承壓設(shè)備插入式接管角焊縫超聲相控陣檢測工藝

吳家喜，張子健，張小龍，許 波,2，柴軍輝,2，胡 健，陳旭杰

(1.寧波市勞動安全技術(shù)服務公司，寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048)

角焊縫是承壓設(shè)備較為常見的焊縫形式之一，其中插入式接管角焊縫是角焊縫中的一大類，主要用于接管與殼體的連接，細分為截面非全焊透和全焊透T型接頭兩大類，GB 150.3-2011《壓力容器》附錄D對各類插入式接管角焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸和適用場合進行了詳細的規(guī)定[1]。承壓設(shè)備插入式接管角焊縫在焊接過程中的焊接質(zhì)量受多重因素的影響，焊縫結(jié)構(gòu)內(nèi)部會有部分制造缺陷，如未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等；另一方面，承壓設(shè)備在運行中，焊縫內(nèi)部也可能產(chǎn)生危害性缺陷，如橫向裂紋、縱向裂紋等[2]。因此，有必要對承壓設(shè)備插入式接管角焊縫進行內(nèi)部缺陷檢測，防止危害性缺陷對設(shè)備的安全運行造成影響。

目前，在壓力容器的定期檢驗過程中，對插入式接管角焊縫一般進行表面檢測，埋藏缺陷的超聲檢測、射線檢測未能普及，從而為設(shè)備的安全運行埋下了隱患[3]。常規(guī)A型超聲在檢測插入式接管角焊縫時主要存在以下難點：① 缺陷波識別難度大，干擾回波較多；② 缺陷定位困難；③ 工藝復雜，需要較多的操作經(jīng)驗。超聲相控陣技術(shù)采用多通道、多晶片技術(shù)檢測，可對缺陷進行成像，并能進行精確定位與測量，具有檢測效率高、漏檢率低、靈活性好、成像方式多等優(yōu)點[4]。

筆者采用CIVA軟件仿真了針對插入式接管角焊縫的相控陣檢測工藝，并與模擬試管的試驗數(shù)據(jù)進行了比對，為承壓設(shè)備插入式接管角焊縫的內(nèi)部缺陷檢測提供了參考。

1 CIVA軟件仿真

1.1 CIVA建模

根據(jù)GB 150.3-2011標準附錄D中規(guī)定的全焊透T型接頭尺寸進行建模，選取規(guī)格為168 mm×10 mm(外徑×壁厚)的接管，殼體厚為30 mm，V型坡口，焊縫中包含未焊透、未熔合、氣孔、夾渣、裂紋等常見缺陷，模型尺寸如圖1所示。

圖1 CIVA模型尺寸示意

CIVA三維模型如圖2所示，三維模型中的6個人工缺陷沿圓周360°均布，其中：未焊透采用多面缺陷模型進行仿真，包含4個矩形反射面；坡口未熔合模型采用單個矩形反射面進行設(shè)置；氣孔采用球形缺陷模型進行設(shè)置；夾渣采用圓柱形夾渣專用模型進行設(shè)置；裂紋分為坡口側(cè)和接管側(cè)，均采用多面缺陷模型進行設(shè)置，缺陷設(shè)置過程中的具體尺寸與設(shè)計圖紙中的相同，確保后期能與模擬試塊的檢測進行比對分析。

圖2 CIVA三維模型

1.2 檢測工藝設(shè)置

選用一維線性陣列相控陣探頭，陣元數(shù)n=32，晶片間距p=0.5 mm，晶片間隙g=0.1 mm，晶片高度W=10 mm，晶片寬度e=0.4 mm，主動窗長度A=n×e+g×(n-1)=15.9 mm，探頭頻率為5 MHz，-6 dB帶寬為60%，采用橫波折射角為55°的楔塊。采用扇型掃查，扇掃角度為34°～74°，扇掃步進為0.5°，采用一次波和二次波同時覆蓋進行掃查，探頭前沿距離焊縫邊緣30 mm，CIVA模型檢測工藝設(shè)置如圖3所示。

圖3 CIVA模型檢測工藝設(shè)置

從圖3可以看出，一次波覆蓋焊縫中下部，二次波覆蓋焊縫上部，可以實現(xiàn)焊縫內(nèi)部全覆蓋，針對插入式接管角焊縫設(shè)置的檢測工藝合理有效。

1.3 聲場計算

聲場的強弱代表相控陣檢測能量的大小，對需要重點檢測的部位,要求能量較高且集中，才能確保缺陷響應效果好。故，針對檢測工藝進行聲場能量計算，計算過程不考慮波形轉(zhuǎn)換，僅計算橫波聲場。

一次波、二次波聲場計算結(jié)果分別如圖4，5所示，從計算結(jié)果可以看出，所選擇的相控陣探頭聲束能量集中，一次波-6 dB聲場范圍能完全覆蓋焊縫下部，二次波-6 dB聲場范圍能完全覆蓋焊縫中上部，但聲場能量弱于一次波，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)焊縫內(nèi)部的全覆蓋。

