电站锅炉小径管焊接接头相控阵超声检测工法

由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法电站锅炉小径管焊接接头相控阵超声检测工法1前言目前，火电机组安装及检修过程中，超临界及以上参数的电站锅炉小径管焊接接头一般要求进行100%无损检测。受施工现场安全管理要求严、检测工期紧、作业空间受限等因素影响，采用传统的射线或常规超声检测方法难以满足锅炉小径管焊口100%无损检测要求。相控阵超声具有检测速度快、检测灵敏度高、缺陷显示直观、定性定量准确、适合于复杂结构件和盲区位置检测等特点，能够很好地解决上述困难和问题。目前，该技术在电力行业中的应用尚处于起步阶段。针对电站承压焊口无损检测特点，积极开展相控阵超声检测技术研究。公司成立了相控阵超声检测技术研究攻关组，成功申报山东省省级技术创新项目立项，针对相控阵超声检测专用工器具的设计、典型焊接缺陷试样制作、CIVA检测技术仿真、检测工艺的选择和优化、检测结果的验证比对等多个关键环节进行研究和攻关，总结形成了《电站锅炉小径管焊接接头相控阵超声检测工法》。本工法中主要关键技术成果经国家一级科技情报机构查新和中电建集团公司鉴定达到“国际先进水平”。技术创新成果获得中电建集团公司科学技术奖一等奖，中电建协QC成果一等奖。项目研发获得发明专利一项、实用新型专利一项，另有3项申报专利已获受理。在《无损检测》杂志上发表高水平论文一篇，总结形成的企业标准《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测技术》被推荐为山东省特种设备协会社团标准。目前，本工法已经在公司巴基斯坦萨希瓦尔电厂、华电十里泉电厂等多个工程项目中成功应用，取得良好了应用效果。2工法特点将压电复合材料技术、电子技术和计算机处理技术的前沿成果进行集成与融合，通过人工智能和计算机控制系统实现了超声波检测在系统组成、检测原理方面的改进和提升，提高了焊接接头缺陷检出能力。采用CIVA检测仿真技术验证聚焦法则参数和检测工艺参数，确保检测声束覆盖全部检测区域，提高焊接接头缺陷检出率。采用A、B、C、D、S等多种扫描方式相结合，直观显示缺陷特征和缺陷位置，提高缺陷数据分析和性质判定的准确性。第1页共11页

由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法设计制作专用于锅炉受热面狭小空间使用的相控阵扫查架，保证了对小径管周向区域的检测扫查全覆盖；选用近场区小、声能集中、分辨力更高的自聚焦线阵探头，提高危险性细小缺陷检出能力。设计制作适用于电站锅炉不同材质等级、不同缺陷类别、不同缺陷位置的小径管典型焊接缺陷试样，为检测工艺验证和人员能力提升提供了有效方法与工具。编制适用于电站锅炉小径管焊口检测的技术标准和质量验收标准，通过检测能力验证和评估，确保了检测工艺的正确性和检测结果的准确性。3适用范围本工法适用于外径大于等于32mm且小于等于100mm、壁厚大于4mm且小于等于20mm的钢制承压设备全熔化焊焊接接头的相控阵超声检测。4工艺原理系统构成及检测原理相控阵超声检测系统主要由检测主机及配套的探头、编码器、扫查架、标准试块、缺陷试块等组成。检测原理：相控阵超声检测采用多晶片探头，每个压电晶片的激励可通过计算机进行控制和调节，通过改变压电晶片阵列组合单元激励电脉冲的延时值，可改变声束聚焦深度、角度和波型，由此可实现对工件中各类缺陷的有效检测（图4.1）。多种扫描方式和成像显示相控阵超声能有效控制发射或接收声束在材料中的偏转和聚焦，通过高速电子扫描实现对工件的全方位、多角度检测，继而实现A型、B型、C型、D型、S型等多种扫描方式独立显示或组合显示（图4.2扫描方式独立显示或组合显示（图4.2）,从而提高了缺陷的定性、定位和定量精度。