摘要：目前，电建项目中，随着对质量的重视程度增加，电厂小径管无损检测比例也越来越高，由于射线检测在时间上和工程进度有直接冲突，而相控阵超声检测正好可以解决射线检测带来的时间冲突问题，因此，相控阵超声检测在电厂小径管检测中的发展应用，为更好的确保焊接质量及加快工程进度提供了保障。
关键词：相控阵超声;电厂;小径管;无损检测
1引言
目前，电厂小径管无损检测方法中，射线检测具有辐射伤害特性，在作业时间上和工程进度有直接冲突，而相控阵超声检测对其他作业没有影响。超声相控阵技术是利用电子方式控制相控阵探头合成的声束来实现超声波发射、接收的方法。可以产生和常规超声波相同的声束和角度,但它与常规超声检测不同的是能精确的以电子方式控制声束的角度、聚焦深度和焦点尺寸。随着对小径管相控阵超声技术的研究改进，技术越来越成熟，ASNE code case里面也给出了相应案例，为在电厂小径管无损检测中使用相控阵超声技术来逐步代替射线检测技术来控制焊接质量提供了可行性。
2 目前电厂小径管无损检测现状
目前，在小径管检测中只有相控阵超声检测替代射线检测有可行的标准案例。在ASME BPVC.CC.BPV-2015 2816中，首次将相控阵超声代替射线检测的厚度最小值降到6mm。而且相控阵技术相对成熟，目前可检测最小厚度为3.5mm，因此小径管焊口相控阵超声检测用来代替射线检测是唯一可行之策。
3 小径管超声相控阵技术简介
相控阵探头是由许多独立的晶片构成的,每个晶片都能被单独激发，施加不同的时间延迟,以实现声束的角度和聚焦可在很大的范围内变化。这些探头由特殊的装置驱动,能够在每个通道独立的、同步的发射和接收信号。相控阵超声检测使用的常规探头安装楔块，形成一个角度声束组件，利用水作为耦合剂，小径管检测探头频率一般使用7.5MHz。
超声相控阵技术在扫查方式上主要分为线性扫查、扇形扫查、动态深度聚焦等,在显示方式上分为A显示、B显示、C显示、D显示、S显示等。以下介绍小径管检测常用的三种扫描形式：
A扫描：A扫描是超声波数据最基本的表现形式，或称波形显示，在波形显示图中，竖轴代表波形，横轴代表时间，平面上的红色线段表示闸门，闸门的作用是选择波形曲线的一部分进行分析，一般是对回波波幅和深度进行测量。
S扫描：S扫描是相控阵设备特有的图像，这种扫描一般分为两种主要形式。一种形式是使用零度界面楔块，在医学成像中经常应用。另一种形式是使用塑料楔块增加入射声束的角度，以生产横波，这是对接焊缝相控阵检测的应用形式。最常见的折射角度范围在30°~70°左右。
C扫描：C扫描是一个二维数据图像，表现为被测样件的顶视图或平面图。被测样件的每一点都被映射到图中相应的位置，每个位置会由不同的颜色表示其在闸门内信号的波幅或深度，通过追踪数据在XY坐标平面上的位置，可以为平面工件生成平面图像；通过跟踪轴位置和角度位置，可以为柱面工件生成平面图像。
4 相控阵在电厂小径管检测的实际应用
目前电厂小径管检测的范围：主要为锅炉受热面管焊缝及其附属管道焊缝，电厂根据规模不同，一般受热面设计焊口从几千至数万不等，规格各异，因此，如果都能用相控阵超声检测代替射线检测，节约的工程时间是相当可观的。从实际检测过程来看，管排的设计是影响能否对小径管进行相控阵检测的重要因素，因为相控阵探头和手动扫描器具有一定的厚度和长度，因此小径管管排之间的间距以及连接管排之间鳍片离焊口的距离，将成为制约相控阵超声检测的关键，如果管排间距小于探头厚度，或者鳍片离焊口的距离无法放置探头，就会造成对部分焊缝甚至整个焊缝无法检测，结合现场实际情况来看，仅高过和分隔屏部分管排存在间距过小的问题，水冷壁管排存在部分鳍片离焊口的距离较近的问题，因此大部分电厂小径管焊口都可以进行相控阵超声检测。
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表面准备及耦合剂：小径管探头扫描区域应清除焊接飞溅及其他可能影响探头的运动、耦合或声能传输进入材料的状态。耦合剂应采用与被检材料兼容的且具备良好耦合效果的材料，目前均采用水作为耦合剂，采用压力喷水装置保证耦合效果持续不间断，可以达到良好的耦合效果，和传统超声波检测用油或甘油做耦合剂来说，即节约了成本又不会造成污染。
