电站锅炉管道焊缝超声相控阵检测技术探讨

王中亚， 倪满生， 陈安生， 王亦民

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司， 安徽 合肥 230031；2.国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽 合肥 230601)

电站锅炉管道焊缝超声相控阵检测技术探讨

王中亚1， 倪满生1， 陈安生1， 王亦民2

(1.中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司， 安徽 合肥 230031；2.国网安徽省电力公司电力科学研究院， 安徽 合肥 230601)

分析了电站锅炉管道焊缝超声检测的难点，介绍了超声相控阵检测技术，制定了检测工艺并进行实际应用，结果表明，相控阵技术具有缺陷图像显示直观、检测可靠性高的优点，发展潜力巨大。

电站锅炉；管道；焊缝；相控阵

0 引言

电站锅炉管道通常指四大管道，即主蒸汽管、高温再热蒸汽管、低温再热蒸汽管和主给水管，其超声波检测是定期检验和金属监督检验的重点抽查项目。管道焊缝的常规超声检测主要存在以下难点：(1)内壁情况难以查明，因内壁台阶、焊缝成形不良等因素导致的干扰回波较多；(2)三通、弯头对接焊缝一般只能单面单侧进行检测，且三通和弯头多为铸件，对检测亦有影响。由此可见，管道的常规超声检测判伤困难，缺陷的识别对人员的技术经验要求极高，不足以保障检测工作质量，因此需要寻求一种缺陷显示直观、尽量降低非客观因素影响的检测方法。

相控阵技术是超声波检测的新型技术，近年来发展很快[1]，它能实现工件和缺陷的A、B、C、S扫描多种显示，为缺陷的评定提供了丰富的信息源，是一种可记录的无损检测方法。本文介绍了电站锅炉管道焊缝相控阵检测的初步应用。

1 超声相控阵检测系统

超声相控阵检测技术通过控制电子激发时间改变探头性质，使声束一次性覆盖整个检测面，检测过程中无需移动探头或移动量很小即可完成检测，大大提高了检测可靠性。由于相控阵检测是“一次性扫查”，要求不同深度和角度的检测灵敏度相同，即不同深度和角度的相同大小的缺陷显示应相同，因此选择的超声相控阵检测系统应具有深度和角度增益补偿功能。另外，为了提高检测精度和降低缺陷识别难度，相控阵检测系统还应具有多次反射回波叠加功能和工件结构仿真功能。本文选择了以色列ISONIC 2009超声相控阵成像检测系统进行试验研究及检测应用。

2 管道焊缝相控阵检测工艺

电站锅炉四大管道用钢一般为轧制，声速差异不大，一般可按普通铁素体钢看待。本文仅对管道焊缝纵向缺陷的检测方法进行探讨，横向缺陷的检测涉及管道曲率的变化，探头选择及工艺制定均需要考虑更多因素，不在本文讨论范围。

2.1 探头及楔块

相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单独调节、以控制声束轴向和焦点等参数的晶片阵列。根据晶片阵列型式的不同可分为线阵和面阵两种。通过改变探头晶片的聚焦法则可实现波束的聚焦和偏转，这也是相控阵技术能进行一次大面积扫查的基本原理。

在相控阵探头各种参数中，跟实际应用密切相关的主要是频率、晶片数和楔块参数。一般来讲，可激发晶片数越多，探头功率越强，尺寸也越大，应根据被检工件的尺寸大小选择合适的晶片数，对于四大管道一般选择32晶片的探头。相控阵探头配以不同种类的楔块可实现纵波、横波的检测。本文选择的探头是5MHz、32晶片探头，配以36°折射角的楔块，相关参数见图1。

2.2 检测灵敏度

目前国内电力行业超声相控阵检测尚未有相关的技术标准，检测灵敏度的确定可参照常规超声波检测所依据的标准，比如电力标准DL/T 820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》。灵敏度校准可采用GB/T 23905-2009《无损检测 超声检测用试块》附录B规定的RB系列对比试块，也可采用其他有效方法。

