插入式管座角焊縫超聲聲束全覆蓋方法與檢測試驗(yàn)

錢盛杰，黃煥東，柴斌斌，王 杜

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048)

承壓設(shè)備插入式管座角焊縫通常具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和坡口型式，接管與殼體厚度相差較大，在生產(chǎn)制造過程中，較易產(chǎn)生氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。另外，在承壓設(shè)備運(yùn)行過程中，管座角焊縫受力復(fù)雜，容易造成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。國外對此類角焊縫的質(zhì)量控制主要是進(jìn)行比較嚴(yán)格的焊接過程控制，包括焊前坡口尺寸檢查、焊接工藝的控制、焊工技能的控制等，以及焊后角焊縫表面的檢測等。國內(nèi)制造單位比較偏重于對焊接結(jié)果的控制，對焊接過程的控制不是很嚴(yán)格，因此承壓設(shè)備插入式管座角焊縫的焊接質(zhì)量往往較差[1]。對承壓設(shè)備插入式管座角焊縫進(jìn)行無損檢測是保證焊接質(zhì)量的主要措施，對設(shè)備的使用安全有著重要的意義。

目前，常采用磁粉或滲透技術(shù)對插入式管座角焊縫進(jìn)行表面檢測。射線檢測的可靠性受角焊縫結(jié)構(gòu)的影響大，并且伴有輻射危害，在實(shí)際檢測過程中該方法難以實(shí)施。常規(guī)超聲檢測是一種檢測插入式管座角焊縫埋藏缺陷的主要方法，但該方法的檢測可靠性受壁厚和曲率的影響較大，檢測時(shí)往往需要多種不同K值的探頭在不同檢測面上進(jìn)行掃查，才能實(shí)現(xiàn)聲束對角焊縫的全覆蓋，對操作人員的要求也較高[2]。近年來，隨著相控陣技術(shù)的興起，國內(nèi)很多學(xué)者利用相控陣斜探頭分別在殼體和管子上進(jìn)行扇掃檢測，從而得到可記錄的掃查圖像，提高了檢測效率。但是，該方法對于平行于接管缺陷的檢測靈敏度很低，如沿著接管側(cè)壁的未熔合、裂紋等缺陷[3]。

針對這一檢測現(xiàn)狀，筆者提出了一種插入式管座角焊縫的超聲相控陣檢測方法，即：剛性相控陣在管座上的扇形掃查結(jié)合柔性相控陣在管子內(nèi)壁進(jìn)行線性掃查的方法。利用CIVA軟件仿真比對了這兩種相控陣方法對不同缺陷的檢出能力；自行研制了插入式管座角焊縫人工缺陷試樣，利用該方法進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，成功地檢測出裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。

1 插入式管座角焊縫超聲聲束全覆蓋檢測

1.1 常規(guī)超聲檢測面的選擇

在進(jìn)行插入式管座角焊縫超聲檢測前，首先應(yīng)該制定檢測工藝，而在制定檢測工藝過程中，檢測面的選擇對于缺陷的檢出率具有重要的影響。針對縱向缺陷和橫向缺陷，分別介紹了常見的6個位置的掃查面(見圖1)。從耦合特性、檢測靈敏度、聲束入射角度、缺陷特性等多個角度分析了從這6個掃查面進(jìn)行檢測的效果。

圖1 插入式管座角焊縫檢測面示意

位置1：沿著位置1處進(jìn)行檢測，對于平行于接管壁的縱向缺陷具有較高靈敏度，如接管側(cè)壁未熔合、根部未焊透、裂紋等縱向缺陷。探頭伸入到接管內(nèi)壁檢測時(shí)，對于探頭的楔塊要求較高，往往需要訂制與內(nèi)壁貼合良好的楔塊，而接管內(nèi)壁呈凹面，需要呈凸面且相同曲率的楔塊與之匹配。盡管如此，超聲波束在凹面中呈周向發(fā)散狀，且管子管徑越小，聲場發(fā)散越明顯，聲束能量發(fā)散嚴(yán)重，檢測靈敏度低。若接管管壁較薄，角焊縫可能處于近場內(nèi)，因此需要雙晶探頭，但雙晶探頭對曲率較大接管的耦合效果較差。

