管道不規(guī)則接頭內(nèi)外斜臺(tái)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的影響

，，，，

（1.江蘇大唐國(guó)際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，南通226246；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102；3.武漢大學(xué) 無損檢測(cè)中心，武漢430072）

由于超（超）臨界火力發(fā)電機(jī)組能夠提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本、節(jié)約能源、改善環(huán)境，已成為當(dāng)前我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的必然趨勢(shì)和其重要組成部分。然而，因制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝原因，超（超）臨界機(jī)組四大管道等壓力管道中的三通、彎頭、大小頭等管件和直管連接，其相互連接的對(duì)接接頭存在內(nèi)外斜臺(tái)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，致使實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)要求的常規(guī)脈沖反射法超聲波檢測(cè)困難，而此類結(jié)構(gòu)焊縫難以正常檢測(cè)的問題往往造成壓力管道因內(nèi)部缺陷未檢出而造成失效，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來極大的安全隱患［1－3]。

文獻(xiàn)［4]研究了單斜探頭對(duì)管道接頭檢測(cè)的可行性，但因該方法在應(yīng)用時(shí)聲束覆蓋區(qū)域小，缺陷檢出率低，若用兩個(gè)不同K值斜探頭進(jìn)行掃查，雖可擴(kuò)大聲束覆蓋區(qū)，但仍會(huì)存在較大未覆蓋區(qū)域。因此，研究利用相控陣聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦，以及不移動(dòng)探頭多角度檢測(cè)增大聲束覆蓋范圍，提高缺陷檢出率和檢測(cè)效率非常重要。由于接頭兩側(cè)內(nèi)外壁斜臺(tái)面的影響，相控陣聲束在接頭中的傳播變得很復(fù)雜，檢測(cè)人員憑經(jīng)驗(yàn)很難準(zhǔn)確確定工藝和信號(hào)源，容易造成誤判和漏檢。針對(duì)這一問題，建立了相控陣聲束在管道接頭中的傳播模型，并分析了典型斜臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)聲束傳播的各種影響，為制訂相控陣超聲檢測(cè)管道接頭的工藝和信號(hào)分析記錄提供了重要的依據(jù)。

1 管道接頭的超聲波檢測(cè)聲線模型

1.1 管道接頭的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)描述

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，超（超）臨界火電機(jī)組主蒸汽管道、熱再管道及主給水管道等壓力管道均存在如圖1所示的帶臺(tái)階管道不規(guī)則接頭，其幾何參數(shù)隨管道壁厚不同而有所差異，統(tǒng)計(jì)得到管道接頭參數(shù)如表1所示。對(duì)此，筆者設(shè)置相關(guān)母材厚度、接頭寬度、坡口角度以及斜臺(tái)參數(shù)等信息，可以確定檢測(cè)對(duì)象的幾何描述。圖1中T為接頭厚度；h1為外斜臺(tái)高度；d1為外斜臺(tái)下端點(diǎn)到接頭邊緣距離；l1為外斜臺(tái)長(zhǎng)度；l2為內(nèi)斜臺(tái)高度；d2為內(nèi)斜臺(tái)上端點(diǎn)到接頭根部距離；l2為內(nèi)斜臺(tái)長(zhǎng)度；β1為一級(jí)坡口角度；β2為二級(jí)坡口角度；H為一、二級(jí)坡口交點(diǎn)距底面高度；g為根部對(duì)口間隙；r為鈍邊高度。

表1 管道接頭參數(shù)

1.2 模型構(gòu)建

圖1 管道接頭示意

構(gòu)建管道接頭超聲傳播模型可直觀表述聲束與斜臺(tái)面及工件其他邊界的相互作用。在高頻近似下，超聲傳播過程可以用聲線模型來描述［5－6]，超聲波與界面的反射以及波型轉(zhuǎn)換可以在Snell定律框架下，用聲線與圖1中各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)所連線段或圓弧的向量計(jì)算進(jìn)行模擬，如圖2所示，D0為入射向量，D為反射向量，D1為與界面平行的單位向量，I0為界面法向量，得到反射向量D的計(jì)算公式為：

對(duì)于管道接頭相控陣超聲檢測(cè)的聲線模型，需要繼續(xù)考慮以下幾點(diǎn)：① 某一相控陣超聲探頭，先計(jì)算不同角度聲束的入射向量，再用上式計(jì)算其反射向量，即可得到多個(gè)角度的傳播聲線。② 對(duì)于N次反射情況，以（N－1）次反射向量作為入射向量，利用上式即可得到N次反射情況。③ 出現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換時(shí)，先利用Snell定律計(jì)算出反射角，再進(jìn)行反射向量的計(jì)算。

