水冷壁綁帶焊縫檢測(cè)難題交給超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)來(lái)解決

目前國(guó)內(nèi)火電機(jī)組在建設(shè)中，為了使水冷壁在運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)固，通常在水冷壁管排上焊接扁鋼以防止水冷壁磨損，但是國(guó)內(nèi)北方多個(gè)機(jī)組的綁帶與水冷壁管排之間的焊縫產(chǎn)生了垂直于綁帶的裂紋，運(yùn)行一段時(shí)間后，裂紋延展至水冷壁，導(dǎo)致水冷壁開(kāi)裂。產(chǎn)生裂紋的原因是在此位置進(jìn)行焊接時(shí)，北方現(xiàn)場(chǎng)溫度過(guò)低且位置特殊而無(wú)法進(jìn)行焊接熱處理。目前國(guó)內(nèi)還少有對(duì)特殊的焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)的報(bào)道，天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司的檢測(cè)人員結(jié)合焊縫的特殊結(jié)構(gòu)，提出了采用超聲相控陣“扇掃端角區(qū)域分析法”對(duì)缺陷進(jìn)行判定，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)指導(dǎo)相控陣檢測(cè)工藝的制定，很好地解決了該難題。水冷壁綁帶焊縫的基本結(jié)構(gòu)圖1水冷壁綁帶焊縫的基本結(jié)構(gòu)示意水冷壁綁帶是厚度為28mm，寬度為120mm左右的長(zhǎng)條形鋼板，將水冷壁綁帶與水冷壁管排焊接在一起，能起到固定水冷壁且防止水冷壁磨損的作用。為了使水冷壁管排和綁帶之間焊接得更牢固，需要將綁帶兩側(cè)與水冷壁外表面相接觸的地方通過(guò)熔透式焊接在一起；從圖1(c)可以看出，該焊接方式形成的焊縫結(jié)構(gòu)相當(dāng)特殊，如焊縫與綁帶連接面積很小，焊縫結(jié)構(gòu)也隨著其所在位置不同而變化。水冷壁綁帶焊縫的檢測(cè)現(xiàn)狀水冷壁綁帶在焊接過(guò)程中，由于位置特殊而無(wú)法完成熱處理工作，所以該位置在焊接完成后，由于冷卻速度過(guò)快，容易產(chǎn)生與綁帶垂直的裂紋，該裂紋逐漸延展至水冷壁管道，從而引起水冷壁管道的破裂。圖2水冷壁綁帶的焊縫裂紋結(jié)構(gòu)示意圖3為現(xiàn)場(chǎng)割掉的部分水冷壁綁帶焊縫外觀，可以看到焊縫位于兩片水冷壁綁帶之間，沒(méi)有射線檢測(cè)的位置，同時(shí)由于該焊縫產(chǎn)生的裂紋具有一定深度，也無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)；另外焊縫與綁帶的接觸面較小，且焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也無(wú)法進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)。圖3水冷壁綁帶焊縫外觀檢測(cè)工藝超聲相控陣S掃描顯示S掃描顯示即扇形或方位顯示，是探頭延時(shí)和折射角已作校正，特定通道所有A顯示疊加而成的二維圖像。典型的S顯示是用相同陣元和相同焦距通過(guò)一定角度范圍掃查獲得的(見(jiàn)圖4)，其水平軸對(duì)應(yīng)于投影距離(試件寬度)，而垂直軸對(duì)應(yīng)于深度。圖4超聲相控陣S顯示扇掃端角區(qū)域分析法扇掃端角區(qū)域分析法是為完成缺陷評(píng)定而提出的一種新的超聲相控陣圖譜分析方法，其原理是根據(jù)被檢焊縫固定位置的反射波來(lái)確定聲束覆蓋區(qū)域，從而判定該區(qū)域是否存在缺陷的。ESBeamTool軟件仿真效果示意如圖5所示，被檢測(cè)焊縫隨著位置變化，焊縫結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，但是超聲相控陣聲波可實(shí)現(xiàn)多角度覆蓋，進(jìn)行超聲相控陣聲束覆蓋仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲相控陣探頭保持與焊縫水平位置不變時(shí)，會(huì)有相同或相近的角度覆蓋住結(jié)構(gòu)端角1、結(jié)構(gòu)端角2和結(jié)構(gòu)端角3。圖5ESBeamTool軟件仿真效果示意依據(jù)仿真軟件得出采用此檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲相控陣扇掃圖譜的61°聲束方向上會(huì)發(fā)現(xiàn)端角2的反射波，在扇掃圖譜的63°聲束方向上會(huì)發(fā)現(xiàn)端角3的反射波，在扇掃圖譜的70°聲束方向上會(huì)發(fā)現(xiàn)端角1的反射波。通過(guò)仿真軟件同樣可發(fā)現(xiàn)聲束61°~70°所覆蓋的區(qū)域即為要檢測(cè)的焊縫區(qū)域，同時(shí)此類(lèi)焊縫缺陷多出現(xiàn)在水冷壁管外表面，即區(qū)域2，因此依據(jù)此結(jié)論完成對(duì)綁帶焊縫的檢測(cè)工作，無(wú)缺陷焊縫的超聲相控陣檢測(cè)圖譜如圖6所示?？