球罐對接焊縫中裂紋、夾渣相控陣識譜技術(shù)探討

(武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，武漢 430014)

0 引言

球罐是一種大型鋼制壓力容器，主要用于貯存易燃易爆、有毒有害等高危害性介質(zhì)，在企業(yè)中通常設(shè)立單獨(dú)的球罐區(qū)域。球罐對接焊縫失效是其主要危險(xiǎn)源之一，焊縫開裂可導(dǎo)致物料泄漏進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等連鎖反應(yīng)，造成嚴(yán)重后果。

在對球罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，球罐對接焊縫的無損檢測是重要環(huán)節(jié)，缺陷性質(zhì)及尺寸直接影響球罐安全狀況等級[1]。目前對球罐對接焊縫中缺陷檢測方法主要采用射線檢測(RT)、A型超聲波以及衍射時(shí)差超聲檢測(TOFD)技術(shù)。這3種檢測技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：射線檢測結(jié)果直觀、可判別缺陷性質(zhì)，但受厚度限制且無法確定缺陷深度及自身高度；超聲波穿透能力強(qiáng)、對面狀缺陷敏感，但人為操作影響較大，檢測結(jié)果不直觀，較難判定缺陷性質(zhì)；TOFD技術(shù)能夠確定缺陷的長度、深度及自身高度，檢測結(jié)果較為直觀，但存在近表面及表面盲區(qū)，較難確定缺陷性質(zhì)[2]。這3種檢測方法的局限性一定程度上降低了工作效率。

近幾年，隨著軟硬件技術(shù)提升，相控陣超聲檢測(PAUT)越發(fā)成熟，其工作方式是在不移動探頭的情況下，僅通過軟件控制探頭晶片激發(fā)順序，即可獲得聲束最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角度及聚焦深度，提高檢測分辨力及位置針對性，還可從不同投影方向生成S，B，C，D等4種掃描圖譜。這些特點(diǎn)使相控陣技術(shù)具有更高的缺陷檢出率、測量精度以及檢測可靠性[3-5]。

本文選取球罐對接焊縫中常見的體積狀和面狀性質(zhì)的缺陷(夾渣和裂紋)各一例，在試板上預(yù)埋這兩種性質(zhì)的自然缺陷，采用相控陣超聲技術(shù)對其檢測，分析兩種缺陷的成像特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際球罐檢驗(yàn)中的應(yīng)用案例，對球罐對接焊縫中裂紋、夾渣相控陣識譜技術(shù)進(jìn)行探討。

1 模擬試板相控陣檢測

1.1 模擬試板制作

針對不同體積的球罐，共制作3種不同厚度的模擬試板，試板的結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)、厚度、焊接坡口型式等與實(shí)際檢測的球罐相同或相近，每塊試板中均包含縱向裂紋(縱裂)及條狀夾渣(條渣)的自然缺陷，通過焊接控制所定向產(chǎn)生的自然缺陷(相同性質(zhì)的缺陷，其自身尺寸不一致)[6]，每種缺陷數(shù)量1～2個不等(見表1)。

1.2 儀器與探頭

試驗(yàn)選用便攜式多功能相控陣檢測儀(型號HSPA20)及其相配備的編碼器、探頭型號為5L32-1.0×13一維線陣、楔塊物理角度為55°，掃查方式為沿線掃查+扇掃描。

表1 模擬試板厚度、材料、坡口型式及試板尺寸

1.3 靈敏度

依據(jù)GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》以及參照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)，選用CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)探頭，選用CSK-ⅡA-1，CSK-ⅡA-2對比試塊制作曲線，靈敏度參照A型超聲波。

1.4 缺陷數(shù)據(jù)對比

(a)TOFD檢測

(b)射線檢測

(c)相控陣超聲檢測

目前，檢測方法中射線測長、TOFD測高可信度較高，故本試驗(yàn)采用這兩種方法與相控陣進(jìn)行數(shù)據(jù)測量對比，驗(yàn)證相控陣的準(zhǔn)確性與有效性。相控陣超聲波在測量尺寸時(shí)，參照A型超聲波采用半波法、端點(diǎn)半波法及絕對靈敏度法[2]。圖1～3分別示出每塊試板的3種檢測方法圖像，表2～4分別列出每塊試板3種檢測方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

