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

李 陽，唐創(chuàng)基，李 男

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

在海洋工程領(lǐng)域，對小口徑管道對接焊縫一般采用射線技術(shù)進(jìn)行檢測，其存在著以下不足：射線檢測產(chǎn)生電離輻射危害人體及周圍環(huán)境且檢測周期長；對管徑較小的管對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)對小徑管對接焊縫進(jìn)行檢測，但小徑管管壁薄，使用斜探頭，因前沿距離長，用一次波探傷時，有時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很大的困難，影響到探測的可靠性；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，容易在近場區(qū)內(nèi)檢測，對缺陷判定帶來很多困難［2］?；诖爽F(xiàn)狀，筆者介紹了相控陣超聲檢測技術(shù)在海洋工程小徑管對接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 工藝設(shè)計及仿真

對于海洋工程小徑管對接接頭的檢測，采用聚焦換能器進(jìn)行檢測是一種有效的提高信噪比，改善檢測信號質(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)心的檢測區(qū)域深度，從而對該深度區(qū)域內(nèi)的超聲信號質(zhì)量進(jìn)行改善［3］。

相控陣超聲技術(shù)是對陣列探頭的不同單元在發(fā)射或接收聲波時施加不同的時間延遲（發(fā)射電壓幅度）規(guī)則——聚焦法則，通過波束形成實(shí)現(xiàn)聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測技術(shù)。其可通過對儀器參數(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，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)對海洋工程小徑管的對接焊縫進(jìn)行檢測。在檢測中應(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。為保證聲束對焊縫區(qū)域的完整覆蓋和缺陷的有效檢出，使用法國原子能機(jī)構(gòu)（CEA）無損檢測專用軟件CIVA進(jìn)行工藝仿真設(shè)計，得出適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。仿真和檢測試驗(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》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

對壁厚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°）對焊縫進(jìn)行覆蓋，使焊縫根部處于一次波檢測區(qū)域內(nèi)，焊縫上部區(qū)域主要處于二次波檢測區(qū)域之中。通過仿真可以看出，在焊縫單側(cè)掃查時，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，由于余高部分形成的二次波方向無法控制，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盲區(qū)，達(dá)到100%的檢測，使用雙側(cè)掃查以完成對焊縫的全覆蓋［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，在管道模型中添加了10個人工缺陷，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算結(jié)果，如表2，3所示。左、右側(cè)掃查對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，對于同側(cè)坡口位置的未熔合類型缺陷檢測效果很好，但對于對側(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)掃查模擬缺陷計算結(jié)果

圖3 右側(cè)掃查對接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

表3 焊縫左側(cè)掃查模擬缺陷計算結(jié)果

圖4 左側(cè)掃查對接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

對于在探頭對側(cè)的焊趾裂紋可以檢出，但由于在仿真計算中未進(jìn)行管件的上表面反射信號的計算，所以反射回波波幅較低，可通過試驗(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)到完全覆蓋整個焊縫的要求，且對焊縫各向缺陷均可有效檢出。

2 檢測試驗(yàn)

管道試樣來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）配置檢測系統(tǒng)。Focus LT（64／128）擁有64個獨(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，特別制作了短前沿楔塊，以便最大限度地利用波束，保證對焊縫的完整覆蓋。

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、編碼器的相對位置及距離可調(diào)，可滿足不同結(jié)構(gòu)對接管件的掃查需求。掃查裝置如圖6所示。

圖6 管道相控陣超聲檢測掃查裝置

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

圖7 相控陣超聲檢測C掃描圖

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

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

表4 相控陣超聲檢測數(shù)據(jù)

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

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

3 結(jié)論

（1）對比常規(guī)A超而言，相控陣超聲檢測技術(shù)可以使用單個探頭以多個角度檢測焊縫，提高了小徑管對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技術(shù)極大地提高了檢測的速度且無輻射污染。

（4）相控陣超聲檢測技術(shù)能實(shí)時輸出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.射線檢測小徑管的靈敏度對比試驗(yàn)［J］.無損檢測，2009，31（7）：569－571.

［2］牟彥春，金南輝.電站鍋爐小徑管對接接頭超聲檢測靈敏度補(bǔ)償量的確定［J］.無損檢測，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］.無損檢測，2011，35（4）：1－6.