代兴亮，岳贤强，陈金玉，赵占辉
(江苏方天电力技术有限公司)
水冷壁是锅炉的主要受热部分，由数排钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周。管内流动的水或蒸汽吸收炉膛中高温燃烧产物的辐射热量后，会受热蒸发。T23钢是在2.25Cr-1Mo钢的基础上，通过降低C含量，增加W的含量，减少Mo的含量，并添加V、Nb、B 等合金元素而获得的新型低合金贝氏体型耐热钢。基于T23钢较低的成本、良好的焊接性以及抗高温蠕变性能，其已成为百万千瓦级塔式超超临界锅炉水冷壁的首选材料。
国内应用表明，T23钢水冷壁对接焊缝在运行中容易产生横向裂纹，绝大多数横向裂纹位于对接焊缝的12:00或6:00时钟位置（两侧鳍片为3:00或9:00时钟位置），沿焊道横向（管子轴向）分布，横贯焊缝，终止于两侧母材。裂纹一般启裂于管子内壁，向外壁扩展。水冷壁对接焊缝横向裂纹引起的蒸汽泄漏会使机组停机，导致巨大的经济损失。
T23钢水冷壁对接焊缝横向裂纹的无损检测目前普遍以射线检测为主，此外还有磁粉检测、渗透检测、常规超声检测等。射线检测有辐射伤害，无法与其他工种同时作业，降低了检修效率，且射线检测存在暗室处理环节，检测周期长，无法第一时间获得检测结果。同时由于射线检测的射线束方向只有与裂纹深度方向平行时检测效果最好，若透照角度控制不当易造成漏检。磁粉检测、渗透检测对焊缝表面要求较高，且只能对表面或近表面进行检测，对于早期裂纹无法有效检出。常规超声检测结果缺乏客观记录，检测可靠性很大程度取决于检测人员的技术水平和经验，加之水冷壁结构特殊，检测时耦合效果不好，声束散射严重，波形复杂，会降低缺陷检出率。
为了获得更高的缺陷检出率，笔者结合标准DL/T 820.4—2020《管道焊接接头超声波检测技术规程 第4部分：在役检测》 规定，采用相控阵超声技术对含有人工缺陷的模拟试块进行声场仿真和实际检测,总结了水冷壁对接焊缝横向裂纹的相控阵超声检测工艺。实际工程应用结果表明，该技术可有效检出水冷壁焊缝中的横向裂纹现场操作方便，尤其是对检修工期紧张、检测空间狭小及检测灵敏度要求高的项目，技术优势更为明显。
相控阵超声检测技术
相控阵超声检测技术的核心是利用计算机控制相控阵探头上的多个相互独立的压电晶片，按一定延迟时间激发和接收，从而达到改变聚焦特性、声束偏转、声束位移的效果。与常规超声相比，相控阵超声技术可以模拟各种探头的声束，一次扫查覆盖范围大，检测速度快，检测效率高。
声场仿真及模拟试块的设计制作
声场仿真
为研究相控阵超声技术对T23钢水冷壁焊缝中横向裂纹的检测效果，进而指导检测工艺设置，笔者进行了缺陷响应仿真。
针对横向裂纹的开裂特点，在声束覆盖范围内沿管子内壁周向预设三个不同位置的面状缺陷进行仿真，仿真结果如图1所示。
图1 声束覆盖范围内三个不同位置面状缺陷的仿真结果
可以看出，声束覆盖范围内预设的三个缺陷均能有效检出，随着声束偏转不断增大，反射波幅也不断提高。当声束与缺陷垂直时，其反射波幅最高，此时声束刚好与管子内壁相切。与内壁相切的声束即为检测最佳角度声束，检测时可把该角度声束对应参考点最大回波达到满屏高度80%时的增益值作为检测基准灵敏度，扫查灵敏度应在基准灵敏度水平上根据检测面实际情况提高6~8 dB，以保证缺陷的检出率。
模拟试块的设计制作
对于横向裂纹，主要通过横波沿焊缝外圆作周向扇扫进行检测，当焊缝外表面纵波的入射角α小于第一临界角时，焊缝内既有横波，又有纵波，容易产生干扰波信号影响缺陷判断。因此检测横向裂纹缺陷时，要使纵波入射角大于第一临界角，使焊缝中只有纯横波。当焊缝壁厚较厚时，内部折射的横波有可能无法入射到焊缝根部，无法检测靠近焊缝根部的裂纹缺陷。
所以检测时，既要使焊缝中只有纯横波，又要使折射横波能够入射到焊缝根部检测根部缺陷，要同时满足这两个条件，需满足以下关系式：
式中：CL1为第一介质纵波声速；CL2为第二介质纵波声速；CS2为第二介质横波声速；t/D为工件厚径比。
以钢为例，其纵波声速为5900 m/s，横波声速为3230 m/s，此时若满足上式则需使厚径比t/D<0.23。
试验中模拟试块选取无缺陷的T23管材制作，管材直径42 mm，壁厚8 mm，其厚径比t/D=0.19，满足纯横波检测要求。
笔者在模拟试块两端沿管子内壁轴向分别加工深度为0.4 mm和0.6 mm的尖角槽，尖角槽的夹角为60°，缺陷模拟试块实物如图2所示。
