锅炉小径管射线检测与相控阵检测的对比分析

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(中国电建集团河南工程公司， 郑州 450000)

在电站锅炉的安装和检修中，小径管的安装和焊接在整个工作量中占有很大比例，以1 000 MW机组为例，小径管的安装数量一般是5～7万只。对这些锅炉的小径管来说，现在的检测方法一般以射线检测为主，超声检测为辅[1]。由于工作环境和条件的影响，射线检测具有一定的局限性,即会产生电离辐射，对人体和周围环境造成危害且检测周期长；对电站锅炉小径管对接焊缝一般采用双壁双影椭圆成像方法，为了提高透照的宽容度，常采用较高的射线能量，加之现场作业管排空间的限制，透照焦距有时候只有300 mm左右，导致缺陷检出率低(尤其是对危害性最严重的裂纹常发生漏检现象)[2]。超声波相控阵技术是较为新型的无损检测技术，是一种重要的定量检测手段，其能够更为直接地描述焊接构件里的缺陷分布，提高检测的准确性。探索可靠的、准确的小径管对接接头超声相控阵检测技术和工艺 ，并替代射线检测， 不仅能保证人体和周围环境的安全，更对保证电站锅炉的安全运行具有重要意义[3]。

笔者根据电站锅炉小径管常见的缺陷分布形式和特征，对自然缺陷和人工模拟缺陷进行射线检测和相控阵检测，以此来验证小径管对接接头检测中，相控阵检测方法代替射线检测方法的可能性。

1 试样制备与试验方法

1.1 检测方法的原理及特点

射线检测对体积型缺陷(气孔、夹渣)的检出率较高，但很难确定缺陷的深度位置，尤其难以判定黑度较深的圆形缺陷或长条尾巴的圆形缺陷的真实深度；采用小径管双壁双影椭圆成像法，在椭圆投影时，易在焊缝两侧透照厚度差过大处形成死区，造成缺陷漏检。

超声相控阵检测技术是一种多声束扫描成像技术，其所采用的探头是由多个晶片组成的换能器阵列，每个晶片成为一个单元;检测时，用电子系统按一定的规则和时序控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加，形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程中，按照一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当的形式显示出来。

使用相控阵检测时，检测结果可以直观显示，除了传统的A型显示外，还具有B型显示，即对接焊接接头长度方向的纵截面显示。C型显示，为被检对接接头在厚度方向上的投影显示。S型显示，为被检对接接头在声束截面上的投影显示。综合这几种显示方式，可为缺陷的准确定位、定性、定量检测提供有利条件[4]。

1.2 检测试验

试验参照公司承建的项目大唐巩义“上大压小”新建工程2×660 MW机组和周口隆达发电有限责任公司2×660 MW扩建工程现场安装小径管的材料和规格，制备试样。试样管对接接头中存在裂纹、圆形缺陷、条形缺陷、未熔合、未焊透等焊接缺陷。试样管均采用和工程安装同样的焊接工艺：V型坡口，钨极氩弧焊及手工电弧焊。

试样管的具体参数如表1所示。

表1 试样管参数

注：规格为外径×壁厚

1.2.1 射线检测

按照标准NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》对小径管试样进行了双壁双影倾斜透照椭圆成像，试验采用XXG-2505型射线机，AgFa C7胶片，曝光量为15 mA·min,焦距F为600 mm,底片黑度为2.0～4.5[5]。

1.2.2 相控阵检测

采用ISONIC 2010 相控阵检测仪，其是一种便携式多功能超声相控阵成像检测系统，具有相控阵、单/多通道常规超声A超、B扫等功能，可实现A超、B扫描、C扫描、三维及3D成像，便于缺陷判读。试验选用的探头型号为Snotron NDT 7.5S16-0.5×10 CGB322，频率为7.5 MHz，晶片数量为16。楔块选用与被检管件曲率相吻合的探头楔块，楔块边缘与管子外表面的距离应该小于0.5 mm。试验时在楔块和探头间涂抹耦合剂[6]。

对小径管对接焊接接头进行相控阵超声扇形扫查，应正确选择探头前端至焊缝扫查侧边缘的距离，保证扇形扫查中大角度声束(一次波)覆盖焊缝下部及热影响区， 小角度声束(二次波)覆盖焊缝上部及热影响区，以达到对焊接接头100%的检测。在扫查中，对于一次波和二次波一次扫查不能全部覆盖的情况，应进行一次波和二次波分开单独扫描。对小径管试样管对接接头，在相控阵检测仪扫查设置界面进行扇形扫查范围设置，通过设置焊缝参数，显示声束在焊缝截面及不同角度的覆盖情况，以此来确定合适的扫查角度、探头距离。图1为相控阵扇形检测扫查声束对焊缝的覆盖设置。由图1可见，管壁厚度为8 mm,焊缝宽度为12 mm，V 型坡口，表面余高为2 mm,坡口间隙为2 mm，扇形扫查为35°～ 75°。由图1可见， 探头前沿距焊缝扫查侧边缘3 mm时， 即可实现对该焊缝及热影响区的100%检测。

