电站锅炉管座角焊缝相控阵超声检测应用

林 彤

(福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008)

电站锅炉管座角焊缝相控阵超声检测应用

林 彤

(福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008)

针对电站锅炉管座角焊缝和超声检测存在的问题，文中提出相控阵超声检测最佳解决方案，同时验证了相控阵超声检测新技术完全可以覆盖常规超声检测技术，应建立标准推广应用。

电站锅炉；管座角焊缝；相控阵；超声检测

管座角焊缝是电站锅炉部件上常见结构，出现在锅筒、集箱与管道和管道与管道等连接部位中，且数量庞大，其焊接工艺和常规超声检测实施常常产生问题，焊接接头质量难保证，是目前锅炉内部检验发现问题最多的部位。针对常规超声检测缺陷记录是由人员控制，漏检和误检时有发生，为改变现状，弥补与完善常规超声检测技术规范不足，应选择可记录相控阵超声新技术方法覆盖常规超声检测管座角焊缝，避免发生在制时管座焊缝内缺陷严重超标，避免在用时安全隐患频发带来不必要的经济损失或安全事故。

1 电站锅炉管座焊缝问题

电站锅炉管座焊缝制造质量差，内部存在着大量裂纹、未熔合、未焊透、夹渣和气孔，见图1所示，检测时没有及时发现并进行返修处理。

图1 管座焊缝内部缺陷（未熔合、裂纹、未焊透和夹渣）

使用后产生大量的疲劳裂纹见图2所示，严重时引发生产事故造成不必要的停产或伤亡，如图3所示为管座爆管和泄漏事故。

图2 焊缝表面疲劳裂纹

图3 事故（上部爆管、下部泄漏）

2 常规超声检测管座问题

（1）对于插入式还是安放式管座，斜探头检测始终会产生的界面波或变形波干涉缺陷波显示，因只有A显图，信息量少，不能显示焊缝结构，只能依据人工定位识别排除非缺陷显示。

（2）由于内部结构问题，可选择的检测面有限，如图4所示集中下降管管座，在用检测时常用位置1斜探头检测，直射波只能扫查部分焊缝截面，无法覆盖整个焊缝区域。

图4 集中下降管检测

（3）由于管座检测面探头摆放限制，较难对管座角焊缝的焊趾裂纹和表面横向裂纹进行检测，因此管座焊缝经超声检测后其表面还必须增加表面无损检测。

（4）在圆弧面上检测管座，焊缝形状复杂，缺陷定位有误差，缺陷的指示长度测量值也有误差，要进行修正计算处理，如图5所示检测，管座焊缝中未焊透深度显示在接管母材内，而水平定位可能显示在焊缝边缘或之外，引起错觉判断，会影响缺陷定性或造成漏检。

（5）缺陷定性依靠推断，因只能建立波型图记录，其它位置等信息不可记录，更多是依靠人员知识水平和检测经验等建立缺陷性质推断。

（6）由于收发为单晶探头，检测灵敏度用dB值表示，采用一次反射法检测接管角焊缝时，内表面产生散射损失，造成检测灵敏度下降。另外对粗晶材料检测时，散射较严重，能量衰减大，用dB值抑制，检测灵敏度更是明显下降。

图5 未焊透缺陷定位显示

3 相控阵超声检测解决方案

3.1 具有优势

由于同一时间显示多个角度，因此能更快地扫描；实际深度S扫描具有更好的成像；数据可存储，减少了现场检测工作量；电子仪器可快速设置和重复设置。

3.2 模拟仿真软件优化检测工艺

采用CIVA模拟仿真软件对管座焊缝相控阵超声检测进行优化工艺设计，指导实际检测工作，通过模拟仿真缺陷验证与分析检测结果，确保检测质量。

（1）检测工艺设计优化，输入工件、探头和缺陷分布等参数，实现焊缝截面全覆盖，见图6。

图6 检测工艺设计

（2）模拟设计缺陷进行仿真分析，如在模拟工件角焊缝中设计一个未焊透缺陷，进行二次波检测，得到显示结果如图7所示。

图7 未焊透缺陷模拟仿真

3.3 配备扫查器实现自动化检测

在用电站锅炉检验环境恶劣，多数情况管座焊缝部位空间狭小，高空作业，检测人员工作强度大。手动相控阵超声检测相当灵活，完全可以按常规超声检测操作进行，但人员要接触工件。因更多情况下相控阵超声检测是进行单线扫查使用，通过MS-05专用扫查器实现自动化检测，见图8所示,可以在人员难操作的地方进行。

