電站鍋爐蛇形管高壓加熱器小徑管對(duì)接焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

隨著電站建設(shè)不斷向大型化和高參數(shù)方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)新建大型電站逐漸采用蛇形管式高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高加”)來(lái)代替管板式高壓加熱器。圖1蛇形管高加外觀如圖1所示，由于蛇形管高加對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蛇形管空間小，焊口數(shù)量多，所以其射線檢測(cè)操作困難，檢測(cè)周期長(zhǎng)。為此，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院和東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司的研究人員對(duì)材料為15CrMo、壁厚為3.5mm的Φ25mm管道對(duì)接焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)工藝研究，通過(guò)仿真分析PAUT檢測(cè)工藝，對(duì)缺陷響應(yīng)進(jìn)行工藝優(yōu)化，在模擬試塊上對(duì)優(yōu)化后的工藝進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對(duì)蛇形管高加小徑管對(duì)接焊縫檢測(cè)的可行性。1小徑管相控陣超聲檢測(cè)工藝分析01聲場(chǎng)仿真圖2小徑管對(duì)接焊縫坡口結(jié)構(gòu)示意(T為壁厚)根據(jù)焊縫坡口等工藝參數(shù)建立的小徑管仿真模型如圖3所示。對(duì)工件進(jìn)行分析，設(shè)置探頭頻率為7.5MHz；楔塊角度為60°；晶片數(shù)量為16；激發(fā)孔徑為7.9mm；起始激發(fā)1個(gè)晶片；聲束角度為45°~75°；探頭前端距焊縫中心距離為7.5mm；聲波反射4次。圖3工件仿真模型將上述工藝參數(shù)加載至被檢工件模型上，經(jīng)仿真軟件計(jì)算分析，該聚焦法則下的聲束覆蓋如圖4所示，聲場(chǎng)在工件中的分布如圖5所示。圖4聲束覆蓋示意圖5聲場(chǎng)在工件中的分布示意由仿真可知，采用設(shè)定的相控陣超聲檢測(cè)工藝參數(shù)，使用3次波及4次波，探頭中心能量的-6dB范圍內(nèi)聲場(chǎng)能完全覆蓋焊縫檢測(cè)區(qū)域，能更有效地利用聲場(chǎng)能量。使用該檢測(cè)工藝參數(shù)，對(duì)小徑管進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真分析。02PAUT缺陷響應(yīng)仿真Φ2mm長(zhǎng)橫孔缺陷響應(yīng)仿真分析在建立好的工件模型中，預(yù)制一個(gè)長(zhǎng)為10mm，孔徑為2mm的長(zhǎng)橫孔，其模型如圖6所示。圖6Φ2mm長(zhǎng)橫孔缺陷模型用上述聲場(chǎng)仿真的檢測(cè)工藝參數(shù)在該模型上進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真分析，分析結(jié)果如圖7所示。圖7Φ2mm長(zhǎng)橫孔缺陷響應(yīng)仿真分析結(jié)果由仿真分析結(jié)果可知，采用三次波能有效檢出Φ2mm的長(zhǎng)橫孔，在折射角為53°時(shí)，缺陷反射波幅最大，最大波幅絕對(duì)值為0.103。仿真噪聲信號(hào)水平采用該聚焦法則，在對(duì)比試塊上對(duì)Φ2mm長(zhǎng)橫孔進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試該檢測(cè)工藝參數(shù)下的檢測(cè)信噪比n11。n11=

