相控陣超聲檢測技術(shù)在薄壁小徑管中的應(yīng)用

(中國石油獨山子石化公司壓力容器檢驗所，獨山子 833699)

相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用始于20世紀60年代，作為一種新型的無損檢測技術(shù),具有檢測速度快、效率高、可成像,以及靈活性、再現(xiàn)性、可存檔等諸多優(yōu)勢,成為承壓設(shè)備的重要超聲檢測技術(shù)之一。

該技術(shù)發(fā)展十分迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽輪機葉片檢測、石化裝置焊縫檢測、核電站檢測等領(lǐng)域。新一代相控陣超聲檢測系統(tǒng)還配有針對不同焊接接頭形式、特殊構(gòu)件的檢測軟件，檢測部位會形成三維圖譜顯示，能更加直觀地顯示檢測結(jié)果[1]。

1 相控陣超聲檢測技術(shù)

1.1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測是將相控陣探頭中按一定規(guī)律排列的多個晶片，按預(yù)先規(guī)定的設(shè)置(延時、增益、振幅等)激發(fā)，被激發(fā)的晶片聲束合成后產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和聚焦，從而檢測工件中的缺陷，并能對缺陷進行成像[2]。因此在一定范圍內(nèi)，相控陣超聲技術(shù)能有效控制聲束在材料中的偏轉(zhuǎn)和聚焦，為確定缺陷的形狀、大小和方向提供了比單個探頭系統(tǒng)更強的能力，一次掃查覆蓋范圍大、檢測速度快、效率高[3]。

1.2 相控陣檢測校準設(shè)置

為了避免角度靈敏度差異，在靈敏度設(shè)置前應(yīng)先進行靈敏度較準。相控陣檢測中角度的增益補償是非常重要的[4]。

靈敏度設(shè)置：參照GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》標準進行靈敏度設(shè)置，探測深度為6～50 mm時，將DAC曲線的最大聲程處φ2 mm×40 mm(直徑×孔深)橫孔回波調(diào)至滿屏40%高度作為掃查靈敏度[5]。

1.3 相控陣檢測方法

與常規(guī)超聲波檢測不同，相控陣檢測過程中無需頻繁地前后移動探頭，只需要確定探頭楔塊前端與焊趾的距離，保證探頭發(fā)射的聲束能覆蓋整個被檢截面，然后沿著焊縫軸線方向縱向移動即可完成檢測[6]。

2 相控陣掃查分析

2.1 案例介紹

薄壁小徑管試樣取自某石化裝置主要設(shè)備上的管線，材料為20#鋼，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ34 mm×4 mm。在該試樣管對接焊接接頭中存在焊接缺陷，隨機抽查3道管線對接焊接接頭進行檢測。

2.2 探頭放置和聲束覆蓋范圍設(shè)置

相控陣掃查采用扇形掃查整個焊縫，不需要前后移動探頭位置。制定檢測工藝時既要滿足全覆蓋掃查的要求，又要保證檢測的靈敏度?？筛鶕?jù)被檢件的壁厚來確定探頭的掃查角度范圍，扇掃描角度范圍不應(yīng)超出35°～75°，并要求在角度范圍內(nèi)使用。

對小徑管焊縫進行相控陣超聲檢測掃查時，通過模擬效果可以找到合適的晶片組，保證扇形掃描中大角度聲束(三次波)覆蓋焊縫底部和熱影響區(qū)；小角度聲束(四次波)覆蓋焊縫上部和熱影響區(qū)，達到對焊接接頭的100%檢測[7]。

2.3 檢測結(jié)果比較與分析

1#試樣管上有未焊透焊接缺陷，從其射線底片和相控陣檢測圖譜上都可以清晰地看到未焊透缺陷，如圖1，2所示。

2#試樣管上有氣孔缺陷，從其相控陣超聲檢3#試樣管存在裂紋缺陷，從其相控陣超聲檢測圖譜(見圖5)可以清晰地看到缺陷，但由于其是深度較淺的表面裂紋，在射線底片上未能看到該缺陷，無法進行比較，因此增加磁粉檢測和滲透檢測，結(jié)果如圖6～8所示。

圖1 1#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖2 1#試樣管的數(shù)字射線檢測結(jié)果(浮雕)

測圖譜和射線底片上均可以看到該缺陷，如圖3，4所示。

圖3 2#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖4 2#試樣管的數(shù)字射線檢測結(jié)果(浮雕)

圖5 3#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖6 3#試樣管的射線檢測結(jié)果(無缺陷)

圖7 3#試樣管的磁粉檢測結(jié)果(缺陷長度9 mm)

圖8 3#試樣管的滲透檢測結(jié)果(缺陷長度7 mm)

2.4 檢測數(shù)據(jù)匯總

1#～3#試樣管的相控陣超聲檢測和射線檢測的數(shù)據(jù)匯總，如表1所示,由表1可得：

(1) 相控陣超聲檢測技術(shù)可以檢測出未焊透缺陷的長度、高度、埋藏深度，但是射線檢測方法只能檢測出缺陷的長度，無法準確測量缺陷的高度；缺陷定位方面，相控陣超聲比射線方法更加精準。

(2) 對于氣孔缺陷，相控陣超聲技術(shù)可檢出，而射線檢測可準確地定量出缺陷的點數(shù)，故對于氣孔類缺陷的定量，射線檢測比相控陣超聲技術(shù)要精準。

(3) 對于表面裂紋類缺陷，一般采用磁粉、滲透等方法進行檢測。磁粉檢測只能檢測表面或近表面缺陷,滲透檢測只能檢測表面缺陷。由于小徑管管壁較薄不能過度打磨，但是對焊縫表面狀態(tài)又要求較高，因此焊縫表面粗糙度一般無法達到要求，容易造成漏檢。采用相控陣超聲技術(shù)檢測薄壁小徑管對接焊縫，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫裂紋的多角度、無盲區(qū)掃查，檢測靈敏度高。

表1 1#～3#試樣管的檢測數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1) 相控陣超聲檢測技術(shù)可以對某些常規(guī)超聲檢測有困難的部件進行檢測，檢測結(jié)果準確詳細。通過理論分析相控陣超聲檢測技術(shù)的特點，利用三次和四次波能完全覆蓋此類小徑管對接焊縫，很好地提高了檢測效率。

(2) 對比相控陣和射線檢測技術(shù)的檢測數(shù)據(jù),射線檢測技術(shù)的圖像簡單直觀,相控陣檢測技術(shù)的圖像豐富立體，兩種方法均能準確地對缺陷性質(zhì)進行判定。

(3) 利用相控陣聚焦及偏轉(zhuǎn)的特點，實施單側(cè)檢測就能實現(xiàn)小徑管環(huán)焊縫全部區(qū)域的覆蓋，對焊縫中包含的裂紋類高危缺陷的檢測靈敏度高。成像位置準確，檢測結(jié)果直觀、準確、易于判斷。

(4) 相控陣檢測方法對于缺陷檢出率高于射線檢測。

綜上，相控陣超聲檢測技術(shù)在焊縫檢測的應(yīng)用中具有很強的可行性，但是相控陣檢測人員必須不斷積累經(jīng)驗，提高數(shù)據(jù)判讀水平，才能保證檢測結(jié)果的有效性，保證裝置設(shè)備的安全運行。