何海++付千發(fā)++王卓巍

摘 要：通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)高壓缸缸體支撐焊縫常規(guī)超聲檢測(cè)的難點(diǎn)分析，針對(duì)性的提出了超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)。以某核電廠汽輪機(jī)高壓缸為實(shí)例，使用該檢驗(yàn)技術(shù)能夠檢測(cè)出高壓缸支撐焊縫中的坡口未熔合、裂紋等危害性缺陷，為核電檢修提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高壓缸 支撐焊縫 超聲相控陣

中圖分類號(hào)：TK4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（c）-0046-04

國(guó)內(nèi)某核電廠對(duì)正在運(yùn)行的常規(guī)島汽輪機(jī)組日常例行巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高壓缸外缸缸體上的保溫層出現(xiàn)一處直徑約10 mm的小孔并冒出蒸汽。隨后機(jī)組停止運(yùn)行進(jìn)行檢查，拆開(kāi)蒸汽泄露處的保溫層，發(fā)現(xiàn)在高壓缸缸體支撐桿焊縫上有一條長(zhǎng)約90 mm的貫穿性裂紋，導(dǎo)致蒸汽從高壓缸內(nèi)部殼體往外泄漏。

考慮到同類型的機(jī)組也采用相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且運(yùn)行工況條件相近，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，避免同類型的事故再次發(fā)生，需對(duì)此類型的高壓缸缸體支撐桿焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查。

1 部件組成結(jié)構(gòu)

1.1 高壓缸缸體結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)高壓缸體由高壓外部缸體和高壓內(nèi)部缸體組成，高壓外部缸體為合金鋼鑄件，材料牌號(hào)ZG15Cr2Mo1。汽輪機(jī)高壓外部缸體是一個(gè)形狀復(fù)雜且尺寸較大的殼體整體鑄造而成。由于缸體高壓出氣導(dǎo)管處空心截面尺寸大，為保證高壓外缸缸體的整體強(qiáng)度，在高壓外缸出氣導(dǎo)管處內(nèi)部各設(shè)計(jì)有6根支撐桿整體加固，共計(jì)12根。如圖1所示。

1.2 高壓缸缸體支撐桿焊縫

高壓缸體在完成翻砂鑄造后，在外缸缸體兩側(cè)端面加強(qiáng)筋處鉆出Ф90.5 mm的通孔，支撐桿穿入通孔后，一端通過(guò)螺紋連接在內(nèi)缸體上，另一端與外缸壁表面下沉約10 mm，再通過(guò)類似角焊縫結(jié)構(gòu)與高壓外缸體連接，焊縫最終打磨至與高壓缸缸體外壁齊平。支撐桿焊縫設(shè)計(jì)寬度約28 mm；深度約51 mm，缸體壁厚約95 mm，如圖2所示。

2 檢查技術(shù)分析

2.1 常規(guī)超聲檢驗(yàn)技術(shù)

汽輪機(jī)組高壓缸缸體結(jié)構(gòu)是鑄造成型，由于其材料的特殊性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)在缸體表面和內(nèi)部形成一些質(zhì)量缺陷，造成超聲波對(duì)高壓缸體支撐桿焊縫檢測(cè)困難。高壓缸缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)面不是單一平面，是曲率交變的曲面，厚度不均勻，超聲儀上會(huì)出現(xiàn)很多結(jié)構(gòu)信號(hào)，增加超聲信號(hào)識(shí)別的難度。

2.2 超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)是按照一定的時(shí)間序列依次延時(shí)激發(fā)陣列中各個(gè)獨(dú)立的晶片，每個(gè)晶片都可以認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的小探頭，各自激發(fā)的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)在工件中的傳播后再按照對(duì)應(yīng)各個(gè)晶片發(fā)射的時(shí)間序列進(jìn)行延時(shí)接收。相控陣受激勵(lì)后能產(chǎn)生多個(gè)聲束，聲束參數(shù)如角度、焦距、焦點(diǎn)尺寸等可以通過(guò)相控陣軟件控制，使它們發(fā)出的聲束在空間某點(diǎn)形成多角度掃查和聲束的聚焦。

超聲相控陣的多角度掃查提高了有取向性的缺陷檢出能力，相對(duì)于常規(guī)探頭單一角度的掃查，能對(duì)缺陷進(jìn)行最優(yōu)角度的掃查，提高了缺陷的檢出能力，檢查效率也大大增加。同時(shí)，聚焦能提高對(duì)缺陷的分辨率，優(yōu)化缺陷的細(xì)節(jié)顯示能力[1]。聚焦還能有效提高聚焦區(qū)域的聲能量，對(duì)某些粗晶材質(zhì)和高衰減系數(shù)的材料具有較強(qiáng)的穿透能力。