图8 MS-05角焊缝专用扫查器

3.4 检测方法验证比对

（1）选取试样见表1。

表1 试样状况

（2）检测人员选取高级人员2名，中级人员4名。

（3）常规超声检测按NB/T47013.3技术规范进行，相控阵超声单面两侧实行全覆盖检测工艺。

（4）比对结果见表2。

表2 缺陷检出率

因此通过上述测试比对证明，只要常规超声能发现的缺陷，相控阵超声能100%发现。另外通过多年对其他人员在检验中常规超声发现的超标缺陷复核实践也证明了这点，同时得到比常规超声记录发现更多的缺陷，充分说明了相控阵超声方法可以覆盖常规超声检测技术。

3.5 大厚度工件能力测试

（1）试块：碳钢，205mm壁厚，U型坡口焊缝，焊缝中设置缺陷16个，分布见图9所示。

图9 试块中缺陷分布

（2）分成（24～50）mm、（50～100）mm、（100～150）mm和（150～200）mm四个区域进行检测，见图10所示，检测显示见图11～图14，检测结果见表3。

（3）检测结论：

使用超声相控阵技术可以快速准确地发现并判断200mm厚工件焊缝中的缺陷，结合S、B和C扫描视图可以更加直观地分析缺陷类型，判断是在焊缝坡口位置还是在焊缝内部。

检测灵敏度用波高表示，经过角度补偿和深度补偿处理，采用多晶技术明显改善了材质影响，检测灵敏度好于常规超声技术。

表3 检测结果

图10 检测区域设置

图11 （24～50）mm区间缺陷显示

图12 （50～100）mm区间缺陷相控阵超声显示

图13 （100～150）mm区间缺陷相控阵超声检测显示

图14 （150～200）mm区间内缺陷显示

3.6 可准确测量和评价缺陷

（1）图像显示记录存储完整，检测重复性强，能用于超标缺陷健康监测，主要是利用扫查过程使用编码器进行记录和建立独特的S扫描图像，采用6dB法测量提高了缺陷长度和高度测量精度，见图15所示，同时存储记录便于以后检测对比。

（2）通过形成扫描图像能完整体现管座焊缝结构变化，缺陷分析直观，便于图像比较，如图16为管座焊缝中未焊透缺陷的位置与整个结构显示变化情况。

缺陷长度显示测量

图15 缺陷的尺寸测量

图16 未焊透与管座结构变化显示

3.7 建立典型相关和非相关缺陷图谱，为缺陷定性提供参考

相控阵超声得到三维缺陷显示图像，缺陷显示特征直观，有利于缺陷定性判断，不局限为模糊的点状、面状和线状缺陷概念，大都能准确定性，图17为一些常见相控阵超声检测定性显示图，可以对照使用。

图17 典型相控阵图谱显示

4 结束语

相控阵超声检测是一种可记录超声检测新技术，与常规超声检测相比具有较大优势，它具备的检测能力完全覆盖了常规超声检测，我国现行超声检测标准中缺陷的记录与质量评定可完全采用。

对于复杂结构的管座角焊缝应用相控阵超声检测是目前最佳的无损检测解决方案。

[1]林彤.电站锅炉管座焊缝相控阵超声检测技术研究.2010QK029国家质检总局科技计划项目［R］.

Phased Array Ultrasonic Testing in Header Fillet Weld for Power Plant Boiler

LIN Tong
(Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhuo 350008, Fujian, China)

In view of the plant boiler header fillet weld and the problems existing in the ultrasonic testing, Phased array ultrasonic testing, the best solution is put forward in this paper. It is proved that the new technology of phased array ultrasonic testing can be fully covered by the conventional ultrasonic testing technology and the standard Shall be established for the further application.

2016-07-27

林 彤，男，福建省特种设备检验研究院，电站锅炉检验中心副主任，高级检验师

Abstract: Power plant boiler; Header fillet weld; Phased array; Ultrasonic testing