锅炉受热面小径管超声相控阵检测技术研究

2017-07-31王东江野刘文生贾少威王警卫朱国斌

综合智慧能源 2017年7期

关键词：楔块扫查声速

王东，江野，刘文生，贾少威，王警卫，朱国斌

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，郑州 450000)

锅炉受热面小径管超声相控阵检测技术研究

王东，江野，刘文生，贾少威，王警卫，朱国斌

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，郑州 450000)

依据超声相控阵检测技术原理，结合锅炉受热面小径管对接焊缝的特点，研制了专用的超声相控阵检测换能器和楔块，在PHASCAN型便携式超声相控阵仪上实现了小径管对接焊缝的二维成像检测。选择ø51mm×4mm的小径管人工缺陷进行验证，该检测技术能快速、直观、有效地检测出裂纹缺陷，可确保锅炉安全运行，防止爆管。

锅炉；受热面小径管；对接焊缝；超声相控阵检测；换能器；楔块

0 引言

火力发电厂锅炉受热面所用的直径小(32～89mm)且壁薄(4～12mm)的管子通常被称为小径管，随着超临界以及超超临界机组不断增加，机组运行温度、压力等参数不断提高，对电站锅炉用小径管的质量提出了更高的要求。小径管长期处于高温、高压环境下，极易产生蠕变、疲劳和腐蚀，进而引起严重的爆管事件[1]，严重威胁火电机组的安全稳定运行，同时还会给电厂带来巨大的经济损失。

对于小径管焊缝裂纹类缺陷，一般采用磁粉、渗透、超声等方法进行探伤。磁粉、渗透探伤对焊缝表面光洁度要求较高且只能检测表面或近表面缺陷，小径管管壁较薄不能过度打磨，焊缝表面光洁度一般无法达到要求，容易造成漏检。常规超声波探测时耦合不佳，声速扩散，反射率低，降低了检出率，检测时只能发射角度固定的声束，存在一定检测盲区；同时，由于电站锅炉小径管管排比较密集，空间狭小，操作受到影响[2]。因此，寻求一种新的小径管检测技术显得十分迫切。

本文通过理论分析，提出了一种专用超声相控阵检测换能器以及楔块，并在PHASCAN型便携式相控阵检测仪的基础上进行模块开发。

1 超声相控阵检测的原理和特点

超声相控阵检测技术是通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而进行超声波的波束扫描、偏转和聚焦[3]。这种检测技术可以产生不同形式的声束效果，模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以进行电子扫描和动态聚焦，无需或少移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查，且可检测复杂形状的物体[4]。与传统超声检测相比，超声相控阵检测技术在检测速度、缺陷定量准确性及降低作业强度等方面有着明显的优势[5]。设计专用的相控阵超声检测换能器和楔块，采用超声相控阵检测技术检测锅炉小径管对接焊缝，能够实现电站锅炉受热面管焊缝裂纹的多角度、无盲区扫查，检测灵敏度高，能有效排除此类隐患，对实现锅炉安全运行具有重要意义。

2 小径管对接焊缝超声相控阵检测工艺

2.1 换能器参数优化设计

超声相控阵换能器的性能对检测结果影响很大，换能器设计与制作是极为关键的技术。实际检测时，换能器多为均匀线阵，均匀线阵的主要参数包括换能器频率、换能器阵元数、阵元间距、阵元宽度、阵元尺寸和辐射角等。若换能器参数选用不合适，声场分布除了主瓣外还会出现栅瓣和较高的旁瓣。栅瓣是产生伪像的主要原因之一，旁瓣的出现一方面降低了主瓣的能量和系统的对比度分辨力，同时还可能会造成伪像。由于系统的横向分辨力主要取决于主瓣的宽度，所以减少主瓣宽度即可提高系统的横向分辨力。因此，相控阵换能器的主要设计原则即为最小化方向锐角，抑制旁瓣，消除栅瓣[6]。

电站锅炉受热面管曲率大、管壁薄，且受热面管子排列紧密，实际扫查空间较小，因此，换能器在满足检测的同时应尽可能小。通过研究分析，定制了自聚焦换能器7.5S16-0.5×10-D10，外形及尺寸如图1所示，主要参数见表1。换能器采用弧形晶片，具有周向自聚焦功能，能有效改善声场形状，如图2所示。