(a)TOFD檢測

(b)射線檢測

(c)相控陣檢測

表2 1#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對比mm

(a)TOFD檢測

(b)射線檢測

(c)相控陣檢測

表3 2#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對比mm

表4 3#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對比表 mm

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 裂紋

2.1.1 圖譜分析

裂紋是典型的面狀缺陷，裂紋的形貌、延展方向、尺寸大小等因素直接影響相控陣成像效果。從B掃和C掃描圖像中可以清楚地看到，該條裂紋單面雙側(cè)掃查出的圖像差異很大，聲束入射角度受裂紋取向影響造成影像缺失，并且在長度和深度方向上存在多個回波高點(diǎn)，圖譜上顏色深淺變化(見圖4)。

在S掃描圖像上觀察裂紋缺陷時(shí)，在移動角度線的同時(shí)，可在A掃描圖像中看到該角度下的A型脈沖反射回波形貌，當(dāng)移動到裂紋深度方向下端點(diǎn)時(shí)，在緊貼主聲束旁會有端點(diǎn)衍射回波顯示ΔDW[2]，并且在S掃描上主反射波周圍及聲程方向上存在微弱的衍射波信號，如圖5所示。

在檢測表面及近表面裂紋時(shí)，相控陣成像同樣受表面余高等結(jié)構(gòu)回波的影響，結(jié)構(gòu)回波與缺陷成像疊加覆蓋，難以區(qū)分識別。當(dāng)采用單面雙側(cè)檢測下表面裂紋時(shí)，結(jié)構(gòu)回波應(yīng)位于二次波成像區(qū)，但對于近表面裂紋，尤其當(dāng)裂紋自身高度超過余高一定量時(shí)，B掃圖譜上一次波與二次波同時(shí)顯示。相比于傳統(tǒng)A型超聲檢測下近表面來說，這是相控陣的優(yōu)勢。上表面裂紋由于只能被二次波覆蓋，且受下表面余高的影響，導(dǎo)致聲波聲程增加，使缺陷定位不準(zhǔn)，需從內(nèi)表面或用其他方法輔助檢測(見圖6)。

圖4 2#試板中2縱裂單面雙側(cè)B掃和C掃圖譜

圖5 縱向裂紋A超反射波形和S掃圖譜

圖6 3#試板中1縱裂(近下表面)S掃和B掃圖譜

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖5，6可以看出，在測量數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)至少采用兩束相互垂直聲束(單面雙側(cè))進(jìn)行掃查，從中選取最優(yōu)圖像及缺陷長度的有效測量值；對端點(diǎn)有明顯衍射波信號的，可采用端點(diǎn)法進(jìn)行測高，對端點(diǎn)衍射回波不明顯的，采用半波法測量。從3組試板數(shù)據(jù)得知：PAUT測長值與RT差值基本在-3 mm以內(nèi)，且PAUT測長普遍偏小，而在1#試板的1縱裂缺陷雙側(cè)測長值最大僅為13.5 mm，與RT差值4.5 mm，對該缺陷測量時(shí)僅發(fā)現(xiàn)一個回波高點(diǎn)，利用半波法自動忽略掉部分反射區(qū)，導(dǎo)致測長偏小(見圖7),故對此類裂紋定長時(shí)，可延至圖像邊界，防止返修不到位。對于3#試板中的2縱裂缺陷，幾乎很難看清影像(見圖3)，這是厚板射線局限性導(dǎo)致的。PAUT測量深度時(shí)，與TOFD誤差在2 mm以內(nèi)；測量自身高度時(shí)，PAUT一次波缺陷盡可能采用端點(diǎn)衍射回波差值，二次波缺陷大多取上下端點(diǎn)半波所在位置的差值，從數(shù)據(jù)中可看出與TOFD出入較大，僅能作為參考。

