ASME规范案例2235的应用实例
——大厚度反应器接管焊接接头的相控阵检测
An Example of Applying of ASME Code Case 2235:
Phased Array Inspection of Nozzle Welds on Reactors of High Thickness


李衍LI Yan
江苏太湖锅炉股份有限公司Jiangsu Taihu Boiler Co., Ltd.

介绍按ASME规范案例2235的要求,对大厚度反应器壳体与接管焊接接头进行超声相控阵(PA)检测的新技术,突出相控阵灵活变角和动态聚焦的优点,强调验证试块、扫查器具和工艺评定的重要性,指出PA是满足ASME规范要求、解决承压设备NDE难题的好方法之一。
The new technology of phased array ( PA ) ultrasonic inspection, in accordance with the requirements of ASME Code Case 2235, used for the nozzle welded joints on reactors of high thickness was introduced. The importance of calibration blocks, scanning devices and procedure qualification, and the advantages of PA being able to change beam angles freely and focusing dynamically was emphasized. Finally, it was pointed out that applying PA technology is one of the better methods for resolving difficult problems on NDE of pressure vessels, satisfying the requirements of ASME Code.
大厚度;壳体接管;焊接接头;超声检测;相控阵
High thickness; Nozzle of shells; Welded joints; Ultrosonic inspection; Phased array (PA)

1 问题和现状
对大厚度反应器壳体上的对接接头对接焊缝,一些大型骨干企业一般都已用超声TOFD(衍射时差)技术进行检测了。近年来,该技术的应用又不断改进,使其高灵敏度检测得到一定保证。
但对反应器壳体与法兰接管的对接接头对接焊缝,由于焊缝接管侧外表面可接近性受到限制,TOFD探头的布置就有困难,而要从内表面检测,因有几mm厚的不锈钢堆焊层,耦合并不有效。
面临这样的焊接结构形态(见图1),根据ASME规范案例2235的相关要求——即所有超声检测结果均应作出记录,NDE人员自然要发挥相控阵技术的优势。
相控阵技术能通过软件连续改变换能器阵元产生的波束角度、焦距(或焦深)等超声参数。相控阵的这一特性显然胜过常规超声技术。比如,可使超声波束从某一位置检测复杂几何形状,或者用一个相控阵探头替代多个不同角度的普通探头,来扫查整个焊缝体积。

1 容器法兰接管焊接结构草图

2 技术优势
超声相控阵技术的主要特点是压电复合阵列探头中阵元的激励或激活(振幅和延时)均由计算机控制。阵元激活后能产生超声聚焦波束,声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均通过软件调整。扫描声束是聚焦的,能以镜面(定向)反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头,因移动范围和声束角度有限,对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹,很易漏检(见2)。

2常规单晶探头(左)和阵列多晶探头(右)对多向裂纹的检测比较﹡
﹡常规单晶探头声束扩散且单向,而相控阵探头声束聚焦且可转向。多向裂纹可被相控阵探头检出。
相控阵探头由许多压电小晶片——所谓阵元(多至128)组成,这些阵元可一一单独控制。所产生的超声波束是所有单个阵元的综合效应,波束形状取决于各阵元发射信号的延时值。
相控阵技术在以下三方面突显优势:
检测复杂几何形状的工件,能自动调整角度,探头移动很少;
检测信噪比高的材料,能使声束聚焦在不同深度;
通常,对各种检测,都能提高检测速度,减少扫查和检测结果的记录时间。

3 检测工艺
大厚度反应器壳体或封头与带法兰接管的焊接接头按ASME规范案例2235进行检测。该案例并不专对相控阵提要求,但也包含了对此类技术的细节要求,如:
一般扇形扫查对试块中设置的横孔反射体具有良好的检出性,但超声波束遇到实际工件中存在的平面状反射体(如未熔合、裂纹等)仍有可能漏检,特别是对厚截面工件。为此,对厚度大于25mm的工件,推荐采用多路声线扇形扫查。在校验试块中应设有适当数量的多种人工伤(除横孔外,还应有竖孔、上下表面开口线槽或近表面封闭线槽等),以确保整个焊缝体积(包括一定范围的热影响区)都能被检测到。
ASME规范中的这一说明强调了对平面状缺陷的检出性,在制定UT工艺和操作演示过程中,对此应予充分考虑。
检测大厚度大直径容器接管焊缝时,探头要沿平行于焊缝轴线的若干同心圆进行扫查(壁厚100-250mm之间宜围绕接管圆心作4-6次半径不等的环绕扫查),见图3。为满足上述规范要求,除须有足够的扫查次数外,并需采用至少相差10°的两种角度,以覆盖整个被检体积。制定这样的检测工艺,能明显减少对方向不利的缺陷的漏检率。
在UT工艺中,要说明下列每次扫查相关参数:

