電站鍋爐蛇形管高壓加熱器小徑管對接焊縫的相控陣超聲檢測

劉禮良,譚云華,楊 齊

(1.中國特種設備檢測研究院, 北京 100029;2.國家市場監督管理總局無損檢測與評價重點實驗室, 北京 100029;3.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司, 自貢 643000)

隨著電站建設不斷向大型化和高參數方向發展[1]，國內新建大型電站逐漸采用蛇形管式高壓加熱器(簡稱“高加”)來代替管板式高壓加熱器。蛇形管高加外觀如圖1所示。由于蛇形管高加對接焊縫結構復雜，蛇形管空間小，焊口數量多，所以其射線檢測操作困難，檢測周期長[2]。

圖1 蛇形管高加外觀

對規格為φ25 mm×3.5 mm(直徑×壁厚)，材料為15CrMo的管道對接焊縫進行相控陣超聲檢測(PAUT)工藝研究，通過仿真分析PAUT檢測工藝[3]，對缺陷響應進行工藝優化，在模擬試塊上對優化后的工藝進行檢測試驗，以驗證其對蛇形管高加小徑管對接焊縫檢測的可行性。

1 小徑管相控陣超聲檢測工藝分析

1.1 聲場仿真

小徑管對接焊縫坡口的結構如圖2所示(T為壁厚)，根據焊縫坡口等工藝參數建立的小徑管仿真模型如圖3所示[4]。

圖2 小徑管對接焊縫坡口結構示意

圖3 工件仿真模型

對工件進行分析，設置探頭頻率為7.5 MHz;楔塊角度為60°;晶片數量為16;激發孔徑為7.9 mm;起始激發1個晶片；聲束角度為45°75°；探頭前端距焊縫中心距離為7.5 mm;聲波反射4次。

將上述工藝參數加載至被檢工件模型上，經仿真軟件計算分析，該聚焦法則下的聲束覆蓋如圖4所示，聲場在工件中的分布如圖5所示。

圖4 聲束覆蓋示意

圖5 聲場在工件中的分布示意

由仿真可知，采用設定的相控陣超聲檢測工藝參數，使用3次波及4次波，探頭中心能量的-6 dB范圍內聲場能完全覆蓋焊縫檢測區域，能更有效地利用聲場能量。使用該檢測工藝參數，對小徑管進行缺陷響應仿真分析。

1.2 PAUT缺陷響應仿真

1.2.1φ2 mm長橫孔缺陷響應仿真分析

在建立好的工件模型中，預制一個長為10 mm，孔徑為2 mm的長橫孔，其模型如圖6所示。用1.1節中的檢測工藝參數在該模型上進行缺陷響應仿真分析，分析結果如圖7所示。

圖6 φ 2 mm長橫孔缺陷模型

圖7 φ 2 mm長橫孔缺陷響應仿真分析結果

由仿真分析結果可知，采用三次波能有效檢出φ2 mm的長橫孔，在折射角為53°時，缺陷反射波幅最大，最大波幅絕對值為0.103。

1.2.2 仿真噪聲信號水平

采用該聚焦法則，在對比試塊上對φ2 mm長橫孔進行檢測，測試該檢測工藝參數下的檢測信噪比n11。

n11=A01/A11

(1)

式中：A11為仿真噪聲信號水平；A01為缺陷反射波最大波幅。

小徑管實際測試結果如圖8所示，當一次波高調至80%時，噪聲信號波幅為5.8%;當三次波高調至80%時，噪聲信號波幅為11.4%，n11=7[5]。

圖8 小徑管實際測試結果

將仿真得到的φ2 mm長橫孔的波幅絕對值，實測的φ2 mm孔的Aφ 2(實際缺陷最大反射波幅)與A噪聲(實際噪聲信號水平)所得的n11代入到式(1)中，可得到該檢測工藝參數下的仿真噪聲信號水平A11=0.015。若缺陷信號幅值大于A11，表明該缺陷可檢出。

1.2.3 未焊透及坡口未熔合響應仿真分析

被檢工件容易在根部出現根部未焊透及坡口未熔合類缺陷，針對這種情況，分別在工件模型中設定兩種缺陷，缺陷參數如表1所示，缺陷模型如圖9所示。

表1 小徑管埋設缺陷參數

圖9 未熔合及未焊透缺陷模型

將1.1節中的檢測工藝參數代入建立的缺陷模型中進行分析計算，兩種缺陷的仿真檢測結果如圖10，11所示。

圖10 坡口未熔合仿真檢測結果

圖11 未焊透仿真檢測結果

由仿真分析可知，坡口未熔合及未焊透類缺陷均能用73°～75°大角度聲束的一次波檢測到，但存在漏檢的情況;三次波也均能檢測到，并且有效檢出，缺陷分析結果如表2所示。

表2 缺陷仿真檢測結果

由表2分析可知，根部坡口未熔合及根部未焊透的缺陷信號波幅(絕對值)分別為0.062與0.105，均大于A11(0.015)，說明該檢測工藝理論上可行。

2 模擬試驗驗證

采用ZETEC型相控陣設備，7.5M16型線陣探頭，將仿真得到相控陣超聲檢測工藝在對比試塊上進行調校，并在模擬試塊上進行檢測，將檢測結果與數字射線成像(DR)檢測結果進行比對，對檢測數據進行分析，分析結果如表3,4所示，成像結果如圖12,13所示。

表3 相控陣超聲檢測結果(驗證試驗)

表4 DR檢測結果(驗證試驗)

圖12 未焊透缺陷成像結果(驗證試驗)

圖13 未熔合缺陷成像結果(驗證試驗)

檢測數據表明，采用該相控陣超聲檢測工藝對蛇形管高加小徑管進行檢測，三次波可以有效檢測出模擬試塊中根部埋藏缺陷，而四次波可以對工件上表面檢測區域有效覆蓋，證明該檢測工藝初步可行。

3 結語

(1) 通過對蛇形高加小徑管的檢測工藝仿真分析，得到初步檢測工藝，再在模擬試塊上進行驗證，并得到優化后的檢測工藝，試驗結果表明，采用相控陣超聲檢測技術能有效檢出小徑管上的埋藏缺陷。

(2) 現場檢測過程中，可對聚焦法則中角度范圍的選擇、探頭距離焊縫中心前端的距離等關鍵工藝參數進行進一步優化，以完善小徑管相控陣超聲檢測工藝。

(3) 射線檢測技術能檢出的缺陷，采用相控陣超聲檢測工藝均能有效檢出。