图1 换能器尺寸及外形

图2 换能器在小径管的声场形状

项目设计参数实测参数中心频率(-6dB)/MHz7．50(1±10%)7．43相对带宽(-6dB)/%≥60．0093．09脉冲长度/μs≤0．530．31均匀性灵敏度/dB±3．00+1．00/-1．38界面波和反射回波比值≤-60-62阵元数目1616阵元间距/mm0．50．5阵元间隙/mm0．10．1阵元宽度/mm1010

2.2 楔块的设计

电站锅炉受热面管管径小且排布紧密，除了对换能器有较高的要求外，还必须有专门定制的楔块来配合完成焊缝裂纹准确、快捷的成像检测。

本次试验楔块制作材料选择聚苯乙烯，楔块内声速为2 337m/s，楔块前段设有消声槽，镶嵌阻抗橡胶，可有效降低界面反射波的干扰。根据电站锅炉受热面管的实际情况，专门设计定制了SD10-N60S-IH-AODXX系列楔块，入射角度为39°，整体尺寸设计为18mm×22mm×12mm(长×宽×高)，如图3所示。

图3 SD10-N60S-IH-AOD60.33楔块

2.3 灵敏度的设置

将探头放在试块R2外弧面上并前后移动，使5mm深的ø1mm通孔反射信号移动到不同声速角度，增益至波高的80%，记录增益值。对8mm深的ø1 mm通孔重复上述步骤，得到探头在不同声速角度的灵敏度，见表2。由表2可知，声束角度80°时的直射波是整个扫查覆盖范围内灵敏度最低的地方，故选择声束角度80° 时8 mm深的ø1mm通孔反射波高80%时的增益值为检测灵敏度。

表2 不同声速角度的灵敏度 dB

图4 声速覆盖范围

图5 某电站锅炉高温再热器进口管屏焊缝裂纹

2.4 探头放置和声束覆盖范围设置

相控阵扇形扫查可扫查整个工件界面，而无需前后移动探头。对于4～12mm厚的受热面管焊缝，为实现直射波、一次反射波全覆盖扫查，需要较大的扫查角度，但增大声速偏转角度会降低灵敏度，因此需要进行模拟研究，找到一个扫查范围，既能满足全覆盖扫查的要求，又能保证一定的灵敏度。

在实际检测时一般应用超声波检测模拟软件ESBeamTool模拟不同扫查角度、不同探头放置位置时声速覆盖的情况。经分析，扫查角度为40°～80°，探头放置在距离焊缝中线δ±2 mm(δ为管壁厚)时，可以满足全覆盖扫查要求，对于4 mm和6 mm厚的焊缝，声速覆盖范围如图4所示。

3 小径管相控阵扫查分析

电站锅炉受热面管焊缝裂纹大多产生在焊缝边缘热影响区，内外侧均可能产生裂纹，如图5所示。

为了验证小径管对接焊缝检测系统对锅炉小径管焊缝的检测灵敏度，此次试验采用目前电站锅炉受热面中ø51mm×4mm的小径管制作了2个模拟裂纹缺陷对比试块，材质为T91，具体参数见表3。

超声相控阵检测可实现实时成像检测，在检测界面中导入绘制的焊缝坡口图形，就可实现小径管对接焊缝的成像检测，如图6所示。在小径管检测系统界面的相关功能菜单中选择相应的探头、楔块和工件类型，并完成超声基本参数和聚焦法则的设置，部分参数见表4。

对#1，#2对比试样A，B侧管壁进行扫查检测。将探头放在试样管壁外弧面上，探头前端离焊缝中心线(4±2)mm，以增益33dB为检测灵敏度，对试块的3处人工缺陷进行检测。探头不做前后移动，只在检测面上沿试块周向匀速移动，得到#1，#2对比试样A，B侧扫查检测结果，如图7～10图所示。在图中可以清楚地看到缺陷二次波反射回波图像，成像位置与缺陷所在位置一致，易于辨别。