再热器顶棚穿墙管焊缝裂纹相控阵检测

2017-10-16刘广兴

山东电力技术 2017年9期

关键词：声束顶棚热器

刘广兴，陈聪，刘文

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003）

再热器顶棚穿墙管焊缝裂纹相控阵检测

刘广兴，陈聪，刘文

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003）

分析再热器顶棚穿墙管焊缝裂纹产生的原因，选择合理的检测方法，制定相控阵检测工艺对穿墙管焊缝进行检测，并对检测结果进行分析和验证。结果表明，相控阵技术在穿墙管焊缝裂纹检测方面具有明显的技术优势，有利于缺陷的识别和判定。

再热器；焊缝裂纹；相控阵检测

Abstract:The causes of the weld crack on the ceiling sealing structure are analyzed for choosing suitable detection method.The detection procedure of ultrasonic phased array is developed and tested.The data acquired is analyzed and validated.The experimental result shows that the ultrasonic phased array technology is very suitable for the detection of the welding crack on the ceiling sealing structure and has its accuracy proved on judging the degree of the defects.

Key words:boiler reheater；the welding crack；detection of phased array

0 引言

发电厂锅炉再热器管属于小径管的范畴，承受较高的温度和压力，其焊接质量直接关系到锅炉的安全运行。一旦焊接质量不合格造成爆管，导致机组非停，会造成重大经济损失［1］。

某电厂8号机组采用哈锅厂制造的HG-1025／18.2-PH型号的锅炉，其最大连续蒸发量为1 025 t／h，于1990年12月投产。该锅炉在大修水压试验时，发现三级再热器管排与顶棚密封板焊接处有3根管子有泄漏现象，把密封板割除后，发现密封板下面的这3根再热器管子已经开裂，裂纹长度已达到管子周长的1／2，而且切开管子从内壁看，均已完全裂透。该问题的发现使得原定的开机计划，被迫延迟。该锅炉三级再热器的规格为Φ63.5 mm×4.5 mm，材质是102钢，其裂纹形貌如图1所示。

图1 三级再热器裂纹

1 原因分析及检测方法选择

3根开裂的三级再热器管子位于再热器入口联箱炉左最外侧一屏，西往东数第7、8、9根。裂纹位于三级再热器管排与顶棚密封板焊缝的下面，三级再热器管与顶棚密封采用折边式梳形板密封结构［2］，如图2、图3所示。根据相关文献的实验及分析可以知道，其焊缝处开裂的根本原因是搭接接头疲劳强度很低，在结构几何应力作用下导致开裂，裂纹优先发生于顶棚密封板和再热器管形成的几何应力较大处［3］。从裂纹形貌和结构可以发现，开裂裂纹位于顶棚密封板与再热器管密封焊缝（以下简称穿墙管焊缝）的熔合线处，在蠕变与疲劳交互作用下［4］，由外壁往内壁扩展，且发展方向与穿墙管焊缝走向一致。

考虑到该锅炉三级再热器、二级再热器、三级过热器、四级过热器等与顶棚密封板的焊接结构都是相同的，所以其他管排此处位置焊缝也存在安全隐患，因此需要对此处位置进行相关检验。因结构的原因，在此处无法使用射线检测方法，而且管道的裂纹处在密封板遮挡下，也无法进行磁粉、渗透等表面检测，所以此处选用相控阵技术进行检测。

图2 三级再热器与顶棚密封结构

图3 三级再热器与顶棚密封现场结构

相控阵是无损检测的一种比较先进的检测技术，通过控制阵列探头各个阵元的接收与发射的延迟时间，从而实现超声波的偏转、聚焦等各种扫描效果，最终在扫描范围内实现高分辨率的缺陷成像［5］。

2 相控阵检测工艺选择

2.1 检测设备选择

检测设备选用多浦乐Phascan多功能超声相控阵成像检测系统。该设备采用32通道接收、独立64通道发射的先进结构模式，可实现线性、扇形两种扫查方式及真实深度、半声程、投影、任意面4种聚焦方式的检测。

再热器管壁厚只有4.5 mm，考虑检测分辨率因素的影响，探头频率的选择尽量大一些；同时，小径管曲率大，周向声束扩散严重，探头晶片形状可选择周向弧形以产生自聚焦的效果，从而提高周向的分辨率及灵敏度；考虑工件曲率、声束聚焦和偏转的能力以及加工的难易程度等各方面情况，对再热器穿墙管焊缝检测，可选择16晶片的探头。综上所述，此处检测可以采用型号7.5S16-0.5×10的相控阵探头。

此处穿墙管焊缝检测需要利用大角度横波声束来实现，所以对相控阵探头必须加工合适的斜楔块，以产生满足范围的横波声束角度，此处检测采用60°斜楔块与相控阵探头配合使用，同时考虑到小径管曲率大，为减小探头与试样管之间的耦合损失，楔块的接触面应加工成与试样管曲率相近的形状。

2.2 相控阵参数设置

设置扇形扫查的角度为30°～70°，步进0.5 dB，聚焦类型选择真实深度，聚焦深度设置在9 mm，同时激发晶片数16个。利用DL／T 820—2002标准里的DL-1试块进行楔块延迟和灵敏度的校准，使得深度8 mm处的Φ1 mm横通孔在不同的聚焦法则（即不同的声束角度）下得到的波幅相同；然后进行TCG曲线的制作和校准，使得5 mm和8 mm处的Φ1 mm横通孔波幅相同。采用图1已经完全裂透的再热器管子外表面裂纹回波信号波幅的80%再提高10 dB作为检测灵敏度。

因开裂裂纹位于再热器穿墙管的外表面密封板焊缝的熔合线处，由外壁往内壁扩展，所以再热器穿墙管的外表面是检测的重点。从割除的再热器管子上面可以测出穿墙管焊缝的宽度值为10 mm，如图1中红色双箭头所示。采用Phascan相控阵设备的Calculator模拟软件，输入再热器管子壁厚4.5 mm、焊缝宽度10 mm，可以模拟出声束的覆盖范围，调整探头前沿至焊缝中心的距离，使超声声束能够完全覆盖穿墙管焊缝的区域，此时探头前沿至焊缝中心的距离为13 mm。

2.3 检测过程

将步进偏置（用来设置楔块前表面和待测工件步进轴参考位置之间的偏置）数值设置为与探头前沿至焊缝中心的距离相等。采用机油做耦合剂，将探头置于再热器管外壁，探头前沿至焊缝上边缘的距离为8 mm，然后绕焊缝1周进行检测。因焊缝形状成弧形，非常见的对接焊缝，而且焊缝又处在密封板下面，扫查过程中很难保持探头前沿至焊缝上边缘的距离不变。扫查过程可以采用常规脉冲回波检测的锯齿形扫查方式，在扇形扫查图形上发现可疑图像后，再移动探头使其前沿至焊缝边缘的距离为8 mm，此时可疑图像在扇扫图形的位置即与缺陷在再热器穿墙管焊缝的位置一致。

2.4 检测结果

按照上述检测工艺，对三级再热器穿墙管焊缝进行相控阵检测。三级再热器由于管屏间隔很小，无法进入检测，因此选取管屏两侧各4根、锅炉左侧和右侧各20排共320根进行检测，共检测出28根存在裂纹信号。之后又对其他有相同结构的二级再热器、三级过热器、四级过热器等穿墙管焊缝进行抽查，未发现问题。三级再热器穿墙管裂纹的相控阵检测图像（选择信号能量较大的根管道）如图4所示。