图2 缺陷模拟试块实物
检测工艺设置 03检测设备和探头选择 检测仪器采用法国M2M GEKKO型便携式相控阵超声检测仪，探头采用频率为7.5 MHz，16晶片的一维自聚焦探头，楔块采用60°横波楔块。 工艺参数设置及校准 （1）工件参数设置 工件的相关参数包括工件尺寸、工件材料、焊缝尺寸等。模拟试块无焊缝，故检测软件中焊缝尺寸设置为无焊缝，实际检测时可根据焊缝坡口图纸，在检测软件中设置相应的外形轮廓线，检测工件设置界面如图3所示。 图3 工件参数设置界面 （2）探头参数设置 根据探头技术规格设置探头、脉冲发生器以及信号处理的相关参数，探头参数设置界面如图4所示。 图4 探头参数设置界面 （3）聚焦法则设置 在设置参数时需要保证扇形扫查图中最小角度的反射波能够完全覆盖焊缝根部位置。扇形扫查采用的波形为横波，扫查角度为32°~70°，激发晶片数为16，聚焦方式选择等声程聚焦（投影聚集），聚焦法则设置界面如图5所示。 图5 聚焦法则设置界面 （4）检测灵敏度选择 由仿真结果可知，各角度的声束检测灵敏度差异较大，受管子自身曲率影响，通过TCG（时间校正增益）将各角度声束灵敏度校准到同一基准水平较为困难，检测时要根据管子规格来制定合适的检测灵敏度。 笔者使用DL-1型专用试块进行灵敏度设置，考虑管子曲率的影响，将最佳角度声束对应的5 mm深度处ф1 mm通孔回波幅度调节至满屏幕高度的80%，并以此时的增益作为检测基准灵敏度。 （5）探头入射点的测定 不同角度声束的入射点存在一定的差异，为了方便确定检测时探头的放置位置并对缺陷进行定位，需要测量最佳角度声束（最佳角度声束由三角函数或工艺仿真软件计算得出）对应的探头前沿。 （6）探头最佳放置位置的确定 根据前文所述，绝大多数裂纹位于对接焊缝的12:00 或6:00 时钟位置，横向裂纹时钟位置如图6所示。检测时采用固定位置扇扫，探头放置位置不同对应的最佳角度声束也不同。当最佳角度声束确定后，可由三角函数计算得出探头最佳角度声束入射点距缺陷中心点的弧长距离，此距离处即为探头放置最佳放置位置（也可在等规格模拟试块上测量得出）。由于焊缝多采用手工电弧焊焊接，焊缝表面凹凸不平，将整个焊缝全部磨平较为困难，检测前在探头最佳放置位置处进行打磨即可。试验中最佳检测位置为探头前端距焊缝中心线距离约4.5 mm（弧长）处。 图6 横向裂纹时钟位置示意 检测结果分析及工程应用 04 检测结果分析 利用该相控阵超声检测工艺对模拟试块中的人工缺陷进行检测，检测结果如图7和图8所示。可见图7中的缺陷1深度为7.44 mm，位于焊缝根部；图8中的缺陷2深度为7.38 mm，位于焊缝根部，两处人工缺陷均能有效检出，因此，该工艺满足检测要求。 图7 0.4 mm深人工缺陷相控阵超声检测结果 图8 0.6 mm深人工缺陷相控阵超声检测结果 工程应用 采用该工艺对国内某电厂T23钢水冷壁焊缝横向裂纹进行检测，水冷壁直径42 mm，壁厚7.8 mm。共检测50道焊缝，发现一道焊缝存在缺陷信号，缺陷深度为5.56 mm，该缺陷的S扫描结果如图9所示，可以看出该缺陷有上下尖端衍射回波显示，结合Ａ扫显示及检测动态过程综合判定该缺陷为裂纹缺陷。 图9 裂纹缺陷的S扫结果 验证试验 为了验证检测结果，对该水冷壁焊缝进行数字射线检测及割管解剖，其结果分别如图10和图11所示。可以看出，该裂纹由根部向外表面开裂，高度为2.5 mm，与相控阵超声检测结果吻合。由此可知，相控阵超声检测的结果可靠，可以实现对水冷壁裂纹缺陷的定位，也可根据缺陷检测图谱对缺陷进行初步定性。 图10 水冷壁焊缝数字射线检测结果 图11 水冷壁焊缝割管解剖结果 结语 05 介绍了相控阵超声检测技术在T23水冷壁对接焊缝横向裂纹检测中的应用，通过仿真模拟、工艺设置、工程应用、验证试验等分析得出以下结论： (1) 相控阵超声检测可以对水冷壁对接焊缝横向裂纹缺陷进行较准确的定位，可根据缺陷的S扫描、A扫描显示及分布特征、形状特征，对缺陷进行初步定性，检测结果可靠。 (2) 电站锅炉在基建安装和运行检修中采用该检测技术，能够避免X射线检测的辐射危害，可与其他工作同时作业，有效缩短了检测工期，节约了检测成本，经济效益和社会效益均优于常规超声检测和X射线检测，具有广泛的应用前景。 来源：《无损检测》2023年12期 第一作者简介：代兴亮，工程师，主要从事金属材料的无损检测及失效分析工作。