對(duì)于晶粒粗大的高壓缸缸體支撐桿焊縫，如果使用常規(guī)超聲檢驗(yàn)，由于鑄件材料粗晶材質(zhì)聲能衰減嚴(yán)重，粗晶焊縫導(dǎo)致的反射信號(hào)雜亂及信噪比低等一系列不利條件使得檢驗(yàn)困難。而超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，其靈活的聲束平移、偏轉(zhuǎn)及動(dòng)態(tài)聚焦性能越來(lái)越引起人們的重視，逐漸應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中，如汽輪機(jī)葉片和渦輪圓盤(pán)的檢測(cè)，石油天然氣管道焊縫檢測(cè)、核電站檢測(cè)和航空領(lǐng)域材料的檢測(cè)等[2]。

2.3 最終檢驗(yàn)技術(shù)確定

因此根據(jù)高壓缸缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及支撐桿焊縫的檢驗(yàn)范圍要求，適合采用超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)。優(yōu)勢(shì)在于利用超聲相控陣的波束特性靈活的特點(diǎn)和其獨(dú)特的S掃描圖像技術(shù)，可以在一個(gè)圖像顯示范圍內(nèi)觀察到高壓缸缸體支撐焊縫的整體截面形狀，從而能夠準(zhǔn)確區(qū)分缺陷顯示信號(hào)和對(duì)缺陷顯示定量。

3 超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)工藝

高壓缸支撐桿焊縫超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)包括：相控陣超聲探頭設(shè)計(jì)、聲場(chǎng)模擬、試塊設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)方式等。

相控陣探頭設(shè)計(jì)的原則是在保證具有足夠的穿透能力和一定的檢驗(yàn)靈敏度下，盡量減小探頭楔塊與工件的接觸面尺寸，使得探頭在高壓缸體粗糙不平整鑄鋼面上的耦合良好。

3.1 相控陣超聲探頭參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 探頭頻率

由于鑄鋼件理論上超聲波衰減嚴(yán)重，常規(guī)超聲檢驗(yàn)一般采用頻率較低的探頭，相控陣探頭的設(shè)計(jì)與此類似，因?yàn)轭l率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，可使陣元寬度變寬，從而優(yōu)化聲束主瓣，但過(guò)低頻率降低超聲波在指向性、穿透力方面的優(yōu)勢(shì)。因此，根據(jù)實(shí)際情況采用2 MHz的橫波和縱波探頭檢驗(yàn)，采用2 MHz或4 MHz探頭定量。

3.1.2 陣元間距值（Pitch）

當(dāng)陣元間距小于0.5倍波長(zhǎng)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生柵瓣，柵瓣是形成偽像的主要原因，陣元間距過(guò)小會(huì)降低陣列探頭的指向性[3]。在確保柵瓣消除的前提下盡可能選擇大的陣元間距，提高檢測(cè)的信噪比。同時(shí)，根據(jù)檢驗(yàn)靈敏度要求可以選擇比常規(guī)相控陣探頭稍大一些的Pitch值，此處檢驗(yàn)靈敏度是要求是Φ3橫孔，因此，陣元間距值選用1.0 mm。

3.1.3 陣元陣元數(shù)量n

陣元數(shù)量增多，陣列孔徑增大，使得探頭的橫向分辨力增高，但會(huì)導(dǎo)致使場(chǎng)變大，形成近場(chǎng)盲區(qū)。另外增加陣元數(shù)量會(huì)增大探頭外殼尺寸，增大掃查接觸面積，在高壓缸體鑄件表面上會(huì)影響耦合效果。根據(jù)已有常規(guī)探頭進(jìn)行的實(shí)際耦合效果測(cè)試，在常規(guī)探頭晶片面積與相控陣探頭有效孔徑等效的情況下，采用16晶片數(shù)量滿足實(shí)際要求。

3.1.4 楔塊參數(shù)設(shè)計(jì)

斜探頭楔塊采用名義角度橫波55°和縱波55°設(shè)計(jì)，能保證聲束的偏轉(zhuǎn)角度為35°～70°。

根據(jù)以上的參數(shù)最終探頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

3.2 相控陣超聲探頭聲場(chǎng)仿真

使用軟件模擬了相控陣探頭各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，包括探頭頻率，陣元間距，陣元數(shù)量，陣元大小等。以扇形掃查橫波35°～70°為例，仿真結(jié)果表明，各角度的主聲束聲能分布均勻，未發(fā)現(xiàn)柵瓣現(xiàn)象見(jiàn)圖3。具體探頭實(shí)物見(jiàn)圖4。

