球罐對接焊縫超聲TOFD及超聲相控陣檢測實驗研究

原　培，王　強，翟永軍，胡　棟

(1.中國計量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.山東省特種設(shè)備檢驗研究院泰安分院，山東 泰安 271000)

現(xiàn)今，焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活中，尤其是大型壓力容器中，球罐就是其中一種常見的壓力容器.球罐用于儲存化學(xué)物質(zhì)，尤其在液化石油氣的儲存和運輸上使用頻率很高.這些物質(zhì)易發(fā)生火災(zāi)和爆炸，為保證球罐的安全使用，減少事故發(fā)生，需要采用無損檢測手段定期對使用的球罐進行檢測和監(jiān)測.

目前，對焊縫中缺陷的檢測方法主要是射線和超聲波(UT)檢測.射線檢測(RT)雖然有效，但檢測費用高，檢測效率底，對于厚度大的工件無法穿透.于是美國ASME鍋爐壓力容器規(guī)范中甚至提出了在特定前提下，可以采取TOFD檢測替代射線檢測[1].

相對于傳統(tǒng)的A超超聲檢測方法，超聲TOFD檢測方法檢測速度更快，對缺陷的定位和定量精密度更高，相對誤差更小，且可以記錄和長久保存數(shù)據(jù).但超聲TOFD在實際檢測中，上表面缺陷深度較小時易被產(chǎn)生的直通波淹沒，近底面處的缺陷也會被產(chǎn)生的底面回波淹沒，從而存在近表面和底面盲區(qū).目前，針對超聲TOFD在檢測存在的盲區(qū)，強天鵬等[2]人通過對超聲TOFD上表面盲區(qū)深度計算公式中的直通波脈沖的時間寬度如何取值進行討論，并用試驗修正了計算公式中的取值，提出通過采用短脈沖、高頻率的探頭和減小探頭中心距離(PCS)，可以減小上下表面盲區(qū).遲大釗等人[3]、Chi D[4]等人提出利用縱波三次反射的傳播方法(TOFDW法)，能夠有效地檢測到掩埋在近表面上1.0 mm深處的缺陷，且深度的測量結(jié)果絕對誤差小于0.3 mm.林乃昌[5]提出根據(jù)檢測中出現(xiàn)的變型波對近表面處存在的缺陷進行檢測，通過對40 mm厚深度為1.0～10.0 mm線切割槽進行試驗，可以有效地檢測到埋藏在近表面上深度為2.00 mm處的缺陷.丁寧等人[6]也提出一種基于波型轉(zhuǎn)換的盲區(qū)抑制方法，通過在35.00 mm厚的碳鋼試塊上對深度1.00～6.00 mm開口槽人工缺陷進行檢測的試驗，驗證了使用該方法可以有效將近表面上存在的盲區(qū)降低到1.0 mm，且在深度上的定位誤差小于0.24 mm.PVR等人[7]利用剪切橫波，提高近表面檢測精度，但該方法并無法確定缺陷的尺寸.張濤[8]提出衍射橫波TOFD檢測方法，該方法是利用了缺陷尖端產(chǎn)生的衍射橫波信號來對近表面缺陷進行判斷，通過檢測人為在厚度為18 mm的鋼板中加工的各種深度的橫孔缺陷的實驗，驗證該方法可以檢測到掩埋在近表面深度為2.00 mm的人為加工的缺陷，且對缺陷在深度和高度定量誤差小于1 mm，這種方法可以有效提高超聲TOFD對表面檢測的靈敏度.雖然利用上述的這些方法可以減小TOFD檢測存在的盲區(qū)，但在一定程度上增加了檢測操作的復(fù)雜性，增大工作量.李衍[9-10]通過實驗證明相控陣可以有效檢測4 mm薄的焊縫內(nèi)的缺陷，通過建模，模擬不同壁厚的多種焊接結(jié)構(gòu)，介紹超聲相控陣檢測中扇掃可以覆蓋覆蓋的范圍.岳庚新[11]等人通過對薄厚不同的對接焊縫進行實驗，驗證了相控陣可以檢測定位到焊縫的表層缺陷.肖武華[12]等人通過多次實驗，將X射線、傳統(tǒng)的A超超聲波、超聲相控陣和超聲TOFD四種檢測方法進行對比分析，驗證了超聲相控陣在定量和定位上都較為準確的，但是由于受到的干擾因素較多，在缺陷自身高度上的定量誤差比TOFD大.

