螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫專用超聲檢測(cè)技術(shù)

嚴(yán)禎榮，陳學(xué)東，羅曉明

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200333；2.合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230031）

螺旋管圈水冷壁是國(guó)產(chǎn)1000 MW 超超臨界鍋爐的最主要承壓部件之一。螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫裂紋造成頻繁停爐事故。

如上海某電廠SG－2955／27.9－M530型塔式爐整套啟動(dòng)期間由于螺旋段水冷壁37處泄露問(wèn)題，造成機(jī)組啟停14 次。

浙江某電廠 二期兩臺(tái)SG－3091／27.56－M54X型塔式鍋爐，其中5 號(hào)鍋爐在水壓試驗(yàn)后泄漏17次，6號(hào)鍋爐在水壓試驗(yàn)后泄漏3次。

諸如類似的問(wèn)題，已引起電力行業(yè)的高度關(guān)注。研究有效的無(wú)損檢測(cè)方法，檢測(cè)在用超超臨界鍋爐的螺旋管圈水冷壁鰭片的焊縫裂紋是當(dāng)務(wù)之急。

1 專用超聲檢測(cè)技術(shù)的提出

螺旋管圈水冷壁采用在管子之間焊接扁鋼連接而成，在工程上，把用來(lái)連接水冷壁管子的扁鋼稱為鰭片，鰭片和水冷壁管子的焊接角焊縫稱為鰭片焊縫，如圖1所示。

這種鰭片焊縫頻繁產(chǎn)生裂紋造成停爐事故。國(guó)內(nèi)一些鍋爐制造廠、火力發(fā)電廠的工程技術(shù)人員進(jìn)行了深入的研究。比如，溫順利［1］等對(duì)以上泄漏點(diǎn)進(jìn)行分析和比較，得出泄漏位置在水冷壁拼縫處、水冷壁上附件筋板與水冷壁焊接處，且泄露位置的缺陷類型是裂紋。

在電站鍋爐制造和安裝環(huán)節(jié)，水冷管壁鰭片焊縫檢測(cè)不但沒有得到重視，且缺乏有效的檢測(cè)手段。由于鰭片焊縫不直接承受水冷壁管內(nèi)的壓力，《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG G0001－2012）和《鍋爐安裝監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG G7001－2004）中均沒有明確提出對(duì)鰭片焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的要求。

圖1 水冷管與鰭片焊接結(jié)構(gòu)示意

由于制造環(huán)節(jié)的鰭片管組裝面積非常大，焊道總量多，安裝環(huán)節(jié)的鰭片管密集排列，采用表面檢測(cè)和射線檢測(cè)均存在難度大、費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。表面檢測(cè)僅能發(fā)現(xiàn)表面與近表面的缺陷，不能發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部缺陷；射線檢測(cè)也對(duì)細(xì)小裂紋的檢測(cè)能力有限。但是，采用超聲波檢測(cè)，不僅成本較低，效率高，而且，對(duì)面積型缺陷敏感。當(dāng)然，對(duì)檢測(cè)人員水平要求較高。

常規(guī)的超聲波檢測(cè)，由于鰭片之間的間隙非常窄，探頭無(wú)法放置，根本無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，由于鰭片焊縫表面本身形狀的復(fù)雜性，不僅檢測(cè)前焊縫的打磨工作量巨大，同時(shí)，限制了超聲相控陣與TOFD技術(shù)的應(yīng)用［2－4］。因此，探索一種相對(duì)簡(jiǎn)單且快速準(zhǔn)確的檢測(cè)手段，對(duì)避免水冷管壁鰭片焊縫裂紋漏檢，防止水冷管破裂泄露就顯得非常緊迫和必要。

2 專用超聲檢測(cè)系統(tǒng)研制

以某大型火電廠1000 MW 機(jī)組塔式鍋爐的螺旋管圈水冷壁為例，水冷管外徑為φ38mm，壁厚為8mm，扁鋼寬度為30mm，厚度為6mm，水冷管與扁鋼焊接，坡焊縫沿扁鋼寬度方向約為3mm，兩管之間的扁鋼平面寬度約為24 mm。所檢測(cè)橫向裂紋通常發(fā)生于焊縫中間，隨著焊縫的逐步拓展，缺陷可深入至水冷管壁內(nèi)或延展至焊縫表面。

