基于相控陣檢測技術的在役成品油管道環(huán)焊縫缺陷檢測應用與分析

韋紅帥

摘 要：相控陣超聲波檢測技術已經(jīng)作為一種成熟的有效檢測手段，應用于環(huán)焊縫焊接的無損檢測中。本文主要通過對相控陣檢測技術原理及檢測工藝介紹，結(jié)合某成品油在役輸油管道環(huán)焊縫檢測實例探討相控陣超聲檢測技術在在役成品油輸油管道環(huán)焊縫檢測中的應用。

關鍵詞：相控陣檢測技術;環(huán)焊縫檢測;成品油輸油管道

我國人口眾多，工業(yè)龐大，隨著生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，每年的成品油消耗巨大，因此國內(nèi)建造了大量的成品油輸油管網(wǎng)。我國幅員遼闊，地貌多變，成品油管網(wǎng)在建設過程中途經(jīng)高山深谷，平原高地和人口稠密、水網(wǎng)交錯的地區(qū)，具有距離長、管徑大、運行壓力高、地形復雜、高差起伏大等特點。由于運行工況復雜，輸油管道環(huán)焊縫質(zhì)量問題異常關鍵。然而，作為在用的輸油埋地管道，針對管道環(huán)焊縫缺陷卻一直缺乏有效快速的檢測手段。傳統(tǒng)的四大常規(guī)無損檢測方法，檢測成本高、速度慢，抽檢的覆蓋率低，難以全面科學準確地對管道焊縫完好性進行全面的評價。相控陣超聲技術可以高效地檢測在役油輸油管道環(huán)焊縫，該檢測技術作為一種成熟有效的無損檢測技術已得到充分的認可，廣泛應用于成品油管道及其他相關行業(yè)。

1 相控陣超聲檢測技術原理與設備

1.1 相控陣

一個陣列探頭就是在一個單一外殼中包含多個單個晶片的探頭，相控的意思是這些晶片被按序列完成脈沖觸發(fā)的方式。一般來說，一個相控陣系統(tǒng)基于一個專用的超聲探頭，這個探頭包含很多單個晶片（一般從16個到256個不等），這些晶片可根據(jù)編排的序列被分別觸發(fā)。

1.2 相控陣超聲檢測技術

相控陣超聲檢測技術是根據(jù)設定的延遲法則激發(fā)相控陣陣列探頭各獨立壓電晶片（陣元），合成聲束并實現(xiàn)聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接收超聲信號并以圖像的方式顯示被檢對象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測技術。

1.3 相控陣超聲設備

本文選擇了汕頭市超聲儀器研究所有限公司SUPOR-32PT超聲相控陣成像檢測系統(tǒng)進行試驗研究及檢測應用。相控陣超聲檢測設備由相控陣超聲檢測儀、軟件、相控陣超聲探頭、楔塊、掃查裝置、耦合注水裝置等組成。

2 管道環(huán)焊縫相控陣檢測工藝

成品油輸油管道用鋼一般為軋制，聲速差異不大，一般可按普通鐵素體鋼看待。

2.1 探頭及楔塊

相控陣探頭是一種晶片的激發(fā)時間可以單獨調(diào)節(jié)、以控制聲束軸向和焦點等參數(shù)的晶片陣列。通過改變探頭晶片的聚焦法則可實現(xiàn)波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，這也是相控陣技術能進行一次大面積掃查的基本原理。在相控陣探頭各種參數(shù)中，一般來講，可激發(fā)晶片數(shù)越多，探頭功率越強，尺寸也越大。對于成品油輸油大管道一般選擇16～32晶片的探頭。本文選擇的探頭是4MHz、16晶片探頭，楔塊型號：8N55S。

2.2 靈敏度設置

目前國內(nèi)石油行業(yè)超聲相控陣檢測尚未有相關的技術標準，檢測靈敏度的確定參照常規(guī)超聲波檢測所依據(jù)的標準，本次檢測輸油管道依據(jù)SY/T4109-2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》設置靈敏度。靈敏度校準采用SGB系列對比試塊。調(diào)節(jié)完成后，探測試塊橫通孔，在聲束范圍內(nèi)各角度和深度的檢測靈敏度基本一致，可以保證不會發(fā)生因靈敏度不一致造成的漏檢，所選擇的超聲相控陣檢測系統(tǒng)滿足要求。

2.3 焊縫參數(shù)

管道環(huán)焊縫檢測首先應確定焊接方法和坡口型式，同時應盡量查明焊縫成形情況。從資料可以查出，某成品油管網(wǎng)現(xiàn)場安裝焊縫為手工焊，管道焊縫坡口型式為V型。焊縫工藝參數(shù)主要根據(jù)竣工資料進行設置調(diào)節(jié)。

2.4 焊縫表面處理

檢查焊縫表面外觀、余高寬度和高度、掃查面光潔度，檢測面探頭移動區(qū)域應打磨平順，并清除焊接飛濺、鐵屑、油污及其他影響聲能傳播的雜質(zhì)，以保證檢測數(shù)據(jù)的可追溯性和可重復性。

2.5 掃查方法

與常規(guī)超聲波檢測不同，相控陣檢測過程中無需前后移動探頭做鋸齒形掃查，只需確定探頭楔塊前沿與焊縫中心的距離，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，掃查過程中要注意探頭走偏。

3 現(xiàn)場埋地成品油管道環(huán)焊縫檢測應用

以某成品油輸油管道環(huán)焊縫檢測為例。在役管道的日常管理過程中，采用內(nèi)檢測技術，檢測并定位了一批存在缺陷的環(huán)焊縫。再通過相控陣超聲檢測技術進行檢驗驗證。本文選取某成品油輸油管道的一處環(huán)焊縫內(nèi)檢測缺陷點進行超聲相控陣檢測。結(jié)果見圖，C掃描成像的長度是沿焊縫軸線展開的長度。焊縫中缺陷指示長度22.56mm，埋藏深度4.06mm，自身高度3.05mm，從C掃描圖像中還可以測量得到缺陷的深度、位置等信息。獲取足夠多的缺陷信息并對缺陷進行評級，根據(jù)評級結(jié)果做出對該缺陷進行修復的處理決策。本文中該處環(huán)焊縫缺陷最終采用B型套筒的方式進行修復。

相控陣超聲波檢測技術成熟，且受成品油輸油管道中油品品質(zhì)及流速影響較小。應用相控陣檢測技術可以實現(xiàn)工件的A、B、C掃描成像，和實現(xiàn)缺陷的三維成像，顯示更為直觀。相控陣檢測系統(tǒng)能夠直觀地看出缺陷在焊縫中的位置，缺陷識別難度降低，能有效地防止缺陷誤判。與常規(guī)超聲檢測相比，相控陣探頭僅沿一個方向移動即可，移動量更少，降低了人員操作因素對檢測結(jié)果準確性的不利影響，增強了檢測可靠性。

4 結(jié)語

本文介紹了相控陣檢測技術原理及檢測工藝，并在現(xiàn)場進行了實際應用，檢測結(jié)果表明，相控陣技術結(jié)合可以便捷地對缺陷的長度、深度、高度等數(shù)據(jù)進行測量，并結(jié)合A、B、C等多種掃查視圖，及缺陷坡口的模擬，可以更加準確地判斷缺陷的類型。在在役輸油管道日常管理過程中，通過內(nèi)檢測技術提供了精確的環(huán)焊縫缺陷定位，結(jié)合相控陣檢測技術的無損檢測等優(yōu)勢，為輸油管道的維修維護提供的有力的保障。

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