位置2：一般采用一次波檢測焊縫的下半部分，二次波檢測焊縫的上半部分。此外，馬鞍狀焊縫形式對缺陷的定位以及缺陷指示長度的測量有一定影響，要進(jìn)行修正計(jì)算處理，修正計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[4]。斜探頭K值可根據(jù)工件的厚度進(jìn)行選擇：當(dāng)板厚≤20 mm時(shí)可選擇K1和K2.5探頭聯(lián)合探測；當(dāng)板厚>20 mm時(shí)，可選擇K1和K2聯(lián)合探測。在位置2處檢測時(shí)，對于坡口型的缺陷(如坡口未熔合)具有較高的靈敏度。馬鞍狀焊縫的坡口形狀隨著焊縫的走向而不斷改變，探頭聲束方向與焊縫走向的夾角不再是90°，需要將探頭偏轉(zhuǎn)一定角度(一般為10°～15°)，以使聲束與焊縫走向?yàn)?0°，從而提高缺陷的檢出率。但此時(shí)超聲波在工件中的傳播路徑變得更復(fù)雜，缺陷的定位也變得異常困難。

位置3：采用斜探頭一次波在接管內(nèi)壁檢測。在承壓設(shè)備中，由于接管壁厚較薄，一般采用大K值(K=2.5,K=3)的探頭，以提高定位、定量的精度。該位置對沿坡口型缺陷具有很高的靈敏度。但在位置3處檢測易受管子內(nèi)徑的影響，當(dāng)內(nèi)徑較小時(shí)，存在耦合差、聲場發(fā)散等問題。故標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中規(guī)定，接管公稱直徑≥250 mm，且接管內(nèi)徑≥200 mm的插入式角接接頭才允許在位置3處進(jìn)行檢測。

位置4：該方法是將探頭置于設(shè)備內(nèi)壁，需要檢測人員在設(shè)備停機(jī)后從設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢測。檢測時(shí)可采用一次波檢測焊縫的上半部分，二次波檢測焊縫的下半部分。該位置的掃查對坡口型缺陷有很高的靈敏度。同位置2一樣，馬鞍狀焊縫會對缺陷定位以及測長產(chǎn)生一定影響，要進(jìn)行修正計(jì)算，修正計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[4]。

位置5：探頭置于接管外側(cè)，采用二次波檢測，該位置可進(jìn)行在役檢測且操作便捷，對坡口處缺陷的檢出率較高。當(dāng)接管直徑較小時(shí)，管子內(nèi)外管對聲場的散射較為嚴(yán)重，檢測靈敏度降低。另外，馬鞍狀角焊縫的方向和角度都在不斷變化，增加了檢測的復(fù)雜性，需要憑借檢測人員的豐富經(jīng)驗(yàn)來對缺陷進(jìn)行判定。

位置6：將斜探頭置于管座上，傾斜一定角度。使聲束與接管圓角成切線方向，這種方式可以檢測出焊縫中的橫向缺陷。探頭有4種放置方式，即：管座外表面，聲束方向沿接管順時(shí)針方向；管座外表面，聲束方向沿接管逆時(shí)針方向；管座內(nèi)表面，聲束方向沿接管順時(shí)針方向；管座內(nèi)表面，聲束方向沿接管逆時(shí)針方向。雖然橫向缺陷在實(shí)際檢測過程中并不多見，但卻是前5個檢測位置都難以檢測到的。因此，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015中規(guī)定，插入式接管檢測技術(shù)等級為B級或C級的都應(yīng)做橫向缺陷檢測。

1.2 超聲相控陣檢測面的選擇

針對插入式管座角焊縫的常規(guī)超聲檢測，往往采用上述6個位置的組合檢測。例如：選擇位置2或位置4實(shí)現(xiàn)對坡口未熔合的檢測；選擇位置1實(shí)現(xiàn)對接管側(cè)壁未熔合、側(cè)壁裂紋的檢測；當(dāng)不方便在管座上進(jìn)行檢測時(shí)，坡口處缺陷的檢測可以選擇位置3或位置5；選擇位置6實(shí)現(xiàn)對橫向裂紋的檢測。特別需要注意的是，由于管子內(nèi)壁不同曲率的耦合以及聲束發(fā)散等問題，給位置1的常規(guī)超聲檢測帶來很大的困難。針對此問題，筆者在位置1處引入了柔性相控陣檢測技術(shù)。柔性相控陣采用柔性材料制作而成，可以很好地匹配不同曲率的管子內(nèi)壁，因此不需要定制不同曲率的楔塊，大大減少了楔塊研發(fā)成本。此外，由于相控陣具有聲束可控的功能，通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，陣列的設(shè)計(jì)有效地解決了凹面聲場發(fā)散的難點(diǎn)。

