相控阵技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用

刘天佐，张传清，王纪刚，种建鹏华电国际电力股份有限公司；西安金果能源动力设备检测有限公司；长庆油田第一采油厂信息中心

相控阵技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用

刘天佐1，张传清1，王纪刚2，种建鹏3
1华电国际电力股份有限公司；2西安金果能源动力设备检测有限公司；3长庆油田第一采油厂信息中心

摘要：分析了联箱接管座管孔内壁裂纹无损检测方法的选择及超声相控阵技术的特点，介绍了超声相控阵技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用。从应用结果看出，相控阵技术是联箱接管座管孔内壁裂纹检测的最佳方法，能极大地提高检测效率，降低劳动强度，节省检测成本。

关键词：联箱接管座管孔内壁裂纹；相控阵技术

Subject:Header over the tube hole wall crack；Phased Array Technology

1　联箱接管座管孔内壁裂纹

1.1联箱

联箱布置于炉膛上部(顶棚过热器之上)的大包内，纵向布置。每根联箱有几十个到几百个管座。典型的联箱规格钢号：Φ 368×60/12Cr1MoV，管座规格钢号：Φ44.5×7/T23，展开图见图1，结构尺寸见图2。管座间距非常小（轴向：106.8-44.5=62.3mm；周向：64.2x2=128.4mm）。

图1：联箱展开图

图2：联箱结构尺寸图

1.2联箱接管座管孔内壁裂纹

图3：管座截面图

锅炉经过长时间的运行后，由于压力、高温、热胀冷缩、震动等外因，加上联箱开孔及材料本身缺陷的内因，共同作用下，联箱管座开孔处，会形成径向裂纹。这些裂纹最大的特征，是和联箱径向方向一致，围绕开孔周围整圈，有的裂纹仅仅在联箱主管上，有的裂纹扩展到和支管连接的焊缝中。管座结构图截面图见图3，裂纹实物例图见图4。

图4：裂纹实物例图

2　联箱接管座管孔内壁裂纹的传统检测方法

金属传统检测方法有超声波检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测。当然还有各种各样的裂纹传感器检测方法如磁记忆法等，但是传感器的方法更不成熟，也没有规范化，在实际应用中，难以普遍推广。

超声波检测及射线检测主要用于检测金属内部的裂纹，夹渣，气孔等缺陷，磁粉检测、渗透检测和涡流检测只能检测金属表面或近表面的裂纹，夹渣，气孔等缺陷，因而不使用于联箱接管座管孔内壁裂纹缺陷的检测。超声波检测及射线检测虽然使用于金属内部缺陷的检测，但是他们也有各自的局限性。

2.1传统的超声检测UT

传统的超声检测采用单晶片探头发散声束。在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率。但是对于像联箱接管座管这样的复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况下，用传统的超声波方法检测联箱接管座管孔内壁裂纹是无法实现的。

2.2传统的射线检测RT

传统的射线检测，能比较直观的对缺陷定性和定量，底片也可以长期保存。但是对于裂纹这种面型缺陷，随着被检工件的厚度增加，检测灵敏度急剧下降。特别是检测像联箱接管座管这样的结构，由于联箱壁厚大（60-100mm），又是T型结构，射线检测方法几乎无法实施，就是勉强进行局部检测，裂纹检出率也几乎是零。

2.3传统的磁粉检测MT

磁粉检测是利用工件缺陷处的漏磁场与磁粉的相互作用，它利用了被检工件表面和近表面缺陷（如裂纹，夹渣，发纹等）磁导率和被检工件表面磁导率的差异，磁化后这些材料不连续处的磁场将发生崎变，形成部分磁通泄漏处工件表面产生了漏磁场，从而吸引磁粉形成缺陷处的磁粉堆积——磁痕，在适当的光照条件下，显现出缺陷位置和形状，对这些磁粉的堆积加以观察和解释，就实现了磁粉探伤。所以说，磁粉检测只能检测铁磁性材料的表面及近表面缺陷，显然无法检测联箱接管座管孔内壁裂纹这样的缺陷。

2.4传统的渗透检测PT

渗透检测是利用毛细现象检查材料表面缺陷的一种无损检验方法。渗透探伤包括荧光法和着色法。荧光法是将含有荧光物质的渗透液涂敷在被探伤件表面，通过毛细作用渗入表面缺陷中，然后清洗去表面的渗透液，将缺陷中的渗透液保留下来，进行显象。着色法与荧光法相似，只是渗透液内不含荧光物质，而含着色染料，使渗透液鲜明可见，可在白光或日光下检查。渗透检测可广泛应用于检测大部分的非吸收性物料的表面开口缺陷，而对于联箱接管座管孔内壁裂纹这样的缺陷，用渗透检测这一方法，无能为力。

2.5传统的金属磁记忆检测MMT

金属磁记忆检测技术是一种利用金属磁记忆效应来检测部件应力集中部位的快速无损检测方法。铁磁性金属零件在加工和运行时，由于受载荷和地磁场共同作用，在应力和变形集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。金属构件表面的这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集巾的位置，即所谓的磁记忆效应。

