电站锅炉小径钢管的超声相控阵检测研究

电站锅炉小径钢管的超声相控阵检测研究

刘昕颖12赵大兴1

（1.湖北工业大学湖北武汉430061；2.华电电力科学研究院山东分院山东济南250014）

摘要：近几年我国电力工业发展迅速。超临界以及超超临界火力发电机组越来越被广泛应用。随着机组工作介质压力和温度的提高，对电站锅炉金属材料等级的要求也越来越高，承压焊口危险性缺陷产生的几率不断增大，因此对焊接质量控制和无损检测技术手段的要求也越来越高。

关键词：电站锅炉；小径钢管；超声相控阵；检测研究

1引言

电力工程的施工质量需要保证、机组投运后的运行需要保证安全和稳定，因此，电力行业制定了对应的相关标准和规范的规程，超临界以及超超临界的火力发电机组电站锅炉受热面焊口要百分之百的检测确认无损才能使用。当前，电站锅炉小径钢管最常用的检测方法是射线检测和常规超声检测

2相控阵超声检测原理及技术特点

射线检测和常规超声检测这两种测量方法都有缺陷。射线检测的缺陷是：有裂纹类危险性缺陷存在，检验容易遗漏，对辐射要求过高，检测周期比较长，与安装施工同步作业不能同时进行等；常规超声检测的缺陷是：不能直观的显示检测结果，对缺陷信号识别起来有困难，检测人员的技术水平和操作方法也会大大影响检测结果，使检测空间受到限制。这些缺陷成为安全管理施工工期的制约因素，且不能满足电力工程工作的要求。因此急切需要一种新的检测方法来满足电力工程的需要。相控阵超声检测应运而生。

目前国内先进、前沿的超声波检测就是相控阵超声检测。基本原理来自于雷达电磁波相控阵技术。在世界上已经有20多年的发展历史了。开始相控阵超声技术应用于医疗领域，慢慢的发展到工业无损检测领域。受多种制约因素影响，目前在电力行业无损检测领域，相控阵超声检测技术处于一个初始起步阶段。

2.1检测原理

相控阵超声检测技术采用的探头是多晶片探头，材料是压电晶片材料。计算机可以控制和调节每个压电晶片的延时、增益和振幅。预置软件可以对声束角度、焦距、焦点尺寸等进行调整。改变压电晶片阵列组合单元激励电脉冲的延时值，可以改变声束聚焦深度、声束角度和波型。工件中各种方向性缺陷可以得到有效检测，并且能对缺陷做准确的定位以及定量。超声相控阵计算机控制的扫描方式有三种：电子扫描、动态聚焦扫描、扇形扫描。检测结果可以通过多种形式显示：波型显示、横断面显示、水平面显示、扇形显示、切片显示等。整体检测图像可以通过不同的形式的扫描来获取。

2.2技术特点

2.2.1优点

1）扫描方式有多种，检测速度非常快，还有宽波束、多焦点的优势.

2）检测范围广，可以检测常规检测技术检测不到的复杂工件。

3）检测精度高，不同走向，不同位置的缺陷也可以被检测出。有较高的缺陷检出率和准备的定位、定量。

4）可以对检测数据进行存储和检索，查找方便。

5）装置操作起来相对简单，维护也方便。

6）有彩色成像功能，查看结果直接明了。

2.2.2缺点

1）清洁度要求高，被检工件表面需要打磨和清理干净。

2）扫描出来的东西多，需要对有用的数据进行筛选，需要时间长。

3）人为因素会影响到检测结果的判定。

3电站锅炉小径钢管的超声相控阵检测方案

3.1选用适宜的仪器设备

综合考虑仪器设备的灵敏度、精确度、响应时间、可靠性、成熟性、和采购价格等方面，选出性价比高的仪器设备。

3.2制作出模拟缺陷的样品

设计并制作了一整套焊接模拟缺陷试样。此试样与660MW机组锅炉小径钢管规格和材料匹配。

3.3制定检测标准

在学习ASME标准和借鉴国内外其他检测方案和工艺流程的基础上，根据电力行业标准DL/T820-2002«管道焊接接头超声波检验技术规程»的有关规定和要求，针对660MW机组锅炉小径检测特点，制定了符合小径钢管相控阵超声检测工艺规程的检测标准。