插入式管座角焊縫超聲檢測的理想工藝是：在保證缺陷檢出率的情況下，采用較少的探頭和檢測面，這樣才能在復(fù)雜的現(xiàn)場檢測環(huán)境中提高超聲檢測的競爭力。常規(guī)超聲檢測需要根據(jù)缺陷的位置以及朝向不斷更換不同類型的探頭，以及不斷調(diào)整檢測面，以提高聲束的覆蓋率，不僅操作復(fù)雜，而且檢測耗時(shí)較長，缺陷定位難度大。而相控陣技術(shù)則不同，相控陣檢測圖像直觀，并能實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。缺陷的檢出率較高，往往采用單面單側(cè)掃查就能檢測出多種類型的缺陷。筆者采用位置2和位置6處的剛性相控陣扇形掃查以及位置1處的柔性相控陣線性掃查兩種超聲相控陣檢測手段，實(shí)現(xiàn)了對插入式管座角焊縫的聲束多角度全覆蓋掃查。

2 CIVA軟件仿真

在超聲相控陣檢測中，聲場特性直接關(guān)系到被檢區(qū)域的聲束可達(dá)性和能量覆蓋的有效性[5]。因此，超聲相控陣的聲場建模仿真是開發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器和制定檢測工藝的基礎(chǔ)。為了得到相控陣方法對于插入式管座角焊縫常見缺陷的檢測情況，特別是坡口未熔合和管子側(cè)壁未熔合的檢出情況，筆者利用CIVA軟件仿真，分析了該方法對這兩種缺陷的檢出情況。首先，含兩種缺陷的插入式管座角焊縫模型如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為：管子規(guī)格為168 mm×10 mm(外徑×壁厚)，管座壁厚為30 mm，上表面焊縫余高為10 mm，下表面焊縫余高為5 mm，坡口角度為40°。

圖2 含兩種缺陷的插入式管座角焊縫模型

剛性相控陣參數(shù)為：激發(fā)陣元個數(shù)為32個，陣元寬度為0.8 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長度為10.0 mm，探頭中心頻率為5 MHz。

柔性相控陣參數(shù)為：激發(fā)陣元個數(shù)為12個，陣元寬度為0.8 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長度為10.0 mm，探頭中心頻率為5 MHz。其中，缺陷f1為平行于管壁的側(cè)壁未熔合缺陷，缺陷尺寸為30 mm×6 mm(長×高)，缺陷f2為沿著坡口擴(kuò)展的坡口未熔合缺陷，缺陷尺寸為30 mm×6 mm(長×高)。接著，利用剛性相控陣在管座上進(jìn)行扇形掃查，檢出的缺陷圖譜如圖3所示。從圖3的扇掃和C掃圖像中均可以看出，剛性相控陣可以檢測出缺陷f2，且具有較高的靈敏度，但幾乎不能檢測到缺陷f1的回波信號。最后，利用柔性相控陣在接管內(nèi)壁進(jìn)行掃查，檢出的缺陷圖譜如圖4所示。從圖4的D掃查和C掃查圖像中均可以看出，柔性相控陣可以檢測出缺陷f1，且具有較高的靈敏度，但幾乎不能檢測到缺陷f2的回波信號。由此可見，這兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，將它們結(jié)合起來使用才能更好地提高缺陷的檢出率。

圖3 剛性相控陣掃查圖譜

圖4 柔性相控陣掃查圖譜

3 人工缺陷檢測過程

3.1 試塊設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證筆者提出的相控陣技術(shù)對插入式管座角焊縫缺陷的聲束覆蓋，以及缺陷檢出能力，設(shè)計(jì)了最佳檢測工藝，自行研制了273 mm×10 mm(外徑×壁厚)的插入式管座角焊縫人工缺陷試塊，人工缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，試塊實(shí)物如圖6所示，人工缺陷參數(shù)如表1所示。試塊的材料為20號鋼，接管外徑為273 mm，壁厚為10 mm，高度為210 mm。

表1 人工缺陷參數(shù)