金属磁记忆检测能够对铁磁性金属构件内部的应力集中区，即微观缺陷和早期失效和损伤等进行诊断，防止突发性的疲劳损伤，但是，对于联箱接管座管孔内壁裂纹这样的缺陷，金属磁记忆检测无法定性定位，也没有规范化，在实际应用中，难以普遍推广。

3　相控阵技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用

3.1相控阵原理

相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

波束聚焦是通过软件控制每一个晶片的触发时间，使波前在指定位置叠加实现的。焦点取决于所用晶片的大小和数量以及晶片的激发频率。

波束的偏转是通过软件控制每一个晶片激发的延时使波阵面沿特定角度传播来实现的。

3.2相控阵技术特点

1)由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变，通过控制延迟时间来控制偏转角度和焦点，所以该技术具有声束角度可控和可动态聚焦两大特点，从而实现了复杂结构件和盲区位置缺陷的检测。

2)通过局部晶片组合实现声场控制，无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，可实现高速扫描；配置机械夹具，可对试件进行高速、全方位和多角度检测。

3)采用同样的脉冲电压驱动每个阵列单元，聚焦区域的实际声场强度远大于常规超声技术，从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率。

4)检测结果以图像形式显示，即采用A扫描、B扫描、C扫描及TOFD等显示方式；具有能实时评定缺陷的优点。

4　联箱接管座管孔内壁裂纹的相控阵检测方法

4.1扫查覆盖

制作专用探头和楔块，通过控制偏转角度、聚焦类型、声速角度-起始角度，用一次波及二次波进行检测，使得声波全面覆盖整体联箱截面。

目标读者是阅读推广的服务群体，品牌定位首先要确定的是目标服务群体。比如高校馆一般是大学生，当然还可以细分为本科生、硕士生、博士生，但其整体素质差别不大，群体需求接近。但公共馆的目标群体则是多样化的，从学龄前儿童到银发老人，各群体服务需求差距比较大。因为品牌定位后的服务基本是为特定群体量身定做的产物，所以需求接近的群体比较适合囊括在一个品牌下，图书馆要对他们的阅读需求进行详尽的分析，并抓住他们的需求来设计推广活动。

4.2扫查方式

由于联箱是直径为368mm的圆桶，轴向扫查和周向扫查方式不能一致，轴向扫查必须用一次波及二次波分别扫查，轴向用一次波扫查即可。

4.3探头位置

探头中心应对准联箱接管座管孔内壁，而不能对准小管中心。否则，会造成误判和漏检。

4.4探头移动

探头按照椭圆轨迹移动，椭圆轨迹要根据探头声束特性及被检管座几何尺寸计算，并且保持主声束对准探头中心应对准联箱接管座管孔内壁，并做5度摆动。

4.5检测次数

4.6缺陷位置

对于曲面试件，可以根据缺陷所处的声程和探头折射角度计算缺陷的位置，也可以采用检测仪器内的曲面焊缝软件自动对焊缝中的缺陷位置进行修正。

4.7检测探头

检测探头参数较多，选择原则主要是，在声程能够满足的前提下，频率越大越好，楔块越小越好，在检测空间满足的前提下，阵元数越多越好。实际检测时要根据被检工件的规格及探头性能进行实际测试。

4.8检测主机

要使用便携式超声相控阵设备。如以色列Sonotron NDT公司生产的相控阵设备，通用电气公司（General Electric Company，简称GE，又称奇异公司生产的相控阵设备，オリンパス株式会社Olym⁃pus Corporation生产的相控阵设备，德国SONOTRONIC生产的相控阵设备，汕头超声仪器研究所(SIUI)生产的相控阵设备，多普乐电子有限公司生产的相控阵设备等。

5　联箱接管座管孔内壁裂纹的相控阵检测应用图例

6　结论

1)相控阵技术可任意设定偏向角和聚焦深度的声束，能使检测条件最佳化。

2)检测结果以图像形式显示，即采用A扫描、B扫描、C扫描及TOFD等显示方式；具有能实时评定缺陷的优点。

3)采用便携式相控阵检测优势显著，诸如检测速度快、效率高、定量精度高及分析缺陷容易等，它是一项既有挑战性又极具发展前途和推广价值的新技术。

4)对检测人员素质要求比较高，既要有丰富的实际经验，又要有熟练的电脑操作能力。对图形的识别要积累经验，才能准确的评定检测结果。

总之，通过相控阵技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用研究，指明了常规磁粉、渗透或磁记忆检测方式无法对联箱接管座管孔内壁裂纹等缺陷检测的原因，找到了联箱接管座管的最佳检测方式方法，是相控阵检测技术在联箱接管座管孔内壁裂纹检测中的应用创新。

Abstract:Analyzing the characters of ultrasonic Phased Array technology and the choice of NDT methods for Header over the tube hole wall crack,introducing the applications of this technology in Header over the tube hole wall joints inspection.These applica⁃tions result in much better inspection efficiency,lower work intensity and less cost.