圖4 一次波聲場計算結(jié)果

圖5 二次波聲場計算結(jié)果

1.4 缺陷響應

采用經(jīng)過聲場覆蓋驗證的檢測工藝對CIVA三維模型進行沿焊縫相控陣C掃成像，并對回波波形進行成分分析，為了簡化計算，仿真過程不考慮波形轉(zhuǎn)換，僅計算橫波聲場缺陷的響應結(jié)果。

1.4.1 未焊透模擬檢測結(jié)果

未焊透缺陷模擬檢測結(jié)果如圖6所示，從檢測結(jié)果可以看出，未焊透缺陷回波較整個C掃中的最高回波低15 dB，扇掃圖中回波信號較為雜亂，這是由于未焊透具有多個反射面，同時對兩個回波較大信號進行成分分析，回波1的波形成分分析如表1所示。

圖6 未焊透缺陷模擬檢測結(jié)果

表1 未焊透缺陷檢測波形成分分析

根據(jù)成分分析可知，回波信號1的組成成分主要是二次波，夾雜小部分一次波和其他波形。

1.4.2 未熔合模擬檢測結(jié)果

未熔合缺陷模擬檢測結(jié)果如圖7所示，從檢測結(jié)果可以看出，坡口未熔合缺陷在整個C掃中具有最高波，且扇掃結(jié)果信噪比較高，波形信號較為單一，這是由于坡口未熔合基本與二次波主聲束呈90°，且未熔合缺陷定位較為準確，波形分析見表2。

圖7 未熔合缺陷模擬檢測結(jié)果

表2 未熔合缺陷檢測波形成分分析

根據(jù)成分分析可知，未熔合回波信號較為單一，均為二次波信號，成分越單一的波形信號，對缺陷的定量和定位越有利。

1.4.3 氣孔模擬檢測結(jié)果

氣孔缺陷模擬檢測結(jié)果如圖8所示，從檢測結(jié)果可以看出，氣孔檢測結(jié)果信噪比較高，氣孔缺陷回波較整個C掃中的最高回波低24 dB，波形成分分析見表3。

表3 氣孔缺陷檢測波形成分分析

圖8 氣孔缺陷模擬檢測結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，氣孔回波信號成分主要為一次波和二次波，二次波占比較大。

1.4.4 夾渣模擬檢測結(jié)果

夾渣缺陷模擬檢測結(jié)果如圖9所示，從檢測結(jié)果可以看出，夾渣檢測結(jié)果信噪比較高，夾渣缺陷回波較整個C掃中的最高回波低11 dB，由于夾渣所處的位置，同時被一次波和二次波檢測到，波形成分分析見表4。

表4 夾渣缺陷檢測波形成分分析

圖9 夾渣缺陷模擬檢測結(jié)果

根據(jù)成份分析可知，夾渣回波信號主要為一次波和二次波成分，一次波占比較大。

1.4.5 坡口裂紋模擬檢測結(jié)果

坡口裂紋缺陷模擬檢測結(jié)果如圖10所示，從檢測結(jié)果可以看出，坡口裂紋檢測結(jié)果信噪比較高，回波較整個C掃中的最高回波低21 dB，波形成分分析見表5。

表5 坡口裂紋缺陷檢測波形成分分析

圖10 坡口裂紋缺陷模擬檢測結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，坡口裂紋回波信號較為單一，均為二次波信號。

1.4.6 接管側(cè)裂紋模擬檢測結(jié)果接管側(cè)裂紋缺陷模擬檢測結(jié)果如圖11所示，從檢測結(jié)果可以看出，接管側(cè)裂紋檢測結(jié)果信噪比較高，但回波較弱，是整個C掃中信號最弱的缺陷，比最高波低28 dB，原因是接管側(cè)裂紋走向為豎直方向，與二次波波束方向夾角較小，反射信號最弱，波形成分分析見表6。

表6 接管側(cè)裂紋缺陷檢測波形成分分析

圖11 接管側(cè)裂紋缺陷模擬檢測結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，接管側(cè)裂紋回波信號僅為微弱的二次波反射信號，信號極弱，采用試驗的檢測工藝容易漏檢，需采用其他方法進行補充檢測，如采用相控陣柔性直探頭進行內(nèi)檢測，此方法針對接管側(cè)裂紋具有較高的檢測靈敏度，因為聲束方向與缺陷基本呈90°夾角，反射最強。

2 模擬試管檢測

2.1 檢測設(shè)置

為了驗證檢測工藝的有效性和CIVA仿真結(jié)果的可靠性，根據(jù)圖1相關(guān)尺寸，加工模擬試管，采用以色列ISONIC 2009相控陣設(shè)備進行檢測，探頭型號為5L32-0.5×10，楔塊幾何角度為36°,采用直射波及一次反射波扇掃檢測，探頭前沿距離焊縫邊緣30 mm，采用角焊縫專用掃查器進行距離控制，同時采用角焊縫專用編碼器記錄行走的路程，扇掃角度為34°～74°，掃查步進為0.5°，檢測靈敏度為φ2 mm×40 mm-18 dB，掃查現(xiàn)場如圖12所示，相控陣掃查探頭實物如圖13所示。