針對(duì)該螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊縫裂紋的形成，開發(fā)了一套專用超聲檢測(cè)系統(tǒng)。主要包括專用超聲探頭設(shè)計(jì)和專用超聲檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)兩大部分。

2.1 專用超聲探頭設(shè)計(jì)

螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫檢測(cè)分為探頭對(duì)側(cè)焊縫檢測(cè)和探頭側(cè)焊縫檢測(cè)兩種情況，超聲波在介質(zhì)中的傳播途徑如圖2 所示。H為焊縫下端與鰭片上端面垂直距離，α為楔塊與金屬界面超聲波入射角，β為折射角。近探頭側(cè)鰭片焊縫裂紋檢測(cè)可采用鰭片底邊二次反射橫波檢測(cè)。

由于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境限制和螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求探頭幾何尺寸不能太大。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)要求，水冷管雙邊四條鰭片焊縫從扁鋼單面完成檢測(cè)最佳，此外為提高檢測(cè)靈敏度，選用波長(zhǎng)較短的橫波探傷。

圖2 鰭片兩側(cè)焊縫檢測(cè)示意

通過(guò)對(duì)有機(jī)玻璃、ABS 塑料、聚砜、聚酰亞胺、尼龍等多種材料加以比對(duì)后，選擇聚砜較為合適。主要原因?yàn)椋嗤瑺顟B(tài)下聚砜材料的聲阻抗與水冷壁管材料的聲阻抗匹配，同其他幾種材料相比較有利于更多的聲能進(jìn)入到水冷壁管中。另外，聚砜材料的聲衰減系數(shù)也較小，相同情況下同樣可以獲得較高的超聲波檢測(cè)信號(hào)，有利于獲得較小的前沿與檢測(cè)靈敏度。

專用超聲探頭設(shè)計(jì)主要包括晶片設(shè)計(jì)、探頭鍥塊設(shè)計(jì)、探頭背村設(shè)計(jì)和探頭電匹配四部分。

為獲得較高檢測(cè)靈敏度，選擇矩形復(fù)合材料壓電晶片。試驗(yàn)表明，當(dāng)檢測(cè)超聲頻率較高時(shí)（以5 MHz為界），易受母材與焊接組織結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生較多的噪音信號(hào)，因此晶片中心頻率選擇5 MHz。為保證缺陷檢測(cè)靈敏度和缺陷定量分析，探頭聲場(chǎng)距離以三倍近場(chǎng)長(zhǎng)度為佳，由此確定檢測(cè)橫波近場(chǎng)長(zhǎng)度。常溫下，聚砜材料和鋼中的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于晶片尺寸，根據(jù)鋼中橫波波長(zhǎng)及橫波近場(chǎng)長(zhǎng)度，可以計(jì)算出壓電晶片面積。根據(jù)計(jì)算的壓電晶片長(zhǎng)度，可以近似求得探頭前沿長(zhǎng)度，按照實(shí)際生產(chǎn)需要，鰭片與水冷管焊接融合深度約為鰭片厚度的60%，計(jì)算得到的探頭前沿，確保在檢測(cè)過(guò)程中，有效避免鰭片與水冷管壁接觸區(qū)中間未熔合區(qū)域產(chǎn)生的超聲波反射信號(hào)進(jìn)入超聲波探頭（未熔合不在檢測(cè)范圍之內(nèi)），造成檢測(cè)人員誤判。然后根據(jù)計(jì)算得到的晶片長(zhǎng)度和壓電晶片面積，進(jìn)而計(jì)算得到晶片寬度。

