水利工程中金屬焊縫缺陷的超聲檢測(cè)方法比較研究

王光旭，李維樹(shù)，譚 新

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010)

0 引 言

水利工程的金屬結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)安裝過(guò)程中，焊接部位難以避免地會(huì)存在一些在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的缺陷[1]。這些缺陷在水利工程金屬結(jié)構(gòu)的運(yùn)行階段由于載荷變化、外界腐蝕等原因會(huì)發(fā)生演變，最終形成超標(biāo)缺陷，給水利工程帶來(lái)安全隱患[2]。水利工程金屬結(jié)構(gòu)中的焊縫類(lèi)型主要為T(mén)形角焊縫、對(duì)接焊縫、管道環(huán)向焊縫、管道軸向焊縫，其中對(duì)接焊縫較為常見(jiàn)，如鋼閘門(mén)翼板對(duì)接焊縫、腹板對(duì)接焊縫、面板對(duì)接焊縫以及吊耳板對(duì)接焊縫等，且多數(shù)為一類(lèi)焊縫。以上各類(lèi)焊縫中缺陷的精準(zhǔn)檢測(cè)與精細(xì)識(shí)別，對(duì)水利工程的安全運(yùn)行和科學(xué)管理具有重要意義。采用常規(guī)手段識(shí)別金屬結(jié)構(gòu)焊接缺陷存在諸多問(wèn)題，現(xiàn)行的檢測(cè)方法、檢測(cè)技術(shù)和安全評(píng)估體系尚不完善，亦存在各自的局限性，有待進(jìn)一步探索、研究、改進(jìn)和完善[3]。通常采用的超聲波、磁粉、滲透及射線(xiàn)探傷方法均存在各自的弊端，而相控陣[4]、紅外探傷、衍射時(shí)差法(Time of Flight Diffraction, TOFD)檢測(cè)[5]等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段。這些檢測(cè)技術(shù)是精確探測(cè)微缺陷的重要手段，目前在我國(guó)水電工程中的應(yīng)用并不普遍。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)比了常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)、超聲相控陣技術(shù)、TOFD對(duì)水利工程金屬結(jié)構(gòu)焊接缺陷的識(shí)別能力，分析了各種缺陷在超聲無(wú)損探傷技術(shù)中的特征顯示，以便為其在水利工程金屬結(jié)構(gòu)焊縫缺陷識(shí)別中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用試塊為300 mm×300 mm×20 mm的Q235B焊接缺陷試塊，中間以一條V形坡口對(duì)接焊縫連接。焊縫中預(yù)埋水利工程金屬結(jié)構(gòu)焊接件中常見(jiàn)的典型缺陷，缺陷包括坡口未熔合、根部未焊透、氣孔、橫向裂紋以及縱向裂紋。其中氣孔屬點(diǎn)狀缺陷，裂紋屬面積型缺陷(試塊A)，如圖1所示。坡口未熔合、根部未焊透屬體積型缺陷(試塊 B)，如圖2所示。圖1、2中單位為mm。由射線(xiàn)檢測(cè)確定的各缺陷空間尺寸，如表1所示。表1中起始位置為缺陷左端距試塊左端距離，長(zhǎng)度為平行于焊縫軸線(xiàn)的長(zhǎng)度，深度為缺陷上端點(diǎn)距焊縫表面距離。

圖1 焊接缺陷試塊A(Q235B)Fig.1 Weld defect sample A (Q235B)

圖2 焊接缺陷試塊B(Q235B)Fig.2 Weld defect sample B (Q235B)

表1 試塊焊縫缺陷空間尺寸Table 1 The dimensions of weld defect samples

2 試驗(yàn)方法

2.1 常規(guī)超聲檢測(cè)

檢測(cè)設(shè)備為HS600數(shù)字超聲波探傷儀，選用探頭：5P9×9K2.5，試塊：標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-I A、對(duì)比試塊CSK-ⅡA-1，耦合劑為機(jī)油。按NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》[6]規(guī)定的B級(jí)檢測(cè)等級(jí)實(shí)施檢測(cè)，按圖2中從左至右方向進(jìn)行掃查。

為檢測(cè)縱向缺陷，斜探頭垂直于焊縫中心線(xiàn)放置在檢測(cè)面上，作鋸齒型掃查，如圖3所示。探頭前后移動(dòng)的范圍應(yīng)保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移動(dòng)的同時(shí)，作 10°～15°的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 超聲波探頭的鋸齒型掃查Fig.3 Sawtooth scanning of ultrasonic probe

為觀察缺陷動(dòng)態(tài)波形和區(qū)分缺陷信號(hào)或偽缺陷信號(hào)，確定缺陷的位置、方向和形狀，采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等四種探頭基本掃查方式，如圖4所示。

