吳志波 劉勇 陳小明 劉思維 周振興

摘? 要：集箱是電站鍋爐的重要部件，其管座角焊縫質(zhì)量關(guān)系著鍋爐的正常運(yùn)行。因?yàn)閭鹘y(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)的局限性，在集箱制造過程中缺乏對(duì)小徑管管座角焊縫內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)手段。近年來隨著超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展，其在鍋爐和壓力容器等特種設(shè)備制造中應(yīng)用愈加廣泛。該文通過對(duì)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在集箱小徑管管座角焊縫上的應(yīng)用研究，為其在同類型產(chǎn)品上的應(yīng)用提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐;集箱;超聲相控陣檢測(cè);管座角焊縫

中圖分類號(hào)：TB559/TG115.28? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電站鍋爐上，集箱通常與水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器以及連接管道相連，起著工作介質(zhì)的匯集和分配的作用[1]。制造過程中，如果在管座角焊縫內(nèi)部存在超標(biāo)缺陷，在鍋爐啟停和運(yùn)行過程中，就存在擴(kuò)展并發(fā)展為疲勞裂紋的危險(xiǎn)性。但是針對(duì)小徑管管座角焊縫的內(nèi)部質(zhì)量，無損檢測(cè)人員缺乏有效的檢測(cè)手段。按照TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，對(duì)于接管外徑>108 mm的管座角焊縫，應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，接管外徑<108 mm的管座角焊縫，僅進(jìn)行20%的表面檢測(cè)。

近年來，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)因其對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)缺陷定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是受限于特種設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，目前在鍋爐和壓力容器制造過程中，多由各制造單位基于自身的產(chǎn)品特點(diǎn)和需求，開展超聲相控陣檢測(cè)應(yīng)用研究。該文針對(duì)集箱小徑管管座角焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)工藝，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和制造檢測(cè)中，取得了良好的檢測(cè)效果。

1 背景介紹

常見的管座角焊縫有插入式和安放式2種結(jié)構(gòu)，電站鍋爐集箱上大量的小徑管（接管外徑<108 mm）管座角焊縫多采用安放式結(jié)構(gòu)焊接。當(dāng)采用傳統(tǒng)脈沖反射式超聲技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)采用短前沿、小晶片的高頻探頭，在相近曲率的試塊上進(jìn)行校驗(yàn)。同時(shí)還需要經(jīng)驗(yàn)豐富的超聲檢測(cè)人員對(duì)多次反射波的信號(hào)及其變形波進(jìn)行甄別，通過良好的掃查手法來確保耦合。

但在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，相鄰小徑管管距過小，管身過長(zhǎng)，限制了檢測(cè)人員的掃查空間，甚至無法保證全程良好耦合。小徑管通常壁厚較薄，多次反射波不僅造成聲束多次擴(kuò)散，降低了信噪比，還產(chǎn)生了大量的變形波和結(jié)構(gòu)信號(hào)，使有效信號(hào)不易識(shí)別。同時(shí)為了提高焊接效率，通常制造單位會(huì)采用“非全焊透焊接結(jié)構(gòu)”，由此產(chǎn)生的根部信號(hào)會(huì)掩蓋可能產(chǎn)生的缺陷回波。因此，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方式很難對(duì)小徑管管座角焊縫進(jìn)行有效檢測(cè)。

2 超聲相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)起源于相控陣陣?yán)走_(dá)，并最早應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。近年來，隨著微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)展，超聲相控陣逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域。相控陣所用的探頭通過對(duì)整個(gè)壓電芯片進(jìn)行分割，得到形狀、尺寸相同或相似的許多小芯片，每個(gè)小芯片稱為一個(gè)陣元，將這些單個(gè)陣元按一定的法則進(jìn)行順序排列，即組成相控陣換能器。每個(gè)小芯片可視為輻射柱面波的線狀波源，這些線狀波源的波陣面就會(huì)產(chǎn)生波的干涉，形成整體波陣面[2]。

