相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用

李 陽(yáng)，唐創(chuàng)基，李 男

（1.中國(guó)船級(jí)社，北京 100007；2.中興海陸工程有限公司，東莞 523146；3.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 10007）

在海洋工程領(lǐng)域，對(duì)小口徑管道對(duì)接焊縫一般采用射線技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其存在著以下不足：射線檢測(cè)產(chǎn)生電離輻射危害人體及周圍環(huán)境且檢測(cè)周期長(zhǎng)；對(duì)管徑較小的管對(duì)接焊縫需采用雙壁雙投影橢圓成像，為了提高透照的寬容度，常采用較高的射線能量，導(dǎo)致缺陷檢出率低（特別是危害嚴(yán)重的裂紋常發(fā)生漏檢）［1］。

在電力行業(yè)，也常采用常規(guī)A超技術(shù)對(duì)小徑管對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)，但小徑管管壁薄，使用斜探頭，因前沿距離長(zhǎng)，用一次波探傷時(shí)，有時(shí)主聲束掃查不到焊縫根部，如改用三次波，則因探頭發(fā)射的聲束寬，聲束擴(kuò)散，加之小徑管曲率大的影響，造成聲束嚴(yán)重散射，反射回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來(lái)很大的困難，影響到探測(cè)的可靠性；小徑管曲率半徑大，造成探頭接觸面小，曲面耦合損失大，超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射，發(fā)散嚴(yán)重，探傷靈敏度低；小徑管壁薄，超聲橫波聲程短，容易在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)檢測(cè)，對(duì)缺陷判定帶來(lái)很多困難［2］?；诖爽F(xiàn)狀，筆者介紹了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 工藝設(shè)計(jì)及仿真

對(duì)于海洋工程小徑管對(duì)接接頭的檢測(cè)，采用聚焦換能器進(jìn)行檢測(cè)是一種有效的提高信噪比，改善檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的方法。將超聲換能器的聚焦焦點(diǎn)深度設(shè)置在所關(guān)心的檢測(cè)區(qū)域深度，從而對(duì)該深度區(qū)域內(nèi)的超聲信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行改善［3］。

相控陣超聲技術(shù)是對(duì)陣列探頭的不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同的時(shí)間延遲（發(fā)射電壓幅度）規(guī)則——聚焦法則，通過(guò)波束形成實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)。其可通過(guò)對(duì)儀器參數(shù)設(shè)置的改變而設(shè)置焦點(diǎn)深度，并可以單探頭多角度檢測(cè)，以覆蓋盡可能多的焊縫區(qū)域。

由于海工小徑管具有薄壁、管徑小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以采用基于相控陣超聲技術(shù)對(duì)海洋工程小徑管的對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)中應(yīng)選用高頻探頭，仿真中所使用的探頭模型為奧林巴斯公司生產(chǎn)的10L32－A1型探頭。在楔塊選擇方面，平面楔塊很難實(shí)現(xiàn)較好的耦合，楔塊的曲率半徑應(yīng)設(shè)計(jì)成與所檢管件的曲率半徑一致，以便最大程度地減少耦合損失。探頭前沿的長(zhǎng)度直接影響到聲束能否完整覆蓋焊縫區(qū)域，為了確保一次波能夠有效覆蓋焊縫根部，應(yīng)選用短前沿楔塊。為保證聲束對(duì)焊縫區(qū)域的完整覆蓋和缺陷的有效檢出，使用法國(guó)原子能機(jī)構(gòu)（CEA）無(wú)損檢測(cè)專用軟件CIVA進(jìn)行工藝仿真設(shè)計(jì)，得出適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。仿真和檢測(cè)試驗(yàn)均參照GB 11345－89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。管道試件、探頭及楔塊均按實(shí)物1∶1建模。

1.1 聲束覆蓋設(shè)計(jì)

對(duì)壁厚6.5mm，管徑141mm，焊縫外表面寬度20mm，單V型坡口，坡口間隙為6mm的仿真管道模型在楔塊前沿距焊縫中心12mm處采用相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行扇形掃描。使用大角度波束（40°～73°）對(duì)焊縫進(jìn)行覆蓋，使焊縫根部處于一次波檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，焊縫上部區(qū)域主要處于二次波檢測(cè)區(qū)域之中。通過(guò)仿真可以看出，在焊縫單側(cè)掃查時(shí)，由于焊縫上部區(qū)域依靠二次波進(jìn)行覆蓋，當(dāng)存在底面余高時(shí)，由于余高部分形成的二次波方向無(wú)法控制，因此二次波覆蓋區(qū)域?qū)⒈粔嚎s。在本工藝中，為了使所檢管道的焊接接頭有效避免檢測(cè)盲區(qū)，達(dá)到100%的檢測(cè)，使用雙側(cè)掃查以完成對(duì)焊縫的全覆蓋［4］。聲束覆蓋圖如圖1所示。

圖1 聲束覆蓋圖

1.2 缺陷仿真計(jì)算

缺陷添加：根據(jù)所檢海管焊接接頭的結(jié)構(gòu)及聲束覆蓋設(shè)計(jì)，在管道模型中添加了10個(gè)人工缺陷，模擬焊縫中可能出現(xiàn)的缺陷類型，見表1，圖2。由于在焊縫左右兩側(cè)的掃查完全對(duì)稱，所以缺陷設(shè)置以焊縫右側(cè)掃查為基準(zhǔn)。