圖4 四種基本掃查方法Fig.4 Four basic scanning methods

2.2 TOFD檢測(cè)

檢測(cè)設(shè)備為奧林巴斯Omniscan SX探傷儀，探頭：5 MHz、φ3 mm，楔塊：70°有機(jī)玻璃，耦合劑為機(jī)油。檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹缚p本身及熔合線(xiàn)兩側(cè)各10 mm。按NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 超聲衍射時(shí)差檢測(cè)》[7]規(guī)定的B級(jí)檢測(cè)等級(jí)實(shí)施檢測(cè)。

由于板厚為20 mm，故采用單通道檢測(cè)，時(shí)間窗口的起始位置設(shè)置為直通波到達(dá)接收探頭前0.5 μs以上，時(shí)間窗口終止位置設(shè)置為工件底面的一次轉(zhuǎn)換波形后0.5 μs以上。同時(shí)將直通波和底面反射波的時(shí)間間隔所反映的厚度校準(zhǔn)為20 mm。在試板母材區(qū)域?qū)⒅蓖úǖ牟ǜ咴O(shè)置為滿(mǎn)屏刻度的60%，即為檢測(cè)靈敏度。調(diào)整編碼器的“分辨率”(每步進(jìn)1 mm的數(shù)據(jù)采集次數(shù))為37 步·mm-1。由于底面盲區(qū)小于規(guī)范要求的數(shù)值，因此試驗(yàn)只進(jìn)行非平行掃查。

2.3 超聲相控陣檢測(cè)

檢測(cè)設(shè)備為 Omniscan MX2，選用探頭5L64-A12，試塊CSK-ⅡA-1，楔塊SA12-N55S，耦合劑為機(jī)油，掃查法配置為扇形掃查，波形設(shè)為橫波[8]。實(shí)施檢測(cè)前，設(shè)備的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 Omniscan MX2相控陣檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameter setting of Omniscan MX2 phased array detection system

檢測(cè)時(shí)應(yīng)保證掃查速度小于或等于最大掃查速度vmax，同時(shí)應(yīng)保證耦合效果和滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集要求。最大掃查速度為[9]

式中：vmax為最大掃查速度(mm·s-1)；FPR為激發(fā)探頭的脈沖重復(fù)頻率(Hz)；Δx為設(shè)置的掃查步進(jìn)值(mm)；N為設(shè)置的評(píng)價(jià)信號(hào)次數(shù)；A為A掃描的次數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 常規(guī)超聲波檢測(cè)結(jié)果分析

表3是運(yùn)用超聲波探傷法對(duì)試塊進(jìn)行無(wú)損探傷的結(jié)果，5個(gè)不同的缺陷處均有顯示信息。從表 3中可知，超聲波檢測(cè)對(duì)于缺陷水平位置的探測(cè)精度較為精確。對(duì)于深度位置的探測(cè)，試塊上預(yù)埋的缺陷探測(cè)結(jié)果基本上都實(shí)現(xiàn)了對(duì)深度位置的準(zhǔn)確定位，由于儀器和人為操作的原因，存在±2 mm以?xún)?nèi)的誤差。但是，從表3中可以看出，氣孔和橫向裂紋的顯示信息極為相似，這也是超聲波探傷方法的一個(gè)局限性，即難以對(duì)缺陷定性，實(shí)際工程應(yīng)用中更多的是根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)以及配合多方向掃查來(lái)實(shí)現(xiàn)定性的。

表3 超聲波檢測(cè)結(jié)果Table 3 Ultrasonic inspection results

為了分析缺陷顯示信息中波幅與探測(cè)位置的關(guān)系，記錄探頭垂直于焊縫中心線(xiàn)時(shí)，在缺陷實(shí)際位置處各點(diǎn)的超聲回波幅值，兩個(gè)試塊中不同缺陷的位置-波幅曲線(xiàn)如圖 5所示。從圖 5中可知，圖5(a)中的氣孔和圖5(b)中的橫向裂紋的位置-波幅曲線(xiàn)極為相似，回波幅度相差也不大。這主要是因?yàn)槌暡ㄔ谧隹v向掃查時(shí)對(duì)聲束軸線(xiàn)上的線(xiàn)性缺陷不敏感，在實(shí)際工程檢測(cè)中主要是依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)以及配合多方向掃查來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定性。對(duì)于圖 5(c)～5(e)中具有一定焊縫軸向長(zhǎng)度的缺陷，位置-波幅曲線(xiàn)都呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即中間位置波幅高，兩端點(diǎn)處波幅低，但又不呈現(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)性，這也是檢測(cè)出現(xiàn)誤差的原因之一。圖5(d)、圖5(e)中的體積型缺陷的回波幅度高于圖5(c)中的面積型缺陷的回波幅度。

