超聲相控陣技術在壓力容器焊縫無損檢測中的應用

蔡亮，高帥，牛志勇，李世平，祁慶芳，蔣玉卓，李麗嬪

（1.中航油京津冀物流有限公司， 天津 300300）

（2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司惠州油田， 廣東 深圳 518000）

（3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司， 河北 廊坊 065000）

（4.河北華北石油工程建設有限公司， 河北 任丘 062552）

（5.中國石油青海油田分公司管道輸油處， 青海 格爾木 816000）

（6.中國石油華北油田公司第一采油廠， 河北 任丘 062552）

壓力容器屬于國家重點監(jiān)管的特種設備之一，對壓力容器應定期進行檢驗、維修和維護。目前常規(guī)的無損檢測技術在檢測前需要對壓力容器進行停產、清罐處理，尤其是開罐檢驗需要對罐體進行打磨和清理，耗費了大量時間和人力、物力，平均輔助檢測費用約占總體檢測費用的75%[1,2]。近年來，隨著新型無損檢測技術的發(fā)展，使不停產在線檢測成為可能，其中超聲相控陣技術具有檢測靈活、速度快、檢測結果直觀、作業(yè)強度小等特點，逐漸在工業(yè)無損檢測中得到應用。

1 超聲相控陣基本原理

超聲相控陣主要是利用計算機控制相控陣探頭來合成聲束實現超聲波的發(fā)射和接收，與常規(guī)超聲波無損檢測技術相比，主要是采用了許多相同的探頭晶片，而不是一個整體壓電晶片，由于每一個晶片均可視為輻射柱面波的線狀波形源，當采用一定的相位間隔激發(fā)陣列晶片時，這些線狀波源就可以在不移動探頭的情況下產生超聲波干涉信號，形成整體波陣面，實現對被檢測區(qū)域的掃查、聚焦和平轉等功能[3]。

相控陣的關鍵技術在于不同探頭晶片之間的相位關系，即不同探頭之間的相位間隔，稱為延遲法則，不同的延遲法則會形成不同聲束特點，如產生直波束、斜波束、聚焦聲束等。每個晶片之間的延遲關系為：

式中：F為焦距，mm；c為聲束在工件中的傳播速度，m/s；t0為時間常數；Bn為第n個晶片到中心陣列的間距，mm。

2 仿真計算及室內驗證

由于要進行不停產在線檢測，因此需要研究相控陣無損檢測技術在兩側介質不同的情況下，是否能夠對缺陷進行準確定位和定量，在此采用數值方法結合解析模型來提高仿真的效率和準確性，主要包括聲束輻射場的計算和缺陷聲場響應計算，其中聲束輻射場的計算包括計算探頭的瞬時聲場和在工件中的瞬時聲場。

對于是鏡面反射或者端角反射等反射信號，可以采用Kirchhoff近似來求解，通過以上建模處理，可以將缺陷計算模型簡化。

采用以色列生產的超聲相控陣檢測儀器，布置16晶片探頭，探頭型號104357 4L-16，頻率4MHz，晶片間距0.5mm，楔塊角度40°。參照GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》的要求掃查范圍選擇35-69°，每側進行3次沿線柵格掃查。

相控陣技術的特點對不規(guī)則的焊縫檢測有較大的優(yōu)勢，結合具體要求，選取了Φ133mm×10mm接管與Φ1200mm×20mmT形接頭對接焊縫模擬缺陷， 計算用2.5MHzK2.5/10mm×10mm/前沿8mm探頭檢測模擬缺陷，并與實測結果進行比較以確定所建立的模型及采用的算法是否符合實際檢測情況。

在建模時考慮10mm工件的檢測需要，采用10mmΦ1橫孔進行靈敏度設置。在對缺陷進行建模時，采用簡化的平面模型或者圓孔模型進行仿真計算，這種處理主要是考慮到這兩種模型在零散聲場的計算條件下與復雜結構模型的反射聲場區(qū)別不大，且計算量要小得多。

通過仿真計算結果與實驗實測結果，在掃查位置、反射信號特征及聲程均與實測結果非常接近?？紤]到實際檢測時，探頭晶片的公稱K值和中心頻率往往與實際值有偏差，因此可以認為仿真模型缺陷簡化處理和聲場計算模型的選取均是合理的。相控陣檢測技術針對不規(guī)則結構的檢測，在內側有流動油的情況下，檢測結果并不受影響，只是在增益上存在一些偏差，因此用相控陣技術來檢測封頭接管的環(huán)焊縫是可行的。對于增益上存在的漂移，采用小波變換進行簡單處理。