圖12 插入式接管角焊縫掃查現(xiàn)場

圖13 相控陣掃查探頭實物

2.2 檢測結(jié)果

2.2.1 未焊透掃查結(jié)果

通過扇掃結(jié)果可以看出，未焊透同時具有一次波和二次波信號，略顯雜亂，與CIVA仿真結(jié)果相似度較高，經(jīng)過測量，未焊透長度為17.0 mm，高度為4.1 mm，深度為18.6 mm，波高為99%。未焊透缺陷掃查結(jié)果如圖14所示。

圖14 未焊透缺陷掃查結(jié)果

2.2.2 未熔合掃查結(jié)果

通過扇掃結(jié)果可以看出，未熔合信號為二次波信號，信噪比高，與CIVA仿真結(jié)果相似度極高，經(jīng)過測量，未熔合長度為27.0 mm，高度為4.1 mm，深度為7.1 mm，波高為130%。未熔合缺陷掃查結(jié)果如圖15所示。

圖15 未熔合缺陷掃查結(jié)果

2.2.3 氣孔掃查結(jié)果

通過扇掃結(jié)果可以看出，氣孔信號為一次波信號，信噪比較高，與CIVA仿真結(jié)果相似度高，經(jīng)過測量，氣孔當量為φ3.3 mm，深度為18.7 mm，波高為90%。氣孔掃查結(jié)果如圖16所示。

圖16 氣孔缺陷掃查結(jié)果

2.2.4 夾渣掃查結(jié)果

經(jīng)過測量，夾渣長度為14.0 mm，高度為3.3 mm，深度為19.2 mm，波高為102%。夾渣缺陷掃查結(jié)果如圖17所示。

圖17 夾渣缺陷掃查結(jié)果

2.2.5 坡口裂紋掃查結(jié)果

經(jīng)過測量，坡口裂紋長度為13.5 mm，高度為4.6 mm，深度為16.6 mm，波高為130%。坡口裂紋缺陷掃查結(jié)果如圖18所示。

圖18 坡口裂紋缺陷掃查結(jié)果

2.3 比對研究

參考NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測》中6 dB法測量缺陷長度，對CIVA仿真結(jié)果中的缺陷進行尺寸測量，并與模擬試管實測數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果見表7。

表7 CIVA仿真與模擬試管實測數(shù)據(jù)比對

從比對結(jié)果可以看出：① 接管側(cè)裂紋在模擬試管檢測中未檢出，且CIVA仿真中回波波高也最低，僅為2%，因此在實際檢測時需要增加其他方法進行補充檢測，例如采用相控陣柔性直探頭進行內(nèi)檢測；② CIVA仿真中回波波高與模擬試管檢測的回波波高具有一定的相似規(guī)律，回波從高到低：未熔合回波波高>夾渣回波波高>未焊透回波波高>坡口裂紋回波波高>氣孔回波波高>接管側(cè)裂紋回波波高，但由于仿真和實際存在一定的差異，實際檢測中坡口裂紋存在較高回波，可能是在試管加工中預制裂紋時,生成了與相控陣聲束呈90°夾角的反射面；③ CIVA仿真測量結(jié)果與設(shè)計參數(shù)誤差較小，其中深度最接近實際值，長度和高度由于采用6 dB法，存在一定的誤差，但可接受，分析原因為CIVA仿真預埋的是標準規(guī)則反射體，且?guī)缀纬叽缤耆珳蚀_；④ 模擬試管檢測結(jié)果與設(shè)計參數(shù)存在一定誤差，對于長度的測量還是較為準確的，這體現(xiàn)出了相控陣技術(shù)的優(yōu)勢，同樣采用6 dB法測高則誤差較大，深度方面的誤差一部分原因是試管加工過程中存在一定的偏差，模擬試管加工的精度直接影響著相控陣檢測結(jié)果的誤差大小。

3 結(jié)論

針對承壓設(shè)備插入式接管角焊縫普通超聲檢測存在的難點，提出了超聲相控陣檢測工藝。通過CIVA仿真模擬了檢測工藝，分析了波形信號成分，并加工了模擬試管，運用CIVA仿真計算的工藝進行了檢測，同時對CIVA仿真的測量數(shù)據(jù)和實際檢測數(shù)據(jù)進行了誤差分析。結(jié)果表明：相控陣檢測技術(shù)對此類結(jié)構(gòu)具有良好的檢測效果，驗證了工藝的有效性，可為此類結(jié)構(gòu)的相控陣檢測提供經(jīng)驗。值得注意的是，試驗是基于假設(shè)容器直徑較大，近似為平面進行的，因此未考慮不同掃查位置因焊縫橫截面變化導致的缺陷定位問題，以及聲束對缺陷的覆蓋角度變化問題，解決此類問題需要采用專用多自由度接管焊縫掃查器與專用插入式角焊縫模塊計算軟件，根據(jù)探頭實時位置對缺陷進行修正并準確定位。