图1 相控阵扇形检测扫查声束对焊缝的覆盖设置

2 检测结果对比分析

按照以上工艺参数以及相关的标准规程对14个试样管分别进行射线检测和超声相控阵检测，检测结果如表2所示。

从表2可看出，相控阵检测可以检测出缺陷的埋藏深度及自身高度，而射线底片只能显示缺陷的平面投影；对于缺陷性质的判定，射线检测要优于超声相控阵检测。下面选择几个含代表性缺陷的试样管进行对比分析。

表2 试样管的相控阵检测和射线检测结果

2.1 裂纹缺陷

试样管编号：YG16，规格(外径×壁厚)为φ51 mm×8 mm，其材料为12Cr1MoVG。经射线检测，在YG16试样管的底片上发现有两处裂纹缺陷，如图2所示。

相控阵检测采用扇形扫描，经数据分析得到的缺陷结果如图3所示。由图3可见，其存在4处缺陷，均评定为裂纹。

图2 YG16试样管的射线检测底片 (裂纹)

图3 YG16试样管的相控阵扇形扫查缺陷数据分析

通过相控阵检测数据分析软件对缺陷进行分析，裂纹1的A超扫描结果如图 4所示，其深度为0.7 mm，波幅>130%,对其余3个缺陷同样进行数据分析，得到表3。

图4 YG16试样管上裂纹1的A超扫描结果

表3 YG16试样管的相控阵检测裂纹缺陷特征参数

小结:对于焊缝中的裂纹，射线检测和相控阵检测都能很容易地检测出来。但是对于熔合线处的裂纹，射线检测椭圆透照很难发现，而相控阵无需做特殊工艺就很容易检出。

2.2 条形缺陷

试样管编号：YG15，规格(外径×壁厚)为φ51 mm×8 mm，材料为12Cr1MoVG。射线检测底片上的缺陷显示为条孔缺陷，经评片尺测量其长度为6 mm,宽度为1.5 mm，如图5 所示。

图5 YG15试样管的射线检测底片(条孔)

图6 YG15试样管的相控阵扇形扫查缺陷数据分析

图7 YG15试样管上条孔的A超扫描结果

该样管的相控阵扇形扫查缺陷数据分析如图6所示，经数据分析软件测量，得到缺陷长度为6.9 mm，宽度为2.2 mm,高度为2.8 mm,最大反射波处显示深度为5.6 mm，最大波幅71.6%，其A超扫描结果如图7所示。

小结：对于条形缺陷，射线检测和相控阵检测都能很容易地检测出来，射线检测可以清晰地将缺陷的投影显示在底片上，相控阵检测也可以将缺陷以数据的形式记录下来，并能对缺陷的空间位置进行分析。

2.3 未熔合缺陷

试样管编号：YG5，规格(外径×壁厚)为φ60 mm×6 mm，材料为20G钢。从射线检测底片上，发现在10点钟～12点钟间的位置处有未熔合缺陷。经评片尺测量，该未熔合缺陷长度为15 mm，射线检测结果如图8所示。对其进行相控阵检测，测得其长度为16 mm,深度为5.0 mm,波幅为102.5%,其相控阵扇形扫查数据分析及A超扫描结果见图9和图10。

图8 YG5试样管的射线检测底片(未熔合)

图9 YG5试样管的相控阵扇形扫查缺陷数据分析

图10 YG5试样管上未熔合缺陷的A超扫描结果

小结:对于未熔合缺陷，射线检测和相控阵检测都能很好地检测出来，缺陷的指示长度和位置基本上一致。

3 结论

(1) 相控阵检测技术在小径管对接接头的检测中，无论是在缺陷检出率，还是在缺陷测长方面都优于常规射线检测。射线检测对容易扩展的面积型缺陷，如未熔合、裂纹等可能会产生漏检。

(2) 在小径管的检测过程中，相控阵检测技术不但可以确定缺陷在焊缝的空间位置，还可通过模拟焊缝的实际结构尺寸的方式，测量其埋藏深度和自身高度。

(3) 电站锅炉在安装建设工程中采用相控阵超声检测技术，无需考虑射线防护的成本，能够保证检测质量、节约检测成本、缩短检测工期，无论是经济效益还是社会效益都优于射线检测和常规超声检测，具有广泛的应用前景和较大的推广价值。通过选择合理的设备和检测工艺参数，采用相控阵检测取代射线检测还是有很大的可能性。

(4) 目前在电站锅炉的安装过程中，相控阵检测的运用还很少，主要面临的问题有：缺陷定性和缺陷评定的标准还不完善；扇形扫描后的数据处理过程中，在伪缺陷识别以及检测结果的准确判定等方面仍存在误差。

参考文献:

[1] 杜传国,郭相吉,顾显方.电站锅炉小径钢管的超声相控阵检测[J]. 无损检测,2017,39(3):69-73.

[2] 李阳,唐创基,李男. 相控阵超声检测技术在海洋工程小径管对接焊缝检验中的应用[J]. 无损检测,2013,35(09):41-44.

[3] 赵晓鑫,王伏喜,鄂楠,等. 相控阵检测与射线检测的缺陷识别对比[J]. 无损检测,2016,38(1):41-43.

[4] 王悦民，李衍，陈和坤.超声相控阵检测技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2014.

[5] NB/T 47013-2015 承压设备无损检测[S].

[6] GB/T 32563 -2016 无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法[S].