3.2 TOFD檢測(cè)結(jié)果分析

圖5 超聲波檢測(cè)顯示的不同缺陷的位置-波幅曲線(xiàn)Fig.5 Position-amplitude curves of different defects in ultrasonic inspection

圖6 試塊A、B的TOFD圖像Fig.6 TOFD display for Sample A and B

TOFD技術(shù)是把一系列A掃數(shù)據(jù)組合，通過(guò)信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為T(mén)OFD圖像。在圖像中每個(gè)獨(dú)立的A掃信號(hào)成為圖像中很窄的一列，通常一幅TOFD圖像包含了數(shù)百個(gè)A掃信號(hào)，A掃信號(hào)的信號(hào)幅度在圖像中是以灰度明暗顯示的，通過(guò)灰度等級(jí)表現(xiàn)幅度大小。圖6是試塊A、B的TOFD圖像，從圖中可以清晰地看出缺陷處灰度的變化。從圖6中可知，氣孔和橫向裂紋在圖中呈現(xiàn)出一種特殊的弧形，產(chǎn)生這種弧形的原因可解釋如下：弧形突起峰的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是衍射信號(hào)聲程的最小位置，探頭掃描過(guò)程中，衍射點(diǎn)相對(duì)于探頭位置不斷變化，衍射信號(hào)的傳輸時(shí)間也不斷變化，當(dāng)缺陷位于發(fā)射和接收探頭的連線(xiàn)中點(diǎn)下方的對(duì)稱(chēng)處時(shí)，信號(hào)通過(guò)發(fā)射、接收探頭和與檢測(cè)表面的垂直平面，脈沖傳輸時(shí)間最短。當(dāng)探頭偏離這一位置時(shí)，無(wú)論是平行于焊縫移動(dòng)(D掃描)，還是垂直于焊縫移動(dòng)(B掃描)，傳輸時(shí)間都會(huì)增加。因此，TOFD掃描時(shí)，探頭由遠(yuǎn)處而來(lái)，經(jīng)過(guò)缺陷再離去，衍射信號(hào)的傳輸時(shí)間先是逐漸減小，然后再逐漸增加，這樣在TOFD圖像中就形成一個(gè)弧[10]?？v向裂紋和未熔合的TOFD信號(hào)比較相似。有一定高度的內(nèi)部裂紋和未熔合的信號(hào)由上、下尖端衍射波組成，上、下兩個(gè)尖端的A掃信號(hào)相位相反，這也是判別TOFD圖像中上、下兩個(gè)顯示信號(hào)是否為同一個(gè)缺陷的依據(jù)。縱向裂紋和未熔合信號(hào)也有一些細(xì)微區(qū)別：焊接產(chǎn)生的裂紋上、下端點(diǎn)一般不太規(guī)則，在深度平面上很少是一條直線(xiàn)；有些裂紋除上、下端點(diǎn)信號(hào)外，在兩者之間還存在一些夾雜信號(hào)。未熔合與縱向裂紋相比，其上、下端點(diǎn)信號(hào)比較規(guī)則，在深度平面上基本為直線(xiàn)或曲線(xiàn)，除上、下端點(diǎn)外，其它夾雜信號(hào)較少。對(duì)于一些無(wú)法通過(guò) TOFD信號(hào)區(qū)分的裂紋和未熔合缺陷，可以利用橫波探頭來(lái)幫助區(qū)分。試塊B中根部未焊透高度較小，上下尖端信號(hào)不夠明顯，且由于根部距探測(cè)面較深，圖像中顯示也沒(méi)有坡口未熔合那樣明顯與規(guī)則，一般是通過(guò)顯示深度和A掃信號(hào)特征來(lái)確定是否為根部未焊透。對(duì)于其它下表面開(kāi)口的根部未焊透，其信號(hào)易于識(shí)別，有兩個(gè)典型的特征：(1) 底面反射波消失或下沉；(2) 僅有上尖端衍射。

通過(guò)TOFD圖像數(shù)據(jù)分析軟件OmniPC-4.2對(duì)缺陷顯示信號(hào)進(jìn)行分析，得到的檢測(cè)結(jié)果如表4所示。從表4中的結(jié)果可以看出，TOFD給出的缺陷尺寸信息較為準(zhǔn)確，對(duì)小尺寸缺陷如氣孔、橫向裂紋的水平長(zhǎng)度能夠檢出，但對(duì)其自身高度的檢出精度不大。

表4 TOFD檢測(cè)試塊A和B中缺陷的結(jié)果Table 4 TOFD detection results for defects in Sample A and B