基于陣元的不同排布方式，發(fā)展出了線陣、環(huán)陣、面陣等多種相控陣探頭。超聲相控陣是基于Huygens-Fresnel原理，由各個(gè)陣元發(fā)出的超聲波經(jīng)過干涉形成預(yù)期的聲束。以同一頻率的脈沖激發(fā)各個(gè)陣元，并對(duì)各個(gè)陣元的激發(fā)時(shí)間施加一定的延遲，于是各陣元的發(fā)射聲波產(chǎn)生了相位差，從而影響干涉結(jié)果，即可以形成偏轉(zhuǎn)及聚焦聲束。各陣元的激發(fā)延時(shí)一般被稱為聚焦法則或延時(shí)法則[3]。通過選擇合適的聚焦法則，超聲相控陣能在檢測(cè)時(shí)獲得良好的信噪比、分辨力。

超聲相控陣的探頭設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化及后期處理都可以通過仿真建模進(jìn)行，目前主要的仿真建模方法有瑞利積分法、多元高斯法。其中多元高斯法通過多個(gè)單高斯型聲束的疊加得到圓盤輻射源的聲場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上得出擴(kuò)展多元高斯聲束模型[3]。其仿真計(jì)算量小，且仍具有較高的精度，因此得到了較多的研究及應(yīng)用。得益于處理器性能的發(fā)展和理論研究的深入，近幾年更多先進(jìn)的增強(qiáng)算法已經(jīng)逐步應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，例如基于全矩陣數(shù)據(jù)采集（FMC）的全聚焦技術(shù)（TFM）和基于多接收陣元相干疊加的合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）。

3 檢測(cè)工藝開發(fā)

3.1 工藝仿真

目前可進(jìn)行超聲相控陣仿真的軟件平臺(tái)主要有MATLAB、COMSOL、CIVA等，前兩者多用于數(shù)學(xué)建模和物理場(chǎng)仿真，后者是無損檢測(cè)的專用仿真軟件。由于該公司采用ZETEC公司的相控陣檢測(cè)設(shè)備（型號(hào)TOPAZ-32/128PR）進(jìn)行檢測(cè)，因此使用該設(shè)備隨機(jī)軟件UltraVision 3進(jìn)行工藝仿真。

以規(guī)格φ89 mm×9 mm的接管為例建立3D模型，設(shè)置一環(huán)形面狀缺陷以模擬焊接裂紋（圖1），從接管側(cè)對(duì)焊 縫進(jìn)行掃查。通過設(shè)置不同的聚焦方式和角度范圍計(jì)算聚焦法則，觀察聲束線對(duì)待檢區(qū)域的覆蓋情況。結(jié)果表明，扇掃角度范圍設(shè)置為35°～80°，采用半聲程聚焦，通過一次波和二次波可以有效覆蓋焊縫區(qū)域，同時(shí)能確保聲束線垂直通過模擬缺陷。

在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)置的聚焦法則進(jìn)行聲場(chǎng)仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后軟件會(huì)在不同視圖中顯示可視化仿真圖像（圖2）。圖像通過不同顏色區(qū)分聲場(chǎng)強(qiáng)度，檢測(cè)人員可以直觀地確認(rèn)有效聲場(chǎng)的覆蓋范圍，從而確保檢測(cè)時(shí)的信號(hào)靈敏度。

3.2 工藝制定

TOPAZ-32/128PR可同時(shí)激發(fā)32個(gè)探頭晶片，但對(duì)小徑管管座角焊縫來說，其檢測(cè)空間十分有限，晶片數(shù)量并非越多越好。結(jié)合仿真結(jié)果，我們選擇AT系列探頭，其為16晶片一維線性相控陣探頭，孔徑為8 mm×10 mm。通過選擇合適的晶片次軸曲率以適配接管管徑，可以確保探頭和掃查面的良好耦合。結(jié)合探頭的自聚焦特性，合理設(shè)置聚焦法則，可以獲得較好的靈敏度和信噪比。由于小徑管壁厚較薄，為了獲得更好的聚焦能力和分辨力[2]，選擇了7.5 MHz頻率的探頭。

對(duì)應(yīng)的應(yīng)選擇與探頭曲率相匹配的楔塊，原則上楔塊邊緣與被檢工件接觸面的間隙應(yīng)不超過0.5 mm。更換探頭楔塊后，應(yīng)變更儀器中的楔塊參數(shù)設(shè)置，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)重新校準(zhǔn)和復(fù)核，以確保聚焦法則的精度。

