朱國(guó)斌

摘 要：本文首先介紹了超聲相控陣技術(shù)的原理及特點(diǎn)，然后從管道對(duì)接焊縫、接管座角焊縫、汽輪機(jī)葉片葉根和小徑管缺陷的檢出等幾方面探討超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用，以期為超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在電力工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：超聲相控陣;常規(guī)超聲;電力工業(yè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0076-03

Application of Ultrasonic Phased Array Technology in

Non-destructive Testing of Power Industry

ZHU Guobin

（Datang Huazhong Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This paper first introduced the principle and characteristics of ultrasonic phased array technology， then discussed the application of ultrasonic phased array technology in power industry from the aspects of pipe butt weld， nozzle seat fillet weld， turbine blade root and small diameter tube defect detection， in order to provide reference for the development of ultrasonic phased array technology and its application in non-destructive testing of power industry.

Keywords： ultrasonic phased array;conventional ultrasound;power industry

無(wú)損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，無(wú)損檢測(cè)的重要性已得到公認(rèn)。超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)中的一個(gè)重要分支，與其他檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)具有適用性強(qiáng)、穿透力好、設(shè)備便攜、操作安全等優(yōu)勢(shì)，得到了較為廣泛的應(yīng)用[1，2]。超聲相控陣因其靈活的聲束形成以及快速成像性能得到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的研究熱點(diǎn)。

超聲相控陣技術(shù)的基本思想來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。初期，超聲相控陣技術(shù)僅應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。之后，隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中[3]。近年來(lái)，隨著壓電復(fù)合材料、微加工、微電子等技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展[4]。

1 超聲相控陣的原理及特點(diǎn)

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣技術(shù)是通過(guò)電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個(gè)陣元，按照一定的延遲時(shí)間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動(dòng)態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)損檢測(cè)的方法。換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個(gè)晶片稱(chēng)為一個(gè)單元，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個(gè)單元，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示[5]。

1.2 超聲相控陣檢測(cè)的特點(diǎn)

超聲相控陣不同的陣元組合與不同的聚焦法則相結(jié)合，形成了3種特有的工作方式：線(xiàn)性?huà)卟?、扇形掃查和?dòng)態(tài)深度聚焦。相控陣檢測(cè)系統(tǒng)是一種高性能的數(shù)字化儀器，可以對(duì)檢測(cè)全過(guò)程的信號(hào)進(jìn)行記錄，并且對(duì)信號(hào)處理后生成和顯示不同方向投影高質(zhì)量圖像，如B掃、C掃、D掃和S掃視圖。超聲相控陣技術(shù)可以檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，檢測(cè)范圍廣，定量、定位精度高;檢測(cè)數(shù)據(jù)容易儲(chǔ)存、搜索、調(diào)用方便;掃查裝置比較簡(jiǎn)單，容易操作和維護(hù);還可以形成實(shí)時(shí)的彩色圖像，便于缺陷評(píng)定。

2 超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 管道對(duì)接焊縫檢測(cè)

電廠(chǎng)管道特別是主蒸汽管道、再熱熱段蒸汽管道、主給水管道和再熱冷段蒸汽管道對(duì)接焊縫在運(yùn)行過(guò)程中承受著較高的溫度和壓力，一旦泄露，輕者造成機(jī)組停機(jī)，重者導(dǎo)致人身傷亡，因此，加強(qiáng)管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)顯得尤為重要。對(duì)接焊縫坡口一般有V型、U型、雙V型三種形式。

采用傳統(tǒng)的超聲波探傷方法對(duì)管道對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭要在焊縫兩側(cè)頻繁移動(dòng)，檢測(cè)過(guò)程十分復(fù)雜。采用相控陣超聲探頭檢測(cè)對(duì)接焊縫時(shí)，可通過(guò)掃描儀和編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊縫的全體積掃描。在檢測(cè)過(guò)程中，關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)由軟件自行設(shè)定，不需要更換探頭，不需要頻繁地來(lái)回移動(dòng)探頭，也不需要復(fù)雜的夾緊裝置。需要注意的是，只有保證探頭楔塊前端與焊趾之間的距離，才能保證探頭發(fā)出的聲束能覆蓋整個(gè)被檢截面，然后沿焊縫軸線(xiàn)縱向移動(dòng)即可完成檢測(cè)。

2.2 接管座角焊縫檢測(cè)

接管座角焊縫作為電站鍋爐檢驗(yàn)中的重點(diǎn)檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)部位，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響電站鍋爐運(yùn)行的安全可靠性。角焊縫在焊接過(guò)程中常出現(xiàn)未焊透、未融合和裂紋等面積型缺陷。由于超聲波檢測(cè)對(duì)此類(lèi)缺陷十分敏感，檢測(cè)靈敏度較高，常規(guī)超聲波檢測(cè)成為目前管座角焊縫常用的內(nèi)部檢測(cè)方法。但是，由于接管座角焊縫坡口形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，易受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式的影響，加之探測(cè)位置的局限，常規(guī)超聲波檢測(cè)面臨著缺陷信號(hào)識(shí)別難度大、缺陷的定位困難及難以確保焊縫完整覆蓋等問(wèn)題。