圖3 楔塊外形與超聲波傳播路徑

探頭楔塊形狀設(shè)計(jì)既要保證探頭前沿值盡量短又要雜波少，為減少楔塊側(cè)面造成的反射雜波，在楔塊四周側(cè)面開深度約為0.5～1mm 寬度0.2mm左右的豎槽，楔塊外形設(shè)計(jì)如圖4（a）所示，其中α為入射角，γ為楔塊前端傾斜角。楔塊外形設(shè)計(jì)成圖4所示的優(yōu)勢(shì)在于超聲波在楔塊底與鋼接觸面產(chǎn)生的縱波反射波傳播途徑如圖4（b）所示。當(dāng)設(shè)計(jì)的楔塊前端傾斜角滿足一定要求時(shí)，鋼中入射波在楔塊內(nèi)的第二次反射波恰好與鰭片表面平行，能夠沿傳播途徑進(jìn)入換能器，而此時(shí)被換能器接收到的干擾反射波最少。

完成楔塊設(shè)計(jì)后，要得到理想的窄脈沖波以提升探頭檢測(cè)分辨靈敏度，需要對(duì)超聲探頭背襯吸聲層和電匹配精確設(shè)計(jì)。

圖4 二種人工缺陷

目前，超聲探頭的背襯多采用鎢粉加環(huán)氧樹脂制成的復(fù)合材料，此外還有金屬－金屬、金屬－高分子材料背襯等。依賴于控制基質(zhì)內(nèi)固體顆粒大小以及數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)探頭背襯聲阻抗以及衰減系數(shù)的調(diào)節(jié)。背襯中產(chǎn)生聲衰減的因素主要為兩個(gè)，其一是基質(zhì)內(nèi)固體顆粒所產(chǎn)生的散射衰減，超聲進(jìn)入背襯經(jīng)過(guò)復(fù)雜無(wú)序的散射后，轉(zhuǎn)化為熱能；第二個(gè)原因是由于背襯材料的粘滯效應(yīng)，導(dǎo)致背襯內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間的相互摩擦，使得聲能轉(zhuǎn)化為熱能。

一般地，背襯復(fù)合材料中的聲衰減隨鎢粉體積濃度的增加顯著增大，但其衰減系數(shù)趨于接近一個(gè)極大值，意味著如果已知壓電晶片的中心頻率，通過(guò)控制鎢粉顆粒的尺寸可以實(shí)現(xiàn)背襯復(fù)合材料的最大衰減。

為實(shí)現(xiàn)與壓電晶片聲阻抗的匹配，設(shè)計(jì)對(duì)背襯復(fù)合材料的聲阻抗作了理論上的計(jì)算分析，尋找聲阻抗與鎢粉體積濃度之間的關(guān)系。

當(dāng)背襯復(fù)合材料中鎢粉體積濃度較低時(shí)，隨鎢粉體積濃度的增加，超聲波聲速下降，這主要是由于復(fù)合材料中填充材料顆粒散射的原因，主要在超聲頻率較低的時(shí)候出現(xiàn)。當(dāng)鎢粉體積濃度超過(guò)50%時(shí)，聲速隨鎢粉體積濃度的增加快速升高，逐漸接近于純鎢中的聲速。當(dāng)背襯復(fù)合材料中鎢粉體積濃度低于40%時(shí)，聲阻抗隨鎢粉體積濃度的改變不甚明顯，鎢粉體積濃度從40%至60%變化區(qū)間內(nèi)，聲阻抗會(huì)發(fā)生急劇變化，故在該區(qū)間內(nèi)對(duì)鎢粉比例的控制要求較高為增加超聲換能器的帶寬，還有一個(gè)重要的手段就是電匹配問(wèn)題。

2.2 專用超聲檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)

鰭片焊縫專用超聲檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)包括超聲發(fā)射電路、超聲增益放大電路、濾波電路和數(shù)據(jù)采集電路等。

超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲檢測(cè)的關(guān)鍵部分，對(duì)于超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能具有很大的影響。為了方便系統(tǒng)靈活調(diào)試，設(shè)計(jì)采用非調(diào)諧式發(fā)射電路，其脈沖控制超聲波的發(fā)射電路是脈沖回波法超聲檢測(cè)的關(guān)鍵部分，對(duì)于超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能具有很大的影響。其脈沖控制參數(shù)可以通過(guò)核心控制器FPGA 方便地進(jìn)行修改設(shè)定。