采用RB-3试块确定的检测灵敏度见图2，将φ3×40mm横孔反射波调到满屏幕的60%～80%作为基准灵敏度。由图2可看出，深30mm、70mm、110mm的φ3横孔的显示基本相同，最高回波均在60%左右，表明在声束范围内各角度和深度的检测灵敏度基本一致，可以保证不会发生因灵敏度不一致造成的漏检，所选择的超声相控阵检测系统满足要求。

2.3 焊缝工艺参数

管道焊缝检测首先应确定焊接方法和坡口型式，同时应尽量查明焊缝成形情况。一般地，工厂制造焊缝多为自动焊，成形较好；现场安装焊缝多为手工焊，应注意分析焊缝成形情况对检测结果的影响。管道焊缝坡口型式一般以V型、双V型较为常见。

焊缝工艺参数主要包括焊缝坡口型式、厚度、宽度、余高等，具体设置见图3。

2.4 扫查方法

与常规超声波检测不同，相控阵检测过程中无需频繁地前后移动探头，只需确定探头楔块前端与焊趾的距离，保证探头发射的声束能覆盖整个被检截面，然后沿着焊缝轴线方向纵向移动即可完成检测。

由图3可知，可通过设置“探头位置”参数，改变探头楔块前端与焊趾的距离，使发射声束覆盖所要检测的区域。实际检测过程中，可通过使用定位磁条保证“探头位置”不变，同时为保证缺陷定位定量准确，应接上编码器，然后沿着焊缝轴线平行移动探头进行检测。

3 管道焊缝的相控阵检测应用

某电厂管道焊缝的相控阵检测结果见图4，C扫描成像的长度是焊缝沿焊缝轴线展开的长度。焊缝中存在两处缺陷，缺陷1指示长度31mm，最大反射波幅为横孔φ3+5dB，缺陷2指示长度19mm，最大反射波幅为横孔φ3-2dB，从C扫描图像中还可以测量得到缺陷的深度、位置等信息。

应用相控阵检测技术不仅可以实现工件的A、B、C扫描成像，而且可以实现缺陷的三维成像，显示更为直观，见图5。相控阵检测系统具有的焊缝仿真功能，能够直观地看出缺陷在焊缝中的位置，缺陷识别难度降低，能有效地防止缺陷误判。与常规超声检测相比，相控阵探头仅沿一个方向移动即可，移动量更少，降低了人员操作因素对检测结果准确性的不利影响，增强了检测可靠性。

4 结论

本文介绍了电站锅炉管道的相控阵检测技术，制定的检测工艺在电厂管道上进行了一定的实际应用，结果表明，相控阵检测技术缺陷图像显示直观，降低了缺陷识别难度，检测可靠性高。相控阵检测技术发展潜力巨大，待相应的行业技术规范出台后，必将得到大规模的推广应用。

[1] 李衍.相控阵超声检测国际动态[J].无损检测，2009，31(1)：56-60.

[责任编辑：薛宝]

Discussion on Ultrasonic Phased Array Inspection of Pipe Butt Weld for Utility Boiler

WANGZhong-ya1,NIMan-sheng1,CHENAn-sheng1,WANGYi-min2

(1.ChinaDatangCorporationScienceandTechnologyResearchInstituteCo.,Ltd.EasternChinaBranch,Hefei230031,China； 2.StateGridAnhuiElectricPowerResearchInstitute,Hefei230601,China)

The paper analyzes the problems of UT inspecting pipe butt weld used for utility boiler and introduces ultrasonic phased array inspection technology. In addition, PA inspection procedure for pipe butt weld is made and applied. The results conclude that PA has the advantage of intuitional defect images and high reliability. PA technology enjoys a great potential for development.

utility boiler; pipe; butt weld; phased array

2015-06- 10

王中亚(1986-)，男，安徽阜阳人，中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，工程师，硕士，从事超声检测工艺及仿真技术的研究。

TM595

B

1672-9706(2015)03- 0053- 03