扫 查

探 头

角度

角度增量

离焊缝轴线距离

检测深度

1

×××

40°+70°

40mm

20-60 mm

遵循ASME规范案例2235的要求:不仅要检验焊缝体积,还要检验焊缝两侧热影响区。该区尺寸相关于壁厚和焊接工艺评定过程中热影响区的实际量值。
最关键的检测步骤是校验。校验中必须证实:①焊缝体积已完全覆盖,即扫查间的重叠要保证覆盖整个焊缝,被检焊缝的每个部位至少应用两种不同的角度扫查验证。②检测灵敏度在整个被检体积中保持恒定,即位于不同深度的同种反射体能给出相同的超声信号。
规范案例2235的最低要求是,要在评定试块上验证检测工艺。试块中设有3个缺陷,其方向模拟平行于焊缝熔合线上的缺陷:其中1个是内部缺陷,2个是表面缺陷——一个设在容器外表面,另一个设在容器内表面。此最低要求应成为保证被检焊缝完全覆盖的检测工艺的一部分。对大厚度来说,还要求使用其他内部缺陷(至少每25mm厚度设置1个)。
相控阵施探前,检测系统先应在设有线槽和横孔等人工缺陷的试块上校验,并用设置裂纹或未熔合等实际平面状自然缺陷的焊接试板进行验证演示。此过程很重要,不得跳越。
线槽应采用电蚀法加工,以获得最小宽度。可作成内表面或外表面开口的线槽,也可通过焊接封堵开口槽,作成埋藏型闭口槽。
对实际缺陷,必须将上述检测结果与射线照相等方法检测结果相比较,以准确评定实际缺陷尺寸。

3 容器壳体接管焊缝的扫查路径
3比较了超声相控阵与射线照相两种方法对厚度100mm以上的板中方向三变的裂纹的检出结果。由图可见,尽管检测区域对超声波束方向不利,用相控阵探头作纵向扫查对裂纹的可检性仍然较好(相控阵图像显示“一波三折”的裂纹形态与X射线透照影像颇相似)。

4 超声相控阵与射线照相对裂纹可检性的比较

5 大厚度试块中坡口面未熔合的相控阵三显示(ADS型)
5表示在厚度200mm的验证试块上作相控阵检测的结果,试块中42mm深度处特意设置了坡口面未熔合。相控阵检测缺陷显示明显,但射线照相未发现(厚板RT局限性所致)。

4壳体-接管焊缝的检测
为检测大厚度反应器壳体或封头上的接管焊缝,特设计了专用扫查器,包括探头夹具和记录位置的编码器(见6)。
该扫查器的作用如下:
⑴使探头与被检焊缝之间距离保持不变,以进行有效的平行扫查;
⑵使探头与扫查表面之间耦合良好、稳定;
⑶使编码器与扫查表面之间持续接触,以准确记录探头行经。
无论接管垂直(即垂直于壳体或封头表面)或倾斜,该扫查器都能适用。
若考虑厚度和材质,有横向缺陷产生的可能性,则除纵向扫查外,还应添加一次或多次横向扫查。此时,为便于检测,焊缝余高应磨平,采用不同的扫查器设置。
相控阵技术通常作半自动检测,探头手动,信号自动记录。借助于扫查器具,可实现全自动检测,但此时必须确保扫查表面状态良好,防止耦合不良或编码器出错。
检测时应注意三种相控阵图像显示中的信号特征,即扇形显示、D型显示和A型显示。

6 壳体-接管焊缝相控阵UT专用探头扫查器(带编码器)
对纵向扫查过程中检出的反射体,有可能无法明确定性。为详析缺陷性质,常规的手工UT依然必不可少,因不用扫查器和编码器,手持探头可绕反射体自由移动。这可以用相控阵探头进行,也可用常规的脉冲反射法进行(至少用三种不同角度,见6)。

7 焊缝体积加热影响区的全覆盖

5 结论
几种含缺陷试块的制作和应用是验证超声相控阵技术有效性和可靠性的重要环节。试块中设置了线槽和横孔类人工缺陷,也设置了裂纹、未熔合和夹渣等自然缺陷。根据在不同试块上进行试验的结果,可得如下结论:相控阵可按ASME规范案例2235要求,用超声检测取代ASME规范规定的射线照相,用于大厚度压力容器的质量检验,获得良好的结果。当然,还必须遵循以下导则:要用常规的手动法,纵向扫查次数要使声束覆盖被检区域,至少用两种角度;对横向裂纹敏感的材料,要作横向扫查,并作信号分析。
相控阵技术显然有一定优势,特别是从缺陷显示的角度来观察。传统超声设备是用脉冲回波来展示结果,而相控阵是用非常接近缺陷实际形状的显示图像来展示检测结果,如图4所示裂纹的相控阵图像颇似射线照相影像。
毋庸置疑,相控阵图像的效果有助于确保该技术的健康发展,超声相控阵检测将与TOFD检测并驾齐驱,成为承压设备检测的主流技术。

参考文献:
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[4] Zappavigna G..Application of Phased Array in Inspection of Nozzle Welds of High Thickness Reactors Manufactured by GE Oil & Gas Massa Plant[J].Insight, Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2007,49 (9):521-523.
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