图4.1相控阵超声检测系统组成图图4.1相控阵超声检测系统组成图4.2多种扫描方式同屏显示CIVA仿真技术验证检测工艺参数第2页共11页由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法CIVA仿真软件能够模拟超声检测声场。当被检工件管径、厚度等基本参数确定以后，实际检测所采用的聚焦法则参数和检测工艺参数可以通过建立模拟声场来进行验证和调整，从而实现扫描声束对被检区域的全覆盖。专用扫查架设计制作及小径管探头选用自主设计、制作的小径管专用探头扫查架连接块厚度不超过受热面管子最小间距12mm,确保了对小径管周向区域的100%检测。选用近场区小、声能集中、分辨力高的自聚焦线阵探头，提高了近表面及小缺陷的检出能力。小径管典型焊接缺陷试样检测能力验证和比对设计制作的小径管典型焊接缺陷试样，缺陷种类全、位置覆盖广、尺寸精度高，将相控阵超声检测结果与缺陷试样射线检测结果或断口检查结果进行比对，可有效验证检测工艺正确性和检测人员能力与水平。5工艺流程及操作要点检测工艺流程图5-1检测工艺流程图操作要点受理委托检测人员受理委托后，及时了解和确认待检工件的规格、材质、位置、坡口形式、焊接方法、检测时机等相关信息。第3页共11页由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法现场勘察根据委托信息，查看被检工件外观状态，检查周围环境条件，确认是否满足检测工作要求。焊口打磨清除探头移动区内铁屑、氧化皮等表面杂质，确保检测面平整，便于探头移动。仪器及配套附件的选择根据管径、壁厚等工件参数选择检测主机及探头、楔块、扫查架等配套附件。本工法选用仪器型号为ISONIC2009,探头选用自聚焦线控阵探头。检测系统设置(1)聚焦法则设置聚焦法则主要设置参数为：晶片数量、激发晶片起始位置、声束角度范围、声束声程或深度、声速大小、被检工件厚度、聚焦深度、探头位置等。(2)被检工件参数设置在扫查设置中，将焊缝宽度、余高、坡口角度等工件参数设置为焊缝实际值。(3)CIVA仿真软件验证检测参数利用CIVA仿真软件对设定的聚焦法则参数进行验证，确认超声扫查声束是否满足对检测区域的全覆盖。(4)角度增益修正相控阵探头最佳扫查角度范围为35°至75°。修正方法为：探头附加小径管平楔块放在R50半圆试块上，首先调整中心角度反射波幅为满屏的80%,依次对最佳扫查角度范围内各角度(角度间隔一般为1-5°)逐一进行增益修正，使各角度反射波幅都达到满屏的80%。DAC曲线制作探头加装与被检试样规格相同或相近的楔块后，放到DL-1型试块上，利用试块上①1X15标准反射体、按作业指导书规定的方法制作DAC曲线。(6)扫描类型及显示方式的选择小径管对接接头宜采用扇形扫描检测。工件厚度在4-8mm时采用二、三次波分开设置进行检测，大于等于8mm、小于等于20mm时采用一、二次波同时设置进行检测。(7)检测灵敏度确定在评定线灵敏度基础上再增益6dB作为扫查灵敏度。第4页共11页

由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法(8)步进设置检测前将系统设置为根据扫查步进采集信号；小径管扫查步进最大值AxmaxW1.000；扇扫描角度步进设置应W1°。(9)编码器校准每次检测工作开始前要对编码器进行测试或校准。若测试误差大于1%,需重新校准。(10)检测能力验证1)缺陷试样制作设计制作与被检工件规格、材质相同或相近的各类小径管的典型焊接缺陷试样(图5-2),对试样进行射线或常规超声检测，确定试样中各类焊接缺陷的性质、尺寸和位置(图5-3)。图5-2小径管典型焊接缺陷试样5-3图5-2小径管典型焊接缺陷试样5-3典型缺陷试样射线检测结果2)能力验证试验根据确定的检测灵敏度和检测工艺参数，对试样中各类缺陷进行检测，将检测结果与缺陷实际情况进行比对，验证检测参数选择和工艺方法的正确性。5.2.6检测实施(1)编制指导书及工艺卡检测工作前，技术人员应根据技术标准规定编制作业指导书及工艺卡，检测过程中严格执行。(2)检测灵敏度验证每次检测作业前，应对扫查灵敏度及编码器进行复核，并在缺陷试样上进行验证，确保检测灵敏度满足要求。(3)检测环境第5页共11页