梢?jiàn)在扇掃圖譜的60°聲束方向上發(fā)現(xiàn)端角2的反射波，深度為28.1mm；在扇掃圖譜的65°聲束方向上發(fā)現(xiàn)端角3的反射波，深度為28.6mm；在扇掃圖譜的72°聲束方向上發(fā)現(xiàn)端角1的反射波，深度為18.6mm。該檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，因此可以在扇掃圖上判定區(qū)域1為焊縫所在區(qū)域，區(qū)域2為裂紋易出現(xiàn)區(qū)域。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，只需觀察區(qū)域2中是否存在異常信號(hào)，即可判斷該區(qū)域是否存在裂紋，該方法即為提出的“扇掃端角區(qū)域分析法”。圖6無(wú)缺陷焊縫的超聲相控陣檢測(cè)圖譜檢測(cè)步驟1繪制焊縫結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量待檢焊縫結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)，測(cè)量水冷壁管排位置的焊縫結(jié)構(gòu)尺寸和水冷壁膜片位置的焊縫結(jié)構(gòu)尺寸，該尺寸包括水冷壁綁帶厚度D，水冷壁焊縫水平寬度a，水冷壁垂直厚度b，并依據(jù)此尺寸繪制不同位置的焊縫結(jié)構(gòu)。圖7待檢焊縫結(jié)構(gòu)示意2聲束仿真，采用ESBeamTool仿真軟件完成超聲相控陣聲束覆蓋模擬，用來(lái)確定檢測(cè)不同位置焊縫采用的聚焦法則和探頭所在位置。3制定檢測(cè)工藝，通過(guò)EsbeamTool仿真軟件的聲束覆蓋模擬，可以看出在此工藝下，可實(shí)現(xiàn)被檢焊縫的全覆蓋，且在綁帶與水冷壁管排相連的焊縫(見(jiàn)圖8)和綁帶與水冷壁膜片相連的焊縫(見(jiàn)圖9)處可采用相同的檢測(cè)工藝。圖8水冷壁綁帶與水冷壁管排相連的焊縫結(jié)構(gòu)示意圖9水冷壁綁帶與水冷壁膜片相連的焊縫結(jié)構(gòu)示意4依據(jù)模擬軟件完成掃查工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。探頭型號(hào)：5L32-A11，楔塊型號(hào)：SA11-N55S，掃描角度：55°～75°，激發(fā)晶片數(shù)量：32，起始晶片：1，終止晶片：32，探頭位置：探頭前沿距離綁帶邊緣35mm，檢測(cè)端角1所需角度：61°，檢測(cè)端角2所需角度：63°，檢測(cè)端角3所需角度：70°。5缺陷判別方法采用上述的“扇掃端角區(qū)域分析法”進(jìn)行判別。檢測(cè)對(duì)象與設(shè)備采用現(xiàn)場(chǎng)割管的形式獲得檢測(cè)對(duì)象，水冷壁管排及缺陷位置示意如圖10所示，該試樣為某機(jī)組工程截取的帶自然缺陷的水冷壁管排，其中綁帶厚度為28mm。超聲相控陣試驗(yàn)采用頻率為5MHz，32陣元，間距為0.5mm的探頭；橫波楔塊傾角為36°，聲速為2337m/s，最大偏轉(zhuǎn)范圍標(biāo)稱(chēng)值為40°～74°。圖10水冷壁管排及缺陷位置示意檢測(cè)結(jié)果1缺陷識(shí)別，采用提出的“扇掃端角區(qū)域分析法”對(duì)扇掃圖譜進(jìn)行分析，圖11為無(wú)缺陷焊縫的超聲相控陣檢測(cè)圖譜，其中區(qū)域1為焊縫結(jié)構(gòu)所在區(qū)域，區(qū)域2為此類(lèi)缺陷多發(fā)的區(qū)域，即為此次檢測(cè)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。圖11無(wú)缺陷焊縫的超聲相控陣檢測(cè)圖譜2檢測(cè)過(guò)程中的扇掃圖譜如圖12所示，圖12(a)為無(wú)缺陷的超聲相控陣檢測(cè)圖譜，由該圖譜可觀察到區(qū)域2中無(wú)異常信號(hào)，代表該區(qū)域沒(méi)有裂紋缺陷，當(dāng)探頭繼續(xù)移動(dòng)，區(qū)域2發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，則說(shuō)明此位置存在裂紋缺陷，如圖12(b)所示，繼續(xù)移動(dòng)探頭，區(qū)域2位置的異常信號(hào)消失代表此處為裂紋結(jié)束位置，如圖12(c)所示。圖12檢測(cè)過(guò)程中的扇掃圖譜3依據(jù)以上方法對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，可清晰地檢測(cè)到試樣上的3處裂紋缺陷，如圖13所示。圖13不同位置的缺陷圖譜檢測(cè)結(jié)果分析由圖12可知，檢測(cè)此類(lèi)焊縫時(shí)，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可直觀地區(qū)別該位置是否存在裂紋缺陷，從而大大提高檢出率；水冷壁綁帶裂紋缺陷多出現(xiàn)在水冷壁焊縫與水冷壁管排相接觸的位置；依據(jù)提出的“扇掃端角區(qū)域分析法”檢測(cè)此類(lèi)焊縫，可直觀可靠地完成此類(lèi)特殊焊縫的檢測(cè)工作。結(jié)語(yǔ)1水冷壁綁帶焊縫檢測(cè)一直是行業(yè)內(nèi)的檢測(cè)難題，提出了超聲相控陣仿真軟件模擬檢測(cè)工藝，并利用“扇掃端角區(qū)域分析法”對(duì)檢測(cè)圖譜進(jìn)行分析，很好地解決了該難題。2E