用matlab軟件進行小波變化處理后可提高增益數，同時達到檢測效果，解決容器帶壓、帶液條件下導致的漏檢問題，處理后檢測圖像見圖1所示。

圖1 處理后相控陣檢測圖像

3 實例驗證

試驗對象為某立式分離器， 規(guī)格為Φ1200×14mm，2002年6月投用。設備內徑1200mm，高5000mm，容積5m3，封頭為橢圓型式，材質16MnR，筒體壁厚14mm，封頭厚度16mm，設計壓力1.6MPa，工作介質為油、氣和水。由于設備無備用，因此在上一周期未進行檢測維修。檢測部位為底部封頭環(huán)焊縫，試驗原定為停產、不卸料，拆除保溫后進行試驗，但由于生產工作的連續(xù)性，未實現停產檢測，因此采取了拆除保溫、砂紙打磨部分區(qū)域的在線方式進行了測試。拆除保溫后，由于容器筒體上焊有支腿，且在焊縫部位，環(huán)焊縫部位的檢測不能一次進行，因此相控陣分為兩次進行，分為焊縫1和焊縫2兩個區(qū)域，每段焊縫均在焊縫兩側進行相控陣檢測。采用室內試驗的相控陣參數和儀器進行檢測，用普通機油作為耦合劑。

在進行柵格掃查的過程中，焊縫的缺陷可以全部掃查并顯示出缺陷所在位置，對測試結果進行匯總，同時與射線檢測結果進行對比，見表1，可以得到焊縫1共檢出2條缺陷，焊縫2共檢出3條缺陷，其中焊縫內表面裂紋最嚴重的部位位于對接環(huán)焊縫2區(qū)域，缺陷4的缺陷高度為4.2mm，且射線未檢出部分缺陷高度和埋藏深度，主要原因是缺陷埋藏較深，射線的穿透能力不足，而相控陣對于近底面這類深層次的缺陷具有很好的檢測效果。由于兩個區(qū)域的缺陷高度均≥2mm，參照《固定式壓力容器安全技術檢查規(guī)程》，兩段焊縫的質量均達不到安全使用3級標準，同時對照檢測到的缺陷長度和寬度，需要對兩個區(qū)域的焊縫全部進行返修處理。

表1 檢測結果

4 效益分析

以5臺容器檢驗費用為例，以實際發(fā)生的費用進行結算（按壓力容器檢測收費標準和各級預算編制的定額、相關規(guī)定編制）為依據，對效益進行測算，5臺容器常規(guī)檢驗費用1.43萬元，輔助工作量費用4.38萬元，合計5.81萬元。其中輔助檢驗工作量主要包括：拆除、恢復保溫層；打磨焊道油漆及最后恢復；拆裝人孔、更換人孔墊；清除容器及接管內的油污和淤泥，將油污拉運到指定地點進行填埋；采用鍋爐車蒸灌進行罐內強制通風。其中前兩項費用為0.86萬元，后三項費用為3.52萬元。

使用超聲相控陣技術進行檢驗，由于檢驗費用尚沒有國家及行業(yè)標準，按常規(guī)檢測費用1.5倍計算，為2.145萬元。檢驗輔助工作量只發(fā)生前兩項，后三項工作量不發(fā)生，輔助費用為0.86萬元，總費用合計為3.005萬元。

因此，使用超聲相控陣技術較傳統(tǒng)技術檢驗5臺容器總計節(jié)約2.805萬元，平均每臺容器節(jié)約0.561萬元，節(jié)約占比48.3%。

5 結束語

（1）通過室內試驗和現場實例應用，發(fā)現相控陣檢測技術可以在不卸料不停產情況下，檢測焊縫的多處缺陷，檢測結果可以給出準確的位置和尺寸，因此可以使用相控陣代替常規(guī)無損檢測技術進行對接環(huán)焊縫檢測。

（2）超聲相控陣由于利用了脈沖反射的能量，因此容易受到試件表面粗糙度、增益大小等方面的影響，今后應加強在干擾源方面濾波的能力，提高定量分析的精度。

◆參考文獻

[1] 沙勝義，項小強，伍曉勇，等. 輸油管道環(huán)焊縫超聲波內檢測信號識別[J].油氣儲運，2018，37(7)：757-761.

[2] 杜炘潔，郭霄雄，齊昌超. 基于風險的場站管道不停輸檢測技術及其應用[J].油氣田地面工程，2018，37(3)：19-21.

[3] 李衍. 薄壁金屬焊縫超聲檢測-常規(guī)法與相控陣法比較[J].無損探傷，2016，40(4)：5-10.