由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法系统校准温度与实际检测温度差应控制在±15℃之内。检测时，被检工件表面温度应控制在0℃〜50℃。(4)检测区域检测区域宽度为焊缝本身加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，该区域最小为5mm,最大为10mm。(5)检测标识检测前应在工件扫查面上进行扫查起始点和扫查方向标记，一般情况下，起始点用“0”标记，扫查方向用箭头表示。(6)施加耦合剂在焊缝两侧探头移动区域内均匀涂刷耦合剂。耦合剂应选用甘油、机油等。(7)探头位置的确定现场检测时，用钢板尺量取检测系统设定时确定的探头前段距离焊缝边缘或中心线的距离，划定探头沿圆周方向移动时的参考线位置。(8)扫查过程扫查过程中，可采用自动扫查器或手动扫查器。采用手动扫查器时，操作人员应用力均匀，保证探头与工件接触良好。图5-4探头距离焊缝边缘位置测量图5-4探头距离焊缝边缘位置测量(9)废弃物清理检查完成后，应清理现场环境卫生，废弃物应集中处理。扫查和数据采集(1)小径管接头扫查记录最短长度为小径管外圆周长加25mm。(2)采用线性扫查时应保证扫查速度小于或等于20mm/s。数据分析评定第6页共11页由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法（1）数据有效性评价1）采集的数据量应满足检测焊缝的长度要求。2）数据丢失量不得超过整个扫查长度的5%,且不允许相邻数据连续丢失。3）扫查图像中耦合不良不得超过整个扫查长度的5%,单个耦合不良长度不得超过2mm。4）评判扫查数据是否有效；若数据无效，应排除故障后重新进行扫查。（2）数据评定和处理1）检测结果的评判执行企业标准和作业指导书的具体规定。2）缺陷的评定，按照先定性后定量的顺序进行。应首先对扫查数据进行整体分析，结合A、B、C、D、S多种扫描显示判断缺陷性质，后进行缺陷定量。3）对有超标缺陷的焊口，应测量并记录缺陷起始位置、长度和深度，出具不合格通知单和检测报告反馈给委托部门；非超标缺陷也应在报告中进行标注。5）现场返修焊口扫查数据单独整理归档。6）对焊缝的数据分析和判定结论应详细填入检测原始记录。出具检测报告（1）检测报告至少包括：工程名称、焊口编号、坡口形式、材质、规格、验收标准、检测人员（级别）、审核人员（级别）、检测日期、评定结果、委托单位及检测单位盖章等。（2）检测报告要求填写齐全，字迹清楚，数据真实，原始记录和检测报告具有一致性和可追溯性。（3）检测报告一式两份，一份反馈委托单位，一份留检测单位存档。不合格焊口跟踪检测不合格焊口返修后应进行跟踪复查，复查合格后出具检测报告。数据备份和存档检测人员负责现场检测数据的存储；当天工作完成后，应将仪器硬盘数据内备份到U盘上。6材料与设备6.1主要检测仪器及配件表6-1主要检测仪器及配件表第7页共11页

由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法序号名称型号/规格单位数量备注1相控阵超声检测仪ISONIC2009台1主机部件改进已申请专利一项2探头7.5S16-0.5X10个若干/3楔块多普勒套若干适用于不同管径4扫查架及编码器JIREH、Circ-it套1自主设计的伺服步进扫查器，已获专利受理5标准试块R50半圆试块块1角度增益补偿6对比试块DL-1型试块套1DAC曲线制作7典型缺陷试块/套若干申报发明专利8电源盘/个4绝缘检测合格9磨光机/个4绝缘检测合格10机油5tL10优质11钢板尺20mm把2检定合格相控阵检测设备、器材、工器具的技术性能和使用性能满足相关标准、规程的规定，需检定和校准的仪器应进行检定或校准有效期内。