超声相控阵检测设备：超声相控阵设备采用脉冲回波的方式,包含16、32或者64个独立脉冲发射和接收通道，小径管相控阵超声用16个独立脉冲发射和接收通道即可满足现场检测需求，它能够产生和显示波形、截面及扇形扫查图像，这些图像可以存储为数据，以便于以后随时检查调用。
相控阵系统校准：首先，相控阵超声波设备要经过专门机构的计量检定，设备主要是校验相控阵设备的线性，包括屏高线性和波幅控制的线性。系统的校准主要是聚焦法则、时间基准、灵敏度和楔块延时校准。系统校准确认包括完整的检测系统，在校准试块或者模拟试块上校准扫查范围，校准试块和待检测的工件需具有相同材质和表面状态。现场可以使用焊接考试代样材料制作相应规格的试块。
扫查及扫查范围： 完整检测扫查区域包括焊缝和焊缝的每一侧上（HAZ区）至少25mm或者长度壁厚T的区域。根据小径管焊口的实际情况选择相应的扫查角度（45到75度），可以设置多个通道进行扇形和电子扫查。另外扫查速度应控制在不超过50 mm/s ，一旦扫查速度过快，很可能造成图像的间断，也会影响检测灵敏度，导致缺陷漏检。
记录/判定标准和波幅判断：检测人员具有相控阵超声二级或者超声三级水平时，对相控阵超声检测的结果判定的才是可以接受的。所有超过DAC或者TCG20%的反射体信号需要仔细研究判断，以确定反射体的类型；超过DAC或者TCG的50%的显示，需要将信号记录下来，然后区分信号是由几何学还是由冶金学产生的。所有值得记录的显示将被确定形状、性质和在反射体中的位置，以判断是否为不可接受的缺陷。
实际检测过程中，对反射信号的判定，发现一些问题。首先，对于管壁较薄的小径管检测，以低温再热器小径管为例，其壁厚一般为4mm左右，接近目前相控阵超声可以检测的最小厚度值。检测过程中，发现疑似根部未熔合缺陷，按照相控阵超声检测的技术来判定，符合未熔合缺陷的各项特征。由于本项目是第一次应用相控阵小径管检测技术，经过和射线检测的对比试验，未发现根部未熔合，但是发现根部成型不良，焊道宽窄不一，造成根部焊道形成一定的夹角，经仔细研究判定这是根部成型不良造成的非缺陷回波，并非是未熔合缺陷。因此，薄壁管焊缝一旦根部出现类似情形，鉴于相控阵超声在这方面的灵敏度较高，很可能会被误判不合格，导致出现不必要的返修。
5结语
1用相控阵超声对小径管焊缝进行检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，即可对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式借助于装有阵列探头的手动扫查器沿着小径管滑动完成，可实现快速检测，检测效率非常高。:
2相控阵超声检测与普通超声检测和射线检测相比，相控阵具有检测结果直观、重复性好，可实时显示，在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、存盘，实现检测结果的永久性保存。 缺陷定位准确，检测灵敏度高。 作业强度小，无辐射伤害无污物，与工程进度不存在时间冲突，可以节约宝贵的工程时间。
3小径管相控阵超声检测在电厂小径管检测实际应用过程中也存在其局限性：无法做到对整个电厂受热面小径管全部焊口的检测；对于薄壁管检验，其出现误判的可能性较大；发现平行于声束方向线状和面状缺陷的能力很弱。因此对于6mm以下厚度的小径管还是建议辅以射线检测，避免造成不必要的误判、漏检和返修工作。
参考文献
[1]Olympus-AdvancesinPhasedArrayUltrasonicTechnologyApplications.
[2]ASMEBoiler and Pressure Vessel Code SectionVNondestructive Examination-2013.
[3]ASME BPVC.CC.BPV-2015.
[4]SNT TC 1A-2011.
论文作者:晁鑫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/22
标签：相控阵论文; 超声论文; 小径论文; 电厂论文; 射线论文; 根部论文; 缺陷论文; 《电力设备》2017年第19期论文;