圖2 聲線在界面處的反射

2 管道接頭內(nèi)、外斜臺(tái)影響

2.1 管道接頭相控陣聲線仿真及分析

表1表明由于壓力管道厚度不同，斜臺(tái)高度與接頭的距離、角度以及坡口參數(shù)均有所變化，選取34，57，90 mm三種典型厚度試樣進(jìn)行仿真分析。相控陣探頭參數(shù)：頻率5 MHz，32晶片；采用楔塊參數(shù)為N55S，主聲線角度為55°橫波，聲束角度范圍為36°～70°。由于外斜臺(tái)上端點(diǎn)到接頭邊緣距離最大為32 mm，小于相控陣探頭楔塊長(zhǎng)度，所以，探頭只能放置在外斜臺(tái)以上的管外壁來進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 不同厚度接頭的聲線覆蓋

應(yīng)用相控陣聲線仿真分析不同探頭入射點(diǎn)下外斜臺(tái)對(duì)聲束的遮擋情況，確定不受遮擋且覆蓋最大時(shí)對(duì)應(yīng)的探頭入射點(diǎn)，討論聲束在內(nèi)斜臺(tái)處的反射情況及其帶來的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果如下：

（1）當(dāng)探頭前沿位于外斜臺(tái)處，根據(jù)接頭厚度和斜臺(tái)高度及位置的不同，外斜臺(tái)對(duì)聲束的遮擋作用有所差異，對(duì)于厚度為90 mm工件，60°～70°范圍的大角度聲線均由于斜臺(tái)的反射傳播方向改變，如圖3（a）所示；對(duì)于厚度為57 mm工件，只有67°～70°范圍的4個(gè)角度聲線被斜臺(tái)遮擋，如圖3（c）所示；對(duì)于厚度為34 mm工件，聲束不再受到外斜臺(tái)影響，如圖3（e）所示。可見，厚度越大的工件，在檢測(cè)過程中越要重視外斜臺(tái)對(duì)聲束的影響。

（2）為避開外斜臺(tái)對(duì)聲束的遮擋作用，可以將探頭向遠(yuǎn)離接頭方向移動(dòng)，對(duì)于厚度為90 mm的工件，當(dāng)探頭前沿距離外斜臺(tái)22.4 mm時(shí)，可避開外斜臺(tái)影響，如圖3（b）所示，此時(shí)聲束的未覆蓋區(qū)域的深度由34 mm減小到21 mm；對(duì)于厚度為57 mm工件，當(dāng)探頭距離外斜臺(tái)4.9 mm時(shí)，可避開外斜臺(tái)影響，如圖3（d）所示，未覆蓋區(qū)由12 mm減小至6 mm。

（3）當(dāng)探頭向遠(yuǎn)離接頭方向移動(dòng)時(shí)，對(duì)于厚度為90 mm的工件，部分聲線將被內(nèi)斜臺(tái)反射，反射聲束以近似垂直的角度與熱影響區(qū)上表面作用，產(chǎn)生干擾信號(hào)，如圖3（b）所示；對(duì)于厚度為34 mm工件，同樣會(huì)有一小部分聲束在內(nèi)斜臺(tái)反射后以垂直角度作用于熱影響區(qū)上表面，產(chǎn)生干擾信號(hào)，如圖3（e）所示；這些干擾信號(hào)在扇掃圖像中出現(xiàn)的位置常常位于接頭檢測(cè)區(qū)域，無法憑經(jīng)驗(yàn)直接確定其是否為真實(shí)缺陷及其在工件中的實(shí)際位置，必須憑借聲線輔助分析來進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

（4）必要時(shí)，可以利用斜臺(tái)反射波探測(cè)具有特定位置的缺陷，例如對(duì)于厚度為90，57 mm工件，利用外斜臺(tái)處反射波來探測(cè)熱影響區(qū)內(nèi)缺陷，如圖3（a），（c）所示；對(duì)于厚度為34 mm 工件，利用內(nèi)斜臺(tái)處反射聲束檢測(cè)接頭上部區(qū)域，如圖3（f）所示。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

檢測(cè)對(duì)象為某火電廠660 MW超（超）臨界機(jī)組高旁管道三通與彎頭連接焊縫，如圖4（a）所示；檢測(cè)設(shè)備為多浦樂公司制造的超聲相控陣儀器，陣元型號(hào)為5L16－0.5＊10，楔塊型號(hào)為SD1－N55S，為保證焊縫區(qū)域能夠更好地被聲束覆蓋，掃查角度范圍設(shè)定為36°～80°入射橫波。