A01/A11式中：A11為仿真噪聲信號(hào)水平；A01為缺陷反射波最大波幅。圖8小徑管實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖8所示，當(dāng)一次波高調(diào)至80%時(shí)，噪聲信號(hào)波幅為5.8%；當(dāng)三次波高調(diào)至80%時(shí)，噪聲信號(hào)波幅為11.4%，n11=7。將仿真得到的Φ2mm長(zhǎng)橫孔的波幅絕對(duì)值，實(shí)測(cè)的Φ2mm孔的AΦ2（實(shí)際缺陷最大反射波幅）與A噪聲（實(shí)際噪聲信號(hào)水平）所得的n11代入到上式中，可得到該檢測(cè)工藝參數(shù)下的仿真噪聲信號(hào)水平A11=0.015。若缺陷信號(hào)幅值大于A11，表明該缺陷可檢出。未焊透及坡口未熔合響應(yīng)仿真分析被檢工件容易在根部出現(xiàn)根部未焊透及坡口未熔合類(lèi)缺陷，針對(duì)這種情況，分別在工件模型中設(shè)定兩種缺陷，缺陷參數(shù)如表1所示，缺陷模型如圖9所示。表1小徑管埋設(shè)缺陷參數(shù)缺陷類(lèi)型缺陷規(guī)格(長(zhǎng)×寬)/mm缺陷周向位置/(°)根部未焊透10×0.50°坡口未熔合10×0.5180°圖9未熔合及未焊透缺陷模型將上述聲場(chǎng)仿真的檢測(cè)工藝參數(shù)代入建立的缺陷模型中進(jìn)行分析計(jì)算，兩種缺陷的仿真檢測(cè)結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10坡口未熔合仿真檢測(cè)結(jié)果圖11未焊透仿真檢測(cè)結(jié)果由仿真分析可知，坡口未熔合及未焊透類(lèi)缺陷均能用73°~75°大角度聲束的一次波檢測(cè)到，但存在漏檢的情況；三次波也均能檢測(cè)到，并且有效檢出，缺陷分析結(jié)果如表2所示。表2缺陷仿真檢測(cè)結(jié)果缺陷波幅(絕對(duì)值)缺陷深度/mm缺陷長(zhǎng)度/mm缺陷性質(zhì)0.1053.0014.5未焊透0.0623.2512.9坡口未熔合由表2分析可知，根部坡口未熔合及根部未焊透的缺陷信號(hào)波幅(絕對(duì)值)分別為0.062與0.105，均大于A11(0.015)，說(shuō)明該檢測(cè)工藝?yán)碚撋峡尚小?模擬試驗(yàn)驗(yàn)證采用ZETEC型相控陣設(shè)備，7.5M16型線陣探頭，將仿真得到相控陣超聲檢測(cè)工藝在對(duì)比試塊上進(jìn)行調(diào)校，并在模擬試塊上進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與數(shù)字射線成像(DR)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3和表4所示，成像結(jié)果如圖12和圖13所示。表3相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果(驗(yàn)證試驗(yàn))缺陷起始點(diǎn)/mm長(zhǎng)度/mm深度/mm波幅(區(qū)域)缺陷類(lèi)別30123.2II未焊透70132.4I未熔合表4DR檢測(cè)結(jié)果(驗(yàn)證試驗(yàn))缺陷長(zhǎng)度/mm缺陷類(lèi)別6.7未焊透6.9未熔合（a）相控陣超聲檢測(cè)（b）DR檢測(cè)圖12未焊透缺陷成像結(jié)果(驗(yàn)證試驗(yàn))（a）相控陣超聲檢測(cè)（b）DR檢測(cè)圖13未熔合缺陷成像結(jié)果(驗(yàn)證試驗(yàn))檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用該相控陣超聲檢測(cè)工藝對(duì)蛇形管高加小徑管進(jìn)行檢測(cè)，三次波可以有效檢測(cè)出模擬試塊中根部埋藏缺陷，而四次波可以對(duì)工件上表面檢測(cè)區(qū)域有效覆蓋，證明該檢測(cè)工藝初步可行。結(jié)語(yǔ)(1)通過(guò)對(duì)蛇形高加小徑管的檢測(cè)工藝仿真分析，得到初步檢測(cè)工藝，再在模擬試塊上進(jìn)行驗(yàn)證，并得到優(yōu)化后的檢測(cè)工藝，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能有效檢出小徑管上的埋