3.3 聲束覆蓋

超聲相控陣與常規(guī)單探頭超聲檢驗(yàn)不同，由于在一個(gè)探頭上形成多個(gè)角度掃查，而各個(gè)角度要求的掃查范圍不一致，如果采用是與聲束方向夾角為90°或270°掃查時(shí)，需要計(jì)算探頭的步進(jìn)值做到聲束對(duì)檢驗(yàn)區(qū)域的全覆蓋。而高壓缸支撐桿焊縫采用與聲束方向夾角為0°和180°掃查，與常規(guī)超聲掃查方式一致，因此，不需要考慮聲束覆蓋。

3.4 試塊

3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊

標(biāo)準(zhǔn)試塊為半圓形試塊。

3.4.2 參考試塊

參考試塊材料采用與高壓缸材質(zhì)相近的25#鑄鋼。參考試塊反射體的深度要覆蓋高壓缸支撐桿焊縫厚度。參考試塊用于探頭靈敏度曲線制作和基準(zhǔn)靈敏度確定。參考試塊分為扇形掃查-30°～30°探頭縱波參考試塊和扇形掃查橫波、縱波35°～70°探頭參考試塊，試塊設(shè)計(jì)參考了相關(guān)文獻(xiàn)[4]。

扇形掃查-30°～30°探頭縱波參考試塊反射體深度分別為25～100 mm的Ф6 mm平底孔。扇形掃查橫波、縱波35°～70°探頭參考試塊反射體深度分別是10～160 mm的Ф3 mm橫孔。

3.5 檢驗(yàn)方式

3.5.1基準(zhǔn)靈敏度設(shè)置

扇形掃查-30°～30°探頭分別以參考反射體深度25～100 mm的Ф6平底作為基準(zhǔn)靈敏度。

扇形掃查橫波、縱波35°～70°探頭利用不同深度的Ф3橫孔制作基準(zhǔn)靈敏度曲線。

3.5.2掃查方式

高壓缸支撐桿焊縫相控陣超聲掃查均從高壓缸外缸缸體外表面實(shí)施。如需進(jìn)一步確認(rèn)超聲信號(hào)顯示時(shí)也可從外缸缸體內(nèi)表面進(jìn)行復(fù)核。采用兩種掃查方式：一種掃查方式采用探頭繞支撐桿中心徑向掃查和圓周方向掃查；另一種掃查方式采用柵格掃查，即一個(gè)為水平方向；一個(gè)為豎直方向。

4 實(shí)際檢驗(yàn)

4.1 支撐桿焊縫定位信號(hào)識(shí)別

對(duì)高壓缸支撐焊縫從外側(cè)按照相應(yīng)的掃查方式進(jìn)行，每個(gè)掃查方向均相對(duì)180°。掃查中利用支撐桿邊緣反射信號(hào)確定支撐桿中心位置，如圖5所示。

4.2 顯示信號(hào)識(shí)別

分析相控陣超聲檢測(cè)實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果，每根支撐桿焊縫中均存在焊接缺陷，缺陷主要集中在焊縫及坡口區(qū)域，深度覆蓋整個(gè)壁厚范圍（0～51 mm）。缺陷長(zhǎng)度測(cè)量采用-6 dB法，高度測(cè)量采用端點(diǎn)回波法，超聲測(cè)量結(jié)果與實(shí)際解剖結(jié)果比較，缺陷長(zhǎng)度和高度尺寸偏短，可能與缺陷沿支撐桿方向擴(kuò)展有關(guān)。缺陷形式主要是焊接裂紋、坡口未熔合等危害性缺陷，如圖6、圖7所示。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裂紋照片

對(duì)檢驗(yàn)出的幾處有裂紋的實(shí)物解剖來(lái)看，裂紋源在支撐桿焊縫根部區(qū)域，沿著熔合線方向朝高壓缸外缸體延伸擴(kuò)展，整體分布范圍較廣。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管高壓缸缸體支撐桿焊縫由于材料粗晶材質(zhì)聲能衰減嚴(yán)重，粗晶焊縫導(dǎo)致的反射信號(hào)雜亂及信噪比低等一系列不利條件使得檢驗(yàn)困難。但針對(duì)其特點(diǎn)采用相應(yīng)的超聲相控陣檢驗(yàn)技術(shù)，極大地提高了缺陷的檢出能力，并可準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷判斷和缺陷的定位、定量。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查時(shí)，能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和判斷出焊縫中裂紋、未熔合等危害性缺陷，由此反映出超聲相控陣檢驗(yàn)方法在高壓缸缸體支撐桿焊縫檢測(cè)中的可行性。同時(shí)也因該看到，對(duì)粗大晶粒的超聲波檢測(cè)的定位、定量的準(zhǔn)確性和缺陷檢出率仍然是一個(gè)需要長(zhǎng)期研究和改進(jìn)的課題。

參考文獻(xiàn)

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[3] 施義茂，張建寰，陳仲懷，等.超聲相控陣探頭聲場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，52（3）：370-375.

[4] GB/T9630.2-1999，汽輪機(jī)鑄鋼件超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法[S].