本文主要以球罐對接焊縫為研究對象，通過使用超聲TOFD和相控陣兩種檢測方法，對定制的與該球罐的材質(zhì)相近和工藝參數(shù)相同的400 mm(長)×400 mm(寬)×30 mm(厚)對接焊縫試塊中人為在焊縫中設(shè)計加工的5種不同類型和尺寸的缺陷進行檢測，對比分析兩種方法對定制試塊中焊縫內(nèi)已知缺陷的檢出效果，并將兩種方法對加工缺陷的定量進行比較.

1　基本原理

1.1　超聲TOFD檢測原理

與傳統(tǒng)的超聲檢測方法不同，如圖1，超聲TOFD檢測的基本原理是采用一對相同尺寸、相同角度和相同頻率的縱波探頭，將其對稱放置在焊縫兩側(cè)，通過一發(fā)一收的方式，一縱波探頭在焊縫的一側(cè)發(fā)射超聲脈沖，另一探頭在焊縫的另一側(cè)接收直通波(LW)、缺陷上端點產(chǎn)生的衍射波(UTW)、缺陷下端產(chǎn)生的衍射波(LTW)和底面回波信號(BW)，對這些波形信號進行處理來構(gòu)建A掃信號，將連續(xù)A掃圖像疊加構(gòu)建TOFD灰度圖像[13].檢測人員通過觀察TOFD的灰度圖像和對應(yīng)的A掃信號相位對焊縫中的缺陷進行辨識和分析.超聲TOFD是根據(jù)衍射信號的傳播時間對焊縫中的缺陷進行定量.

圖1　超聲TOFD原理Figure 1　Principle of ultrasonic TOFD

工件焊縫近表面缺陷產(chǎn)生的信號易被直通波信號淹沒，存在檢測盲區(qū).縱波在工件中的傳播速度為c，兩探頭中心距離為2 s，直通波信號的脈沖時間寬度為tp，近表面存在的盲區(qū)深度d可表示為

(1)

文獻[2]中，描述了二種下表面盲區(qū).一種是底面焊縫中心缺陷，被底面回波信號淹沒，另一種是軸偏離底面缺陷.通過減小兩個探頭中心距離(PCS)可以減小第一種底面盲區(qū)高度；提升探頭的中心頻率和增大兩探頭中心距離(PCS)可以降低第二種盲區(qū)高度.

1.2　超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣聚焦原理如圖2，它是通過計算機控制換能器中多個晶片陣元，根據(jù)一定的延時法則激勵每個陣元晶片產(chǎn)生發(fā)射超聲波信號，使得各個陣元產(chǎn)生的超聲波束在空間中進行疊加合成，波束遇到缺陷后反射回來，按照接收聚焦法則將信號合成，實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦[14]效果.超聲相控陣產(chǎn)生高分辨率的超聲成像，可以快速精確地對缺陷進行的定位.

圖2　相控陣聚焦原理圖Figure 2　Phased array focusing principle diagram

在超聲相控陣中采用延時法則激勵脈沖，焦距為F，陣元為n，工件中的傳播速度為c，t0為足夠大的常數(shù)，第n個陣元到中心陣列的間距為Bn每個陣元激勵脈沖延遲時間關(guān)系為：

(2)

(3)

2　檢測方案

2.1　試塊信息

根據(jù)實際球罐的材質(zhì)、厚度、焊縫坡口型式和焊接工藝，定制與其相近的平板對接焊縫試塊，試塊材質(zhì)為16MnR，尺寸為400 mm(長)×400 mm(寬)×30 mm(厚)，中間焊縫坡口的形式為X型，焊縫上表面寬2 cm，根據(jù)焊縫存在的典型缺陷，依次在焊縫處預(yù)埋了氣孔、表面裂紋、根部未焊透、未熔合、條狀夾渣5種缺陷.定制試塊具體實物圖和相應(yīng)的尺寸設(shè)計信息如圖3.

2.2　超聲TOFD檢測

采用美國物理聲學(xué)公司(PAC)推出POCKETUT檢測儀及與其相配備的手動掃查器，對定制試塊中對接焊縫進行超聲TOFD檢測.根據(jù)定制試塊的信息，依照NB/T47013.10—2015標(biāo)準[15]中推薦性的探頭參數(shù)選擇，超聲TOFD檢測工藝參數(shù)如表1.

2.3　超聲相控陣檢測

檢測使用OmniScan MX2超聲相控陣探傷儀對定制試塊對接焊縫進行檢測，根據(jù)試塊尺寸選取和設(shè)置參數(shù)如表2.

圖3　對接焊縫試塊Figure 3　Butt welded block

試塊厚度/mm掃查方式晶片尺寸/mm晶片頻率/MHz探頭角度/(°)探頭中心間距PCS/mm30非平行掃查656069．3

表2　超聲相控陣檢測參數(shù)

3　實驗結(jié)果分析

3.1　超聲TOFD檢測結(jié)果

根據(jù)表1超聲TOFD檢測參數(shù)，在模擬試塊的焊縫兩側(cè)布置探頭，沿焊縫方向進行非平行掃查，獲得的定制試塊的超聲TOFD檢測結(jié)果如圖4.