根據(jù)仿真軟件中的A掃描視圖得出模擬缺陷回波幅度及其與φ3橫孔回波幅度比較的波幅差計(jì)算結(jié)果，如表2，3所示。左、右側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置的C掃描示意圖如圖3，4所示。

由表2，3及圖3，4可知：由于焊縫上部區(qū)域由二次波進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于同側(cè)坡口位置的未熔合類型缺陷檢測(cè)效果很好，但對(duì)于對(duì)側(cè)坡口位置的未熔合類型缺陷，由于在仿真中采用平面矩形模擬未熔合類缺陷及該模型在焊縫中角度走向的原因，導(dǎo)致反射回波波幅較低。

表1 模擬缺陷列表

圖2 不同類型缺陷添加示意圖

表2 焊縫右側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果

圖3 右側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

表3 焊縫左側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果

圖4 左側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

對(duì)于在探頭對(duì)側(cè)的焊趾裂紋可以檢出，但由于在仿真計(jì)算中未進(jìn)行管件的上表面反射信號(hào)的計(jì)算，所以反射回波波幅較低，可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

其他類型缺陷均可有效檢出。因此，由仿真結(jié)果可以得出：使用雙側(cè)掃查，能夠達(dá)到完全覆蓋整個(gè)焊縫的要求，且對(duì)焊縫各向缺陷均可有效檢出。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

管道試樣來(lái)源于某在建海洋深水鉆井船，其直徑為141mm，壁厚為6.5mm，材質(zhì)為A106B，單V型坡口，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接。管道視圖如圖5所示。

選用OLYMPUS相控陣超聲主機(jī)：Focus LT（64／128）配置檢測(cè)系統(tǒng)。Focus LT（64／128）擁有64個(gè)獨(dú)立的發(fā)射及接收通道。

圖5 試樣尺寸

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)，特別制作了短前沿楔塊，以便最大限度地利用波束，保證對(duì)焊縫的完整覆蓋。

開發(fā)了小徑管專用掃查架，該掃查器磁性輪吸力適中，運(yùn)行平穩(wěn)，可以有效保證探頭距焊縫中心線距離恒定；磁性輪和探頭、編碼器的相對(duì)位置及距離可調(diào)，可滿足不同結(jié)構(gòu)對(duì)接管件的掃查需求。掃查裝置如圖6所示。

圖6 管道相控陣超聲檢測(cè)掃查裝置

按照仿真工藝及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海管試樣進(jìn)行了相控陣超聲及射線檢測(cè)。圖7～10為相控陣超聲檢測(cè)圖像，圖11～12為射線底片。表4為相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表4及圖7～12可知：

圖7 相控陣超聲檢測(cè)C掃描圖

（1）射線檢測(cè)只能顯示缺陷的長(zhǎng)度，而相控陣超聲檢測(cè)不但可以顯示缺陷的長(zhǎng)度，還可以顯示缺陷的埋藏深度。由于相控陣超聲檢測(cè)采用高精度編碼器記錄檢測(cè)長(zhǎng)度，所以其可以對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果與射線所檢缺陷一一對(duì)應(yīng)，缺陷檢出率不低于射線檢測(cè)。

（2）相控陣超聲檢出的缺陷長(zhǎng)度要大于射線檢測(cè)得出的缺陷長(zhǎng)度，這是因?yàn)橄嗫仃嚦暣嬖诼暿鴶U(kuò)散且其測(cè)量的是缺陷的弧長(zhǎng)，而射線檢測(cè)測(cè)量的是缺陷的弦長(zhǎng)。

表4 相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)

（3）相控陣超聲可以對(duì)體積型缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)，并給出體積型缺陷的埋藏深度。但對(duì)于缺陷的具體類型無(wú)法精確判別。射線檢測(cè)可以精確的判別出體積型缺陷的類型（對(duì)于密集氣孔而言，可以精確地測(cè)量氣孔的個(gè)數(shù)），但無(wú)法給出缺陷的埋藏深度。

（4）相控陣超聲通過(guò)缺陷的埋藏位置及其距楔塊前沿的距離，可以對(duì)根部缺陷做出準(zhǔn)確的判斷。

3 結(jié)論

（1）對(duì)比常規(guī)A超而言，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以使用單個(gè)探頭以多個(gè)角度檢測(cè)焊縫，提高了小徑管對(duì)接焊縫的缺陷檢出率。

（2）使用特制的相控陣曲面楔塊可以有效改善耦合效果，提高信噪比。

（3）使用專用掃查架配合相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)極大地提高了檢測(cè)的速度且無(wú)輻射污染。

（4）相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能實(shí)時(shí)輸出A、B、C和S掃描顯示，數(shù)據(jù)分析直觀，且能完整保存小徑管焊縫檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以離線分析，便于監(jiān)督檢查。

［1］胡海燕，鄔冠華，吳偉，等.射線檢測(cè)小徑管的靈敏度對(duì)比試驗(yàn)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（7）：569－571.

［2］牟彥春，金南輝.電站鍋爐小徑管對(duì)接接頭超聲檢測(cè)靈敏度補(bǔ)償量的確定［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（10）：814－821.

［3］詹湘琳.超聲相控陣油氣管道環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

［4］李衍.焊縫超聲相控陣扇形掃查的覆蓋范圍［J］.無(wú)損檢測(cè)，2011，35（4）：1－6.