圖4 管道檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片

利用聲線仿真技術(shù)和焊縫坡口結(jié)構(gòu)圖紙，確定聲束不受外斜臺(tái)遮擋的臨界入射點(diǎn)的位置，如圖5（a）所示，此時(shí)探頭前端距離外斜臺(tái)上端點(diǎn)為86 mm。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)為驗(yàn)證外斜臺(tái)對(duì)聲束傳播的影響，選取入射點(diǎn)小于86 mm某一位置，如圖4（b）所示，探頭前端距離外斜臺(tái)上端點(diǎn)為20 mm。利用聲線模型確定此時(shí)聲束覆蓋情況，如圖5（b）所示，外斜臺(tái)對(duì)掃查角度為69°～80°范圍內(nèi)聲線（藍(lán)色）產(chǎn)生了遮擋，剩余36°～68°范圍內(nèi)聲線（紅色）則不受外斜臺(tái)影響。藍(lán)色聲線經(jīng)外斜臺(tái)反射后會(huì)在管道內(nèi)壁形成結(jié)構(gòu)反射回波，該內(nèi)壁回波出現(xiàn)在相控陣扇掃結(jié)果圖中會(huì)造成誤判，需在信號(hào)識(shí)別中加以甄別；紅色聲線雖然不受外斜臺(tái)影響，但應(yīng)注意到36°附近角度聲線恰好與內(nèi)斜臺(tái)形成良好入射關(guān)系，會(huì)在內(nèi)斜臺(tái)處產(chǎn)生干擾回波信號(hào)顯示。

圖5 探頭前沿距外斜臺(tái)不同距離時(shí)的聲線仿真計(jì)算結(jié)果

圖6為檢測(cè)得到的扇掃圖像，其中圖6（a）中掃查角度為36°～80°，可以看到出現(xiàn)了明顯的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)反射回波，該回波對(duì)應(yīng)角度范圍為69°～80°，同時(shí)在36°掃查聲線上出現(xiàn)了內(nèi)斜臺(tái)回波，該兩處結(jié)構(gòu)回波與聲線分析一致；圖6（b）是掃查角度為36°～65°的扇掃圖像，由聲線分析知該范圍聲線不受外斜臺(tái)遮擋，故圖像上不存在內(nèi)壁回波，但依然存在內(nèi)斜臺(tái)回波。同時(shí)，比較圖6（a）、（b）兩次掃查結(jié)果可以看到，圖6（a）中65°～69°角度聲束掃查到一處應(yīng)記錄缺陷顯示（按DL/T820－2002標(biāo)準(zhǔn)《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》，該缺陷最高波幅為SL＋4 dB），但在圖6（b）中該處缺陷顯示不明顯且為非記錄缺陷（按DL/T820－2002標(biāo)準(zhǔn)，該缺陷最高波幅為SL－2 dB），其原因是按照?qǐng)D6（b）掃查時(shí)為避免內(nèi)壁結(jié)構(gòu)反射回波干擾減少了掃查角度范圍導(dǎo)致的焊縫覆蓋區(qū)域變小，這樣會(huì)造成部分缺陷漏檢。由此可見，為確保檢測(cè)覆蓋率，對(duì)上述焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡量采用較大掃查角度范圍，但現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)可放置探頭的區(qū)域往往因工件結(jié)構(gòu)的限制而較小，很難滿足大掃查角度范圍聲束不受外斜臺(tái)遮擋影響的檢測(cè)距離要求，且探頭放置位置過遠(yuǎn)也會(huì)引起聲能損失過大和角度補(bǔ)償不足等問題，這種情況下結(jié)構(gòu)回波造成的干擾信號(hào)必然經(jīng)常出現(xiàn)在相控陣檢測(cè)結(jié)果中，因此利用聲線仿真方法對(duì)上述焊縫相控陣檢測(cè)結(jié)果中的非缺陷結(jié)構(gòu)回波信號(hào)進(jìn)行有效甄別，對(duì)避免誤判具有較大的實(shí)用價(jià)值，是上述焊縫相控陣檢測(cè)方法的有益補(bǔ)充和有效的輔助手段。

圖6 探頭前沿距外斜臺(tái)20 mm時(shí)不同角度的扇掃結(jié)果

3 結(jié)論

通過建立相控陣聲束在管件接頭中傳播的聲線模型，為管件接頭在確定厚度和檢測(cè)條件下，分析檢測(cè)時(shí)外斜臺(tái)對(duì)聲束的遮擋、探頭最佳入射點(diǎn)、內(nèi)斜臺(tái)產(chǎn)生反射聲束的偏轉(zhuǎn)方向等提供了一套定量計(jì)算方法，可為制訂相控陣超聲檢測(cè)管件接頭的工藝和信號(hào)分析提供重要依據(jù)。

［1]李勇，陳順強(qiáng).電廠潤(rùn)滑油管焊制三通開裂失效分析［J].廣東電力，2007（1）：54－56.

［2]奚蔚.平衡管道三通開裂失效分析［J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2011，28（3）：51－53.

［3]趙永寧.主汽管三通接頭開裂泄露原因分析研究［J].山東電力，2001（6）：13－16.

［4]馬君鵬，李曉紅，李夕強(qiáng).基于 MAPOD的管件接頭超聲檢測(cè)可靠性［J].無損檢測(cè)，2014，36（12）：60－64.

［5]SEUNGHAN Y，BYUNGSIK Y， YONGSIK K.Using phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount－type low－pressure turbine disc［J].NDT＆E International，2009，41：128－132.

［6]BRENT Z，PHILIPPE C，ERICA S.Modeling in the Development of complex NDE solutions for AECL NRU reactor［C].The 4th International Candu ISI Workshop.Toronto，Canada：［S.n]，2012.