3.3 超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果分析

相控陣檢測(cè)結(jié)果直觀、圖像可視化，可形成A掃、C掃、S(扇形)掃描，有利于缺陷的識(shí)別與定性，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、可動(dòng)態(tài)回放分析。根據(jù)2.3節(jié)檢測(cè)方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分別對(duì)試塊A、B進(jìn)行了超聲相控陣檢測(cè)，試塊A、B相控陣檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 試塊A、B相控陣檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.7 Ultrasonic phased array display for Sample A and B

從圖7可以看出，試塊A的相控陣檢測(cè)圖像中并沒(méi)有明顯的氣孔和橫向裂紋缺陷顯示，這是由于相控陣檢測(cè)是平行于焊縫的一維線(xiàn)性?huà)呙?，超聲聲束方向平行于橫向裂紋方向，導(dǎo)致相控陣在掃查點(diǎn)狀缺陷或者與超聲聲束平行的缺陷時(shí)，檢出率極低。圖像中縱向裂紋缺陷顯示明顯，從圖7中可看出其水平起始位置為238.2 mm，長(zhǎng)度19.3 mm。試塊B的相控陣檢測(cè)圖像中顯示出兩個(gè)缺陷，分別對(duì)應(yīng)坡口未熔合和根部未焊透，根部未焊透缺陷信號(hào)較坡口未熔合信號(hào)要更為明顯，A掃信號(hào)更高，這與TOFD檢測(cè)結(jié)果正好相反。從圖像中看出坡口未熔合起始位置 54.5 mm，水平長(zhǎng)度 29.1 mm，根部未焊透起始位置152.9 mm，水平長(zhǎng)度33.8 mm。通過(guò)相控陣圖像數(shù)據(jù)分析軟件 OmniPC-4.2還可獲得缺陷的埋藏深度和自身高度，試塊A、B的相控陣檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 相控陣檢測(cè)試塊A和B中缺陷的結(jié)果Table 5 Results of ultrasonic phased array detection for defects in Sample A and B

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用了3種基于超聲的無(wú)損探傷方法對(duì)水利工程金屬結(jié)構(gòu)焊縫中常見(jiàn)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 常規(guī)超聲檢測(cè)、TOFD檢測(cè)均能對(duì) 5種缺陷實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)顯示，超聲相控陣檢測(cè)對(duì)氣孔和橫向裂紋的顯示不夠明顯，但對(duì)其它3種缺陷的檢出效果較為明顯。

(2) 常規(guī)超聲檢測(cè)在5種缺陷處均有回波顯示，探測(cè)的缺陷信息基本準(zhǔn)確。由于常規(guī)超聲檢測(cè)中對(duì)缺陷的測(cè)量主要依靠操作人員的定位判讀，所以尺寸誤差較其他兩種方法大，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像的直接顯示與保存，對(duì)缺陷的定性困難，精度不高。

(3) TOFD檢測(cè)結(jié)果圖中，5種缺陷均有顯示，氣孔和橫向裂紋的顯示呈現(xiàn)出一種特殊的弧形，有一定高度的內(nèi)部裂紋和未熔合的信號(hào)由上、下尖端衍射波組成，根部未焊透距探測(cè)面較深，上、下尖端信號(hào)不夠明顯。在對(duì)缺陷起始位置和水平長(zhǎng)度的測(cè)量上，TOFD檢測(cè)較常規(guī)超聲檢測(cè)精度高。

(4) 相控陣檢測(cè)結(jié)果直觀，圖像可視化，可形成A掃、C掃、S(扇形)掃描，有利于缺陷的識(shí)別與定性等，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、可動(dòng)態(tài)回放分析。相控陣檢測(cè)可以測(cè)量缺陷的埋藏深度、自身高度、長(zhǎng)度等，能為水利工程金屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供可靠的檢測(cè)結(jié)果。但是由于相控陣檢測(cè)是平行于焊縫的一維線(xiàn)性?huà)呙?，超聲聲束方向平行于橫向裂紋方向，導(dǎo)致相控陣在掃查點(diǎn)狀缺陷或者與超聲聲束平行的缺陷時(shí)，檢出率較低。

本文通過(guò)對(duì)比3種不同超聲無(wú)損探傷方法對(duì)水利工程金屬結(jié)構(gòu)對(duì)接焊縫中常見(jiàn)缺陷的探測(cè)，分析了各種缺陷在超聲無(wú)損探傷技術(shù)中的顯示特征以及3種超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)劣性，對(duì)于其在水利工程金屬結(jié)構(gòu)焊縫缺陷識(shí)別中的合理應(yīng)用具有重要意義。