检测试验用各类材料的质量及性能应符合相关标准、规范的规定。7质量控制本工法以GB/T32563-2016《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》标准为依据，参考ASME标准第V卷《无损检测》、DL/T821《管道焊接接头超声波检验技术规程》，编制形成企业标准《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测技术》，经建设单位、监理单位组织进行能力验证和评估后，作为锅炉小径管检测工艺标准和质量验收标准具体执行。相控阵超声检测人员应持证上岗，证书必须在有效期内；检测人员上岗前应进行检测能力考试和评估。每次检测作业前必须对检测能力进行验证，确保检测工艺正确性。对编码器进行校准和复核，误差不超过1mm。检测工作开始前，应对探头移动区域进行打磨，确保探头与工件耦合良好。作业完成后，对距离-波幅曲线进行复核，复核不少于3点，任何一点幅度下降或上升2dB或20%,应重新制作距离-波幅曲线，检测过的工件重新和检测和判定。检测扫查过程中，应确保检测区域覆盖整条焊缝，扫查长度应至少有25mm的重第8页共11页由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法叠区。检测人员应强化检测工艺和工序流程控制，严格执行作业指导书等工艺文件。8安全措施贯彻“安全第一，预防为主，以人为本”的安全方针，施工单位应建立健全安全管理网络，制订安全管理制度和管理办法，明确各级人员安全职责，抓好安全措施落实和执行情况监督检查。安全工作严格执行《电力建设安全工作规程第一部分:火力发电》DL5009.1-2014的相关规定，检测人员进入现场作业前必须进行安全技术交底。检测人员进入现场应配备安全帽、安全带、工作服、劳保鞋等安全防护用品。检测人员应注意观察施工现场脚手架搭设、平台栏杆固定、孔洞和临边防护等情况，安全带做到高挂低用，危险区域上下时应使用防坠绳，严防人员高空坠落。检测工作过程中留心观察周边设施及环境，严防高空落物。检测设备、工器具及材料严禁临边存放，必要时设置防坠绳，剩余材料及时清理，杜绝高空落物源。磨光机、电源盘等电动工器具应进行绝缘检测并进行标识，电源接线必须经过漏电保护器，漏电保护器应灵敏可靠。电源盘、磨光机使用过程中要防止因电源线受到意外破坏而造成触电。使用磨光机应戴防护眼镜，焊口打磨不得过分用力，防止砂轮片破损伤人。相控阵超声检测仪运输应使用专用包装箱，严禁其他物品混装。9环保措施检测人员应严格遵守施工现场有关绿色施工、节能环保相关规定和要求。尽量减少磨光机、耦合剂、卫生纸等消耗性物品使用，杜绝材料浪费。检测过程中涂刷机油或其它耦合剂时严禁到处挥洒污染周边设备及环境。现场作业完成后，必须做到“工完料尽场地清”，施工现场严禁丢弃作业垃圾。废弃楔块、探头等检测用器具和材料，应由厂家回收处理。10效益分析经济效益以巴基斯坦萨希瓦尔2X660MW机组项目为例，本项目采用相控阵超声检测方法第9页共11页由站锅炉小径管焊接接头用控陈超声检涮工法共检测小径管焊口总数为12018只，配备专业技术人员2人、相控阵检测设备1台。(1)直接经济效益(与使用Y放射源进行射线检测相比)使用相控阵超声检测所需费用与射线检测所需费用统计表如10-1所示。表10-1萨希瓦尔项目相控阵检测与射线检测所需费用的对比 单位：万元费用类别放射源投入设备折旧源库费用材料成本安全设施人员成本合计Y源526.71225.88105209.5相控阵018.402.7032.453.5从上表中可以看出，采用相控阵超声检测方法比采用常规射线检测方法对12018只小径管焊口进行现场检测，总计可节约检测成本=209.5-53.5=156万元。(2)间接经济效益相控阵超声检测无辐射无污染，可与安装与焊