利用模擬仿真軟件，將超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于對(duì)管座角焊縫的檢測(cè)，并配備掃查器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比可知，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能確保檢測(cè)質(zhì)量。

2.3 汽輪機(jī)葉片葉根檢測(cè)

我國(guó)電站大型汽輪機(jī)裝機(jī)規(guī)模機(jī)組已成為主力機(jī)組，葉片工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，安全可靠性愈顯重要。汽輪機(jī)中要求最高、工作量最大的部件是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，每一個(gè)葉片的葉根在高溫、高壓、高速轉(zhuǎn)動(dòng)中，承受著數(shù)十噸甚至數(shù)百?lài)嵉碾x心力、彎力和扭力，使得轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中可能導(dǎo)致葉片葉根裂紋的產(chǎn)生，甚至導(dǎo)致葉根斷裂，對(duì)汽輪機(jī)安全可靠性造成威脅。

葉根、輪槽和鍵槽等的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用超聲波檢測(cè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，普通的單一探頭難以進(jìn)行檢測(cè)。運(yùn)用相控陣換能器對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，葉片可以不用拆卸，這不但可以提高檢測(cè)效率，而且還可以避免拆卸過(guò)程中產(chǎn)生損傷。菌型葉根外形如圖1所示。

菌型葉根有單菌、雙菌和三菌。根據(jù)受力分析，一般認(rèn)為第一槽處有較大應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。在檢測(cè)時(shí)，受常規(guī)超聲波檢測(cè)特點(diǎn)的影響以及葉根結(jié)構(gòu)所限，只能對(duì)第一齒根進(jìn)行檢測(cè)，即采用縱波和橫波在檢測(cè)面上對(duì)第一槽處進(jìn)行檢測(cè)，其余部位無(wú)法檢測(cè)，如圖2所示。

而采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)，可以在有限的范圍內(nèi)，使用較少的探頭實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的全面掃查，所用的專(zhuān)用相控陣超聲換能器如圖3所示。

采用超聲相控陣對(duì)菌型葉根進(jìn)行檢測(cè)，一般是檢測(cè)葉根的A區(qū)域和B區(qū)域。A區(qū)域指第1齒全部區(qū)域、第1槽全部區(qū)域、第2槽部分區(qū)域;B區(qū)域指第2槽部分區(qū)域、第2齒全部區(qū)域、第3槽全部區(qū)域、第3齒全部區(qū)域。A和B代表區(qū)域位置如圖4所示。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能識(shí)別葉根試件上的人工缺陷，并能對(duì)葉根第一齒進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，解決了大容量機(jī)組葉根超聲波檢測(cè)的難題，為電廠(chǎng)、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。菌型葉根扇掃下特征反射波成像如圖5所示。

2.4 小徑管檢測(cè)

火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐過(guò)熱器、省煤器、水冷壁、再熱器管稱(chēng)為鍋爐“四管”。一般情況下，受熱面管通常稱(chēng)為小徑管，所用直徑為32～89mm，管壁為4～12mm。近年來(lái)，超臨界、超超臨界機(jī)組不斷增多，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中受到的溫度、壓力不斷增加，對(duì)所用的小徑管質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。鍋爐“四管”因?yàn)殚L(zhǎng)期處于高溫、高壓的環(huán)境中，極易產(chǎn)生高溫蠕變、內(nèi)壁水側(cè)腐蝕、外壁向火側(cè)腐蝕、外壁侵蝕及磨損和疲勞，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致爆管事件，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給電廠(chǎng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

常規(guī)超聲檢測(cè)耦合性差、聲速擴(kuò)散、反射率低，只能以固定角度反射聲速，存在一定的盲區(qū)。同時(shí)，由于電站鍋爐小口徑管排比較密集，空間狹窄，不適合窄位置運(yùn)行，檢測(cè)效率和缺陷檢測(cè)效果不能滿(mǎn)足工作要求。

采用相控陣超聲檢測(cè)傳感器和楔塊設(shè)計(jì)，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鍋爐小口徑管道對(duì)接焊縫，可實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)鍋爐受熱面管道焊縫裂紋的多角度、盲區(qū)掃描，且檢測(cè)靈敏度高，可有效消除相關(guān)隱患。

另外，在電力工業(yè)建設(shè)和檢修中，對(duì)粗晶奧氏體鋼也可以使用超聲相控陣檢測(cè)，應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)可以檢測(cè)到不同深度的缺陷。

3 結(jié)語(yǔ)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道對(duì)接焊縫、接管座角焊縫、汽輪機(jī)葉片葉根和小徑管缺陷的檢出具有非常明顯的作用。近年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，且發(fā)展前景廣闊。超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展，會(huì)促進(jìn)難點(diǎn)問(wèn)題的解決，為電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，起到保駕護(hù)航的作用。

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