掃查裝置采用Circ-it小徑管掃查器，該掃查裝置內(nèi)置編碼器，整體采用可拆裝鏈?zhǔn)皆O(shè)計(jì)，可根據(jù)檢測(cè)接管外徑自由調(diào)節(jié)。檢測(cè)人員掃查時(shí)只需手握掃查器沿接管周向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可完成數(shù)據(jù)采集。一方面探頭轉(zhuǎn)動(dòng)過程受力均勻，移動(dòng)軌跡穩(wěn)定，確保了數(shù)據(jù)質(zhì)量。一方面檢測(cè)人員操作難度大幅降低，在狹窄空間中也可獨(dú)立完成檢測(cè)（掃查布置如圖3所示）。

校準(zhǔn)采用GS系列標(biāo)準(zhǔn)試塊。首先用R25和R50圓弧進(jìn)行聲速校準(zhǔn)以調(diào)整時(shí)基線。之后采用不同深度的φ2 mm橫通孔在TCG模式下調(diào)整靈敏度，并分別設(shè)置評(píng)定線、定量線、判廢線。將定量線設(shè)置為滿屏高度的80%，作為初始掃查靈敏度。

掃查范圍參照仿真工藝設(shè)定為35°～80°，角度步進(jìn)為0.5°，整體掃查步進(jìn)設(shè)置為0.5 mm。

初始掃查時(shí)，采用聲程聚焦，設(shè)置在工件最大探測(cè)聲程處。當(dāng)需要在特定區(qū)域獲取更高靈敏度和分辨率時(shí)，可將焦點(diǎn)設(shè)置在感興趣的區(qū)域。

檢測(cè)前還應(yīng)對(duì)位置傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和記錄，確保誤差<1%。

4 工藝驗(yàn)證與應(yīng)用

采用該工藝設(shè)置在集箱小徑管管座角焊縫上進(jìn)行檢測(cè)，從檢測(cè)圖像（圖4）可以看出由于采用了非全焊透結(jié)構(gòu)形式焊接，焊縫根部存在固定信號(hào)。為了便于定位，將接管端部位置設(shè)置在扇掃顯示-5 mm位置，然后根據(jù)焊縫余高確定前端距。

我們參照工藝仿真情況，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)效果，制訂了評(píng)定驗(yàn)收規(guī)則。根據(jù)焊縫存在的缺陷類型、缺陷波幅的大小以及缺陷的指示長(zhǎng)度來進(jìn)行評(píng)定。對(duì)于危害性缺陷合、超過判廢線、超過定量線且長(zhǎng)度超標(biāo)、自身高度可測(cè)量且超標(biāo)的缺陷顯示，評(píng)為不合格。

某項(xiàng)目集箱現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)發(fā)生管接頭泄漏，我們按照前述流程執(zhí)行檢測(cè)工藝，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并對(duì)存在超標(biāo)缺陷的接管解剖驗(yàn)證（圖5～圖8）。

如圖5、圖7所示，右上方為相控陣扇形掃查視圖，X、Y軸為分別沿接管和筒身方向建立的位置坐標(biāo)，單位為毫米（mm）。左上方為沿扇掃視圖指針角度方位的A掃視圖，X軸為沿聲程方向的距離，單位為毫米（mm），Y軸為回波幅度，單位為百分比（%）。左下和右下為相控陣B掃和C掃視圖，X軸為沿接管周向的位置，單位為角度（deg），Y軸分別為沿接管長(zhǎng)度方向和接管壁厚方向的位置坐標(biāo)，單位為毫米（mm）。

通過對(duì)焊縫的解剖發(fā)現(xiàn)，焊縫對(duì)應(yīng)位置缺陷的長(zhǎng)度、深度和自身高度與檢測(cè)圖譜的測(cè)量值基本一致，檢測(cè)結(jié)果表明超聲相控陣檢測(cè)成像直觀，分辨力高，可靠性好。

5 結(jié)語

該文提出了一種集箱小徑管管座角焊縫的可靠檢測(cè)工藝，工程實(shí)踐證明，該工藝針對(duì)性強(qiáng)、可操作性好。在集箱制造階段，通過對(duì)小徑管管座角焊縫按一定比例開展超聲相控陣抽檢，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，也為該方法在類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品上的應(yīng)用提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

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