相控阵超声检测技术在索普拉多拉水电站焊缝检测中的应用

汪应海，罗 云

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

相控阵超声检测技术在索普拉多拉水电站焊缝检测中的应用

汪应海，罗 云

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

本文结合相控阵超声技术在索普拉多拉水电站焊缝检测中的应用情况，着重对该技术的主要工作原理及应用特点进行了介绍，可供水电工程焊缝检测借鉴。

索普拉多拉水电站 相控阵 超声检测技术

1 概述

厄瓜多尔索普拉多拉水电站岔管设计为内加强月牙肋型，采用非对称Y形布置，通过2个岔管分为3个支管对水轮机供水。岔管段钢管承受的内水压力为4.8MPa，钢管采用WDB620GrC调质钢，壁厚分别为52mm～64mm，岔管月牙肋板厚度为128mm。因岔管板较厚，结构件复杂，仅依靠常规超声结合X射线检测技术无法满足焊缝检测要求。我们采用相控阵超声检测技术，取代常规超声及X射线检测技术，保证了岔管的焊接质量，取得了较好效果。

2 相控阵超声检测技术原理及特点

2.1 相控阵超声检测技术基本原理

目前我们最常用的常规普通超声无损检测方法是超声脉冲回波法，基本原理是超声波传播到两种不同的介质(如空气和金属试件)界面时，由于两种介质的声学特性存在差异，会产生反射和透射现象，其声压反射率和透射率与两种介质的声阻抗有关。与刚体介质声阻抗相比，空气的声阻抗很小，因此超声通过固体和空气界面几乎是全反射。脉冲回波法是通过测量超声信号往返于缺陷反射回波的传播时间，来确定缺损离表面的距离，同时也可根据超声同波的幅度，来分析缺陷的大小。

2.2 相控阵超声检测技术特点

因钢管焊缝自然缺陷存在于焊缝中的深度、方向及走向均不确定，超声波检测需依据缺陷回波高度和缺陷长度来进行评定(不包含可以明确评定为裂纹、未熔合、未焊透这几类缺陷)，因此超声波检测要求如下：(1)要有足够的灵敏度，才能保证缺陷回波的高低；(2)要求能覆盖整个焊缝截面，焊缝中任何位置的缺陷才能被声场全覆盖；(3)要求声波尽量与缺陷接近垂直，只有接近垂直，反射回波高度才能达到最大。

普通超声波检测为能达到以上3点，必须通过采用多角度、多个检测面才能完成。如在脉冲回波A型超声检测的基础上加以改进，加上机械扫查装置或人工移动探头，在显示回波时，根据同波幅度用灰度图像显示，就可以构成多种扫描成像方式，如B型扫描成像、C型扫描成像显示等。

相控阵超声波探头则可以依据板厚、坡口型式等在同一位置一次激发30个角度(40°～70°)，可以保证达到以上3点要求。且普通超声波一般只能看到A型显示，要求检测人员据此进行测量和分析，因此对于检测人员的能力和经验要求较高。而相控阵超声波采用声束的角度扫描和动态聚焦等技术，可以同时显示A型显示(回波高低)、扇形(S)显示(焊缝的某一个截面，缺陷在焊缝中的深度及位置)、C扫显示(焊缝所有截面的累积，缺陷在焊缝中的位置及长度)。因此相控阵超声的实时数据(缺陷)显示、多角度扫描和即时显示的检测工具，让检测结果更直观、清晰。在工作现场，操作人员无需更换探头，能通过精确的波束扫描角度和范围控制，覆盖很大的检测区域，取得完整的扫描图像，从而确保无损检测工作不发生漏检误判，进而保证焊缝焊接质量。

由于实现了超声波声束的角度、焦距、焦斑尺寸的软件控制和电子控制，与常规普通超声相比，相控阵超声检测技术具备以下特点：

(1)生成可控的声束指向和聚焦深度，实现复杂机构件和盲区位置缺陷的精确检测，使检测效率、灵敏度得到提高；

(2)通过探头局部晶片单元组合实现声场控制，可实现高速电子扫描；配置机械夹具，可对试件进行高速、全方位和多角度检测。

而且用相控阵探头对岔管焊缝进行检测时，不需要像普通超声探头一样在焊缝两侧频繁前后左右来回移动，只需沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，从而可对焊缝及焊缝接头进行全体积检测。该扫查方式可借助装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也可采用手动方式完成，均可实现快速检测，检测效率非常高。

3 在钢管焊缝实际检测中的应用

厄瓜多尔索普拉多拉水电站岔管安装，焊缝主要形式为岔管管壁纵缝、环缝、岔管加强构件的对接焊缝、加强构件与管壁相接处的组合焊缝，板厚较厚，结构件复杂。在使用相控阵超声波检测过程中，我们依据岔管焊缝实际参数信息，选择了合适的相控阵超声检测仪器系统信息及其超声设置、聚焦法则计算器等。在工作现场，我们采用相控阵超声技术进行岔管焊缝质量检测时，一次扫查即可检测整条焊缝，检测速度快、效率高、精度高、更容易分析缺陷及合理评定缺陷。

从相控阵超声检测设备的使用中发现，由于设备的机械结构简单，检测时钢管的移动量少，所以探伤系统的检测能力、信噪比、重复性等综合性能指标均优于常规超声波检测设备。相控阵超声技术检测精度完全可以达到常规超声检测精度0.1mm，保证了岔管焊接质量，极大地节约了人力资源，保证了施工工期。

4 结语

相控阵超声检测技术作为目前国际上最为先进的无损检测技术之一，以其检测速度快、使用灵活、检测精度高、功能强大等特点越来越引起人们的重视。厄瓜多尔索普拉多拉水电站现已经顺利完成了流道充水及机组甩负荷工作，钢岔管的焊缝质量在电站运行过程中得到了实际检验，为相控阵超声检测技术在钢管环缝质量检测的应用提供了宝贵的经验支持，也为今后水利水电工程建设积累了成功经验。

TB517∶TV

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2095-1809(2016)06-0065-02

汪应海(1988.10-)，男，河南信阳人，大学本科，助理工程师，项目副部长，从事水工金属结构技术管理；

罗 云(1986.6-)，男，四川都江堰人，大学本科，助理工程师，项目副部长，主要从事水电站机电EPC管理。

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