3.4检测人员要进行培训和考取证书

协调供应商、生产厂家和电力行业科研院所以及其他高级检测人员对检测人员进行培训，要求检测人员不仅能掌握检测原理、技术特点，还要有实践能力和准确判断缺陷的能力。还要对检测人员进行电力行业相控阵超声检测考核，考试合格并取得证书，才能正式上岗。

3.5对检测能力进行验证

工程建设单位委托电力行业金属检测方面的专家在巴基斯坦Sahiwal电厂进行了检测试验能力审评和认定。设备配置、探头/扫描器/编码器等配置被列为认证的内容，人员上岗资格和文件编制检测作业等需要经过审核。并挑选检测人员进行缺陷试样检测的考核，确认检测人员能力达到检测的需求。

4电站锅炉小径钢管的超声相控阵检测流程

4.1检测流程

检测单位接收委托单-检查受检的零件和受检的环境-选择需要的探头和楔块-核对和校准设备性能参数-选择调整灵敏度的合适试块-绘制距离-表面的检测和打磨-确定检测范围-进行检测并缺陷参数记录-检测报告的出具-发放报告-跟踪检查不合格产品。

4.2检测工艺

1）选用合适的仪器和探头

选用ISONIC2009型相控阵超声波探测仪，自聚焦曲面晶片线阵探头以及与被检管件曲率能配备的探头楔块。

2）试块

仪器性能测试和校准选用CSK-IA试块和声束控制评定试块。测定探头参数选用DL-1型对比试块。

3）校验仪器和探头系统

检测前都应该校验对比试块上的扫描线、灵敏度，校准编码器。

4）清理检测表面

检测前，应对探头移动区之内的飞溅、锈蚀、氧化物及其他污染物做清洗。

5）聚焦法则的确定

聚焦法则是根据选用的扫描类型来确定的，要对晶片参数、模块参数、晶片数量、位置、角度、距离、声速、工件厚度、探头位置、聚集声程或深度有明确的认识。

6）需要覆盖检测区域

参考聚焦法则的参数，用模拟软件来调整焊边缘的距离，和确定参考线的位置，以达到检测声束覆盖整个检测区域的目的。

7）绘制DAC曲线

检测参数需要在曲线制作之前进行设置和优化。例如：工件厚度、声程、声速、显示延迟和抑制的设置，激发模式、脉冲宽度、激发等级和脉冲重复频率的优化还有滤波器、低通滤波、高通滤波、检波模式的设置和优化，起点、门宽和门高的设置，激发数量、起始位置的设置。

8）扫查方法检测

包含：灵敏度的扫查，扫查的方式，设置扫查步进，显示扫查图像，显示扫查图像，设置扫查速度。

9）对缺陷进行定量和评级

需要根据对应的数据对缺陷进行定量和评定。

5结语

相控阵超声检测技术虽然处于起步阶段，但是对于电力施工企业来说是非常有用处的。焊接缺陷检出要求能够得到满足，检测工作与安装、焊接作业同步进行能够得以实现，还可以代替射线检测方法，能降低安全管理风险，把对施工工期的影响降低到最低。因此相控阵超声检测技术的深入研究和发展非常必要的。

参考文献：

[1]李志强，郭和平.超塑成形/扩散连接技术的应用进展和发展趋势[J].航空制造技术.2016（6）：I37-32-35

[2]邵杰，韩秀全，韩晓宁等.SPF/DB设计与制造一体化技术在导弹中的应用[J].航空制造技术.2009（10）：71-76.