2.2 夾渣

2.2.1 圖譜分析

夾渣是體積型缺陷，一般是由于雙面焊清根不凈或施焊不規(guī)范導(dǎo)致夾渣殘留，通常分布于焊縫中心及坡口熔合線附近。夾渣在B/C掃描成像均較為完整，形成較為均勻的條狀顯示，中部亮度較高(見圖8)，有長度且有明顯的自身高度[7]，前后左右微調(diào)相控陣探頭，缺陷圖像上始終能找到最高回波，深度、水平方向大致能保持在一條直線上。在A/S掃描圖像上也可看到圖像顏色由中心向四周階梯式變淺，主聲束周圍無明顯的衍射波信號(見圖9)。

圖7 1#試板中1縱裂B掃描圖譜

圖8 3#試板中3條渣B掃/C掃圖譜

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

3塊試板PAUT測長值均明顯小于RT測長值，產(chǎn)生這種誤差的可能性，主要是因?yàn)閷τ趦H有一個回波高點(diǎn)的夾渣，在采用半波法測長時(shí)軟件自動將兩邊能量較低的反射忽略，不計(jì)入長度以內(nèi)，產(chǎn)生誤差。但在測量條狀夾渣自身高度、深度值與TOFD測量值對比差值在1 mm左右。

圖9 3#試板中3條渣A超反射波形

3 案例分析

對某化工企業(yè)2 000 m3乙烯球罐對接焊縫(T=48 mm)進(jìn)行相控陣檢測時(shí)，在球罐底部T形焊縫縱縫上發(fā)現(xiàn)一處縱向缺陷，測量數(shù)據(jù)為深度20～25 mm，長度38.8 mm、自身高度5 mm、距離焊縫中心5 mm。從B掃圖像上可看見缺陷圖譜顏色在深度和長度方向上不斷變化，存在多個波峰；在S掃圖像上可觀察到缺陷接近焊縫根部且靠近坡口熔合線部位，此位置也易產(chǎn)生應(yīng)力開裂，峰值圖像旁存在部分衍射信號，綜合分析判定為縱向埋藏裂紋。經(jīng)現(xiàn)場打磨發(fā)現(xiàn)一條實(shí)際長度40 mm、外表面打磨深度23～28 mm的縱向開裂裂紋(見圖10)，在深度、水平方向上裂紋均有轉(zhuǎn)折變向延展。結(jié)合實(shí)際可看出相控陣檢測優(yōu)勢明顯，其以圖形化方式顯示出缺陷位置，定位清晰，缺陷尺寸測量較為準(zhǔn)確，檢測時(shí)可一次掃查全覆蓋[8]。

4 結(jié)語

相控陣超聲波檢測采用多角度同時(shí)掃查，可一次性覆蓋整個焊縫，缺陷當(dāng)量歸一化，圖示直觀，同時(shí)可測量缺陷的長度、深度、高度及水平位置，以彌補(bǔ)TOFD檢測和射線檢測的局限性；同樣對條狀裂紋及條狀夾渣的相控陣圖像特點(diǎn)給出了參考意見，可以輔助檢測人員對缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定。

(a)縱向裂紋S掃描與B掃描圖像

(b)縱向裂紋現(xiàn)場打磨解剖實(shí)例

但通過試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，相控陣在測量缺陷長度和自身高度時(shí)存在一定的誤差。造成這種誤差的可能性主要有兩種：一是缺陷形貌千變?nèi)f化，而缺陷的走勢取向和聲束入射角度同時(shí)影響回波能量高低；二是本次試驗(yàn)在采用相控陣定量時(shí)，參照傳統(tǒng)A型超聲的半波法，對條狀缺陷長度測量偏小，尤其對只存在一個回波高點(diǎn)的缺陷測長時(shí)，儀器軟件默認(rèn)將兩端較低能量自動忽略，導(dǎo)致測長變小。故筆者建議在實(shí)際檢驗(yàn)球罐對接焊縫時(shí)，至少進(jìn)行相控陣單面雙側(cè)掃查，對需要返修的條渣及條狀裂紋長度根據(jù)相控陣B掃和C掃描圖示適當(dāng)延長，防止返修不到位。文中僅對較大尺寸的條狀裂紋及條狀夾渣進(jìn)行了相控陣檢測討論，對于對接焊縫中的微裂紋(≤5 mm)和點(diǎn)狀夾渣的檢測特點(diǎn)并未具體說明，需做進(jìn)一步研究。