根據(jù)檢測結(jié)果圖4，可以在灰度圖上單一氣孔1很容易被發(fā)現(xiàn)，在圖像中呈現(xiàn)圓弧狀且信號的邊緣清晰度向兩邊逐漸下降；根部未焊透2在灰度圖上可以清楚的呈現(xiàn)，該缺陷的邊緣清晰，而且在圖中亮度較高，與底色的反差較大；未熔合缺陷3與未焊透缺陷相似，呈現(xiàn)條狀，清晰度高；條狀夾渣4在灰度圖中呈現(xiàn)為多個夾渣狀衍射圖像的連續(xù)，圖像雜亂，缺陷上尖端點的衍射信號強，下尖端點的衍射信號明顯減弱.綜上，超聲TOFD檢測可以有效的檢測到試塊焊縫中氣孔1、未焊透2、未熔合3和條狀夾渣4缺陷，但是未檢測到定制試塊中表面裂紋，這是由于表面裂紋深度較小缺陷信號被埋藏在了直通波信號中，造成表面盲區(qū).相對而言，當(dāng)近底面存在缺陷時，缺陷容易被底面回波淹沒，存在近底面檢測盲區(qū).

圖4　超聲TOFD檢測結(jié)果Figure 4　Detection result of ultrasonic TOFD

根據(jù)式(1)，表1選擇的參數(shù)和圖5的A掃信號圖，可以計算出近表面盲區(qū)深度約為8.0 mm.

圖5　A掃信號Figure 5　A sweep signal

超聲TOFD檢測未將定制試塊對接焊縫中的表面裂紋檢測出來，下面使用超聲相控陣對焊縫中的缺陷進行檢測，分析兩種檢測方法.

3.2　超聲相控陣檢測

根據(jù)表2超聲相控陣檢測參數(shù)，在試塊焊縫兩側(cè)，沿平行于焊縫方向進行扇形掃查，使用普通機油作為耦合劑.

在定制試塊上使用超聲相控陣對焊縫進行扇形掃查，可將焊縫中的缺陷全都掃查到且清楚地顯示缺陷在焊縫的位置，具體的圖像信息如圖6.對于點狀型缺陷，如圖6(a)中顯示的氣孔，由于其體積小，產(chǎn)生的回波信號低，在相控陣的相對的檢測結(jié)果中的其A掃信號的波幅不高，很容易漏檢；但是對于超聲TOFD檢測不到的上表面裂紋，使用超聲相控陣可檢測到.

3.3　定量分析

定制試塊焊縫中缺陷的實際尺寸，使用超聲TOFD和超聲相控陣方法測量出的缺陷尺寸具體信息如表3.

通過表3可以看出超聲TOFD與超聲相控陣相比測出的缺陷長度誤差比較小，都在1 mm左右，但是在缺陷深度定量上，超聲TOFD的誤差在1 mm以下，而超聲相控陣深度定量誤差約為2 mm，兩者相比，超聲TOFD比超聲相控陣更加準確.這是由于超聲TOFD檢測是根據(jù)缺陷上下端點產(chǎn)生的衍射信號實現(xiàn)缺陷進行精確定位和定量，不受聲束角度與工件表面粗糙度等影響.而超聲相控陣是利用脈沖反射，受到的干擾因素較多，如工件表面的粗燥程度、耦合和增益大小等都會影響缺陷深度尺寸的測量.

表3　缺陷尺寸信息

4　結(jié)　論

1)采用超聲TOFD和相控陣兩種檢測方法對球罐上的對接焊縫實施檢測，檢測到的缺陷定位和定量都較為準確，且缺陷的圖像顯示更加直觀，現(xiàn)場就可進行分析，也可以將檢測結(jié)果記錄并保存.

2)單獨使用超聲TOFD對焊縫中的缺陷進行檢測時，存在近表面盲區(qū)而且會對近表面存在的缺陷漏檢，因此，可以使用超聲相控陣技術(shù)來輔助檢測.同時使用兩種超聲檢測方法，檢測焊縫中的缺陷，可以達到對焊縫100%的覆蓋，減小了焊縫近表面和近底面盲區(qū)，提高了焊縫缺陷的檢出率和檢測工作效率.

3)超聲相控陣是利用脈沖反射，受到的干擾因素較多，在缺陷深度定量上誤差較大；超聲TOFD檢測相對在缺陷深度定量上更為精確，可彌補相控陣在缺陷深度定量上的不足.

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