超聲檢測(cè)信號(hào)接收／數(shù)據(jù)采集模塊中的程控放大電路放大后，再經(jīng)過(guò)超聲濾波電路。選用帶通濾波電路，使有用信號(hào)正好在它的通頻帶上，有效濾除噪聲。為兼顧不同的應(yīng)用和頻段選擇，設(shè)計(jì)中利用FPGA控制繼電器選擇五組帶通濾波電路，其通頻帶分別為0.4～0.6 MHz、0.8～1.2 MHz、2～2.6 MHz、4～6MHz、8～10MHz。

數(shù)據(jù)采集電路采用常規(guī)設(shè)計(jì)。

3 超聲檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 水冷壁試件和人工缺陷加工

采用四根水冷壁管，材料為T23，規(guī)格為φ38mm×7mm 或φ38mm×7.2mm，取長(zhǎng)約1m；鰭片扁鋼材料為SA387－Gr12CL1，規(guī)格為6mm×15mm 或6mm×15.5 mm，焊制水冷壁管屏。然后在試件鰭片焊縫上制作人工缺陷，分別為平底孔和近似裂紋的刻槽，平底孔深5mm，直徑為1mm，人工刻槽尺寸為寬0.5mm，長(zhǎng)10mm，深5mm，分別如圖6和圖7所示。

3.2 水冷壁試件上人工缺陷的檢測(cè)

采用研制的超聲探頭和檢測(cè)儀器進(jìn)行探傷。無(wú)缺陷部位的檢測(cè)信號(hào)圖像如圖5所示，在同缺陷側(cè)面檢測(cè)0.5mm×10mm×5mm人工刻痕和φ1mm×5mm平底孔信號(hào)圖像如圖6和圖7所示，在缺陷背面檢測(cè)0.5mm×10mm×5mm人工刻痕和φ1mm×5mm平底孔的信號(hào)圖像分別如圖8和圖9所示。

圖5 試件無(wú)缺陷部位超聲波信號(hào)

圖6 同面檢測(cè)人工刻槽超聲波信號(hào)

從上述檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)從焊縫對(duì)面和焊縫同面均順利檢測(cè)出人工缺陷，同面檢測(cè)時(shí)因采用二次反射橫波檢測(cè)，聲程較背面檢測(cè)長(zhǎng)，反應(yīng)在示波屏上就是同面檢測(cè)時(shí)缺陷波位置后移。人工刻槽的反射當(dāng)量較平底孔反射當(dāng)量大，因此人工刻槽的缺陷回波比平底孔缺陷回波高2dB。

圖9 背面檢測(cè)人工平底孔超聲波信號(hào)

4 結(jié)論

（1）螺旋管圈水冷壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，限制了超聲相控陣與TOFD 技術(shù)的應(yīng)用。開發(fā)專用微型超聲探頭的常規(guī)聲檢測(cè)技術(shù)在螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫檢測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

（2）在鰭片寬度僅5mm 的狹長(zhǎng)檢測(cè)空間，通過(guò)鰭片單一面耦合，實(shí)現(xiàn)了雙面鰭片焊縫缺陷檢測(cè)，能夠方便、有效地應(yīng)用到超超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁檢修環(huán)節(jié)。

［1］溫順利，謝波，蔣向南.1000 MW 超超臨界鍋爐T23鋼水冷壁防泄漏探討［J］.電力建設(shè)，2010，31（9）：82－86.

［2］陳偉，詹紅慶，楊貴德，等.基于直通波抑制的超聲TOFD 圖像缺陷檢測(cè)新方法［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（6）：402－405.

［3］沈建中.超聲成像技術(shù)及其在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，1994，16（7）：202－206.

［4］李偉，羅雄彪.基于相關(guān)技術(shù)的超聲檢測(cè)信號(hào)處理［J］.無(wú)損檢測(cè)，2005，27（6）：297－299.