圖5 人工缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

圖6 人工缺陷試塊實(shí)物

筒體采用平板，壁厚為24 mm，尺寸(邊長×邊長)為700 mm×700 mm。該試塊可以模擬相控陣對管座角焊縫不同位置、不同角度、不同性質(zhì)缺陷的檢測。

3.2 剛性相控陣檢測結(jié)果

采用的剛性相控陣探頭參數(shù)為：頻率為5 MHz，陣元寬度為0.5 mm，間距為0.1 mm，長度為10 mm，陣元個數(shù)為16，偏轉(zhuǎn)角度為35°～70°。在試塊管座上利用剛性相控陣扇形掃查檢出的缺陷圖譜如圖7所示。經(jīng)剛性相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)6處缺陷回波信號，剛性相控陣檢出的缺陷參數(shù)如表2所示。

圖7 剛性相控陣扇形掃查檢出的缺陷圖譜

表2 剛性相控陣檢出的缺陷參數(shù)

相控陣檢測圖像直觀，并能實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。采用單面單側(cè)掃查，掃查結(jié)果發(fā)現(xiàn)試樣中的6個人工缺陷，而對于4#側(cè)壁未熔合缺陷以及8#側(cè)壁裂紋缺陷，由于聲束角度的問題，無法從垂直方向?qū)θ毕葸M(jìn)行覆蓋，所以這兩處缺陷無法檢出。另外，由于角焊縫結(jié)構(gòu)的影響，剛性相控陣在管座上進(jìn)行扇形掃查時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)回波信號，且波幅較大，應(yīng)注意與缺陷波的區(qū)分。

3.3 柔性相控陣檢測結(jié)果

采用的柔性相控陣探頭參數(shù)為：頻率為5 MHz，陣元寬度為0.8 mm，間距為0.1 mm，長度為10 mm，陣元個數(shù)為64，偏轉(zhuǎn)角度為0°。經(jīng)柔性相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)7處缺陷回波信號，柔性相控陣在試塊接管內(nèi)壁檢出的缺陷圖譜如圖8所示，柔性相控陣檢出的缺陷參數(shù)如表3所示。

圖8 柔性相控陣在試塊接管內(nèi)壁檢出的缺陷圖譜

表3 柔性相控陣檢出的缺陷參數(shù)

利用柔性相控陣內(nèi)檢測方法有效地檢測出了剛性相控陣未檢測出的4#側(cè)壁未熔合缺陷以及8#側(cè)壁裂紋缺陷，且這兩個缺陷的朝向與主聲束垂直，其回波信號較高。因此，該方法對于檢測缺陷延伸方向平行于接管表面的缺陷具有很高的靈敏度。但是，該方法對沿著坡口缺陷的檢測靈敏度不高，如2#坡口未熔合缺陷在試驗(yàn)中未檢出。

綜上所述，該方法對于除了坡口未熔合缺陷之外的其他缺陷都具有較高的檢測靈敏度，且能實(shí)現(xiàn)缺陷在焊縫中的定位與定量檢測，為試樣和探頭的制作提供了參考。

4 結(jié)論

(1) 提出了一種插入式管座角焊縫檢測方法：剛性相控陣置于管座位置的扇形掃查結(jié)合柔性相控陣在接管內(nèi)壁的線性掃查，從而實(shí)現(xiàn)聲束在兩個不同方向?qū)呛缚p的全覆蓋檢測。

(2) 剛性相控陣置于管座位置的扇形掃查對于沿坡口擴(kuò)展的缺陷具有最佳的靈敏度，柔性相控陣對于檢測缺陷延伸方向平行于接管表面的缺陷具有很高的靈敏度。兩者結(jié)合起來檢測，可以提高插入式管座角焊縫的缺陷檢出率。

(3) 筆者利用常規(guī)超聲、剛性相控陣、柔性相控陣3種方法對該試樣的實(shí)際檢測結(jié)果進(jìn)行了對比。不同檢測方法對試樣的實(shí)際檢測結(jié)果如表4所示，表4從檢出缺陷個數(shù)、使用探頭個數(shù)、檢測面?zhèn)€數(shù)以及優(yōu)缺點(diǎn)等多個方面對比了這3種方法的特點(diǎn)。

表4 不同檢測方法對試樣的實(shí)際檢測結(jié)果對比