擬試塊進行常規超聲檢測對比。使用友聯PXUT-320型超聲儀，以及5P8×12K2探頭和5P8×12K1.5探頭進行檢測，執行標準為NB/T 47013.3《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》，DAC(距離-波幅)曲線在CSK-IIA試塊上繪制。

常規超聲檢測結果為：橫向裂紋未檢出；內部裂紋能檢出，但是信噪比不足，僅為10 dB左右；表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等均能清晰地檢出。各檢出缺陷的長度如下：內部裂紋長度為16 mm、表面裂紋長度為23 mm、未焊透長度為27 mm、未熔合長度為23 mm、夾渣長度為27 mm。除內部裂紋外，其他缺陷長度均比另外兩種檢測方法的大。

通過模擬試塊上的工藝驗證，可以看出相控陣超聲檢測方法的靈敏度高，并且圖像成像清晰，缺陷判斷相對簡單，故可以使用相控陣超聲檢測來替代原有的檢測方法。

3.2 現場應用

現場應用主要驗證相控陣超聲技術在風機塔筒工件上的靈敏度和檢測效率。筆者在貴州安順、山西朔州兩個塔筒制造廠，各抽取一整套風機塔筒，對其焊縫進行相控陣超聲檢測。

風機塔筒板厚為14～44 mm，直徑為2.5～4.0 m，每套塔筒焊縫總長度約為200 m。對所有焊縫進行100%相控陣超聲檢測，檢測總用時約7 h。

檢測完成后發現了多個缺陷，取其中較為典型的兩個缺陷與常規方法的檢測結果進行對比。

3.2.1 未熔合檢測

檢測過程中，在塔筒末級T型焊縫位置240 mm 長度范圍內發現了未熔合缺陷，檢測圖像如圖6所示。從圖6中C掃視圖可明顯看到4個缺陷回波，其中第一個缺陷距掃查0點位置5 mm、長度為44 mm；第二個缺陷距0點位置96 mm、長度為18 mm；第三個缺陷距0點位置145 mm、長度為52 mm；第四個缺陷距0點位置226 mm、長度為12 mm。

圖6 塔筒末級焊縫的檢測圖像

該未熔合位于T型焊縫位置，此處塔筒厚度為44 mm，需要進行射線檢測對比。由于位置原因，分兩張射線底片拍攝，從射線底片中同樣發現了缺陷，但由于工件厚度達到了44 mm，底片上的缺陷信號顯示較淡，如圖7所示。在射線底片1中發現一個典型的未熔合缺陷，長度為50 mm，位置對應相控陣檢測發現的第一個缺陷位置，第二個缺陷射線檢測未能檢出。在射線底片2上也發現了缺陷，位于標尺0點位置，長度為40 mm，對應相控陣檢測發現的第三個缺陷，第四個缺陷射線檢測未能檢出。

圖7 塔筒末級T型焊縫射線檢測底片(缺陷在紅圈內)

圖8 氣刨后發現的未熔合缺陷外觀

對發現的缺陷進行氣刨驗證，確認分段存在4個未熔合缺陷，其中第一個未熔合長度約為50 mm，第二個約為22 mm，第三個約為50 mm，第四個約為12 mm。氣刨發現的未熔合缺陷外觀如圖8所示。對比后發現，工件厚度較大時，射線檢測的準確性明顯不如相控陣超聲檢測的。

3.2.2 氣孔

在環形焊縫掃查檢測時，發現兩個較大的缺陷回波。這兩個缺陷回波過渡圓滑，呈圓孔狀，為典型的氣孔缺陷回波,檢測圖像如圖9所示。根據儀器測量，較大的氣孔類缺陷長徑為6.3 mm，較小的氣孔類缺陷長徑為5 mm。該環縫位置的塔筒厚度為25 mm，此前廠家檢測人員已進行過超聲檢測，使用的是5P12×14K2和2.5P14×14K2.5探頭，結果未發現缺陷。相控陣超聲檢測發現缺陷后，再用5P12×14K2探頭進行常規檢測，發現了缺陷，這說明存在人為漏檢情況。

圖9 塔筒環縫的檢測圖像

對發現的缺陷進行氣刨驗證，發現確實存在兩個大氣孔(見圖9)，一個長徑約為7 mm，一個長徑約為6 mm，與相控陣檢測發現的氣孔尺寸相差不大。

4 結論

(1) 檢測效率較常規檢測方法明顯提高。常規超聲檢測方法總耗時約20 h，夜間還需要進行射線檢測，總工作時間達3～4 d，而現在只需要7 h，效率提高60%。

(2) 靈敏度更高，漏檢率更低。原檢測方法未發現的缺陷，相控陣超聲技術均能發現，其中包括一些危害性缺陷。

(3) 檢測工作更方便，更靈活。在檢測作業時，附近工人不受影響，避免了射線檢測作業的危害。

(4) 檢測數據可以長期保存，便于檢測結果的跟蹤和后續在役缺陷生長的跟蹤。