相控陣超聲檢測技術(shù)在管道對接焊縫中的應(yīng)用研究

顧艷紅

摘 要：焊接管道作為介質(zhì)輸送通道在工業(yè)場景中被大量使用。焊接管道焊縫缺陷隱患排查通常采用超聲檢測和射線檢測方法進(jìn)行，由于被檢管件材質(zhì)及規(guī)格尺寸、檢修工期、現(xiàn)場輻射防護(hù)、探頭可放置及移動位置等多方面的原因，射線和常規(guī)超聲等傳統(tǒng)無損檢測手段在設(shè)備檢修階段的使用受到了一定的限制。相控陣超聲檢測技術(shù)具有掃查速度快、靈活性好、聲束掃查可靠性高、缺陷檢出率高以及檢測結(jié)果成像直觀、不涉及人員輻射防護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文主要通過CIVA仿真軟件進(jìn)行缺陷仿真模擬，并制備對應(yīng)試件進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：焊縫;相控陣超聲;CIVA

1.引言

焊接管道作為介質(zhì)輸送通道廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中設(shè)備中，大量焊接管道在高振動水平的惡劣狀況下運(yùn)行并且傳輸介質(zhì)包括汽水、腐蝕物等危險(xiǎn)介質(zhì)。長期運(yùn)行中，焊接管道焊縫等危險(xiǎn)截面會存在很大的安全隱患，易使管道插套焊的焊縫產(chǎn)生疲勞裂紋;同時(shí)流體加速腐蝕（FAC）也會對管道的焊接接頭造成影響，最終導(dǎo)致其泄露，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備停運(yùn)，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來巨大威脅。

現(xiàn)今各類管道焊接接頭內(nèi)部缺陷的檢測通常采用膠片法射線或常規(guī)超聲等傳統(tǒng)無損檢測手段。由于被檢管件材質(zhì)及規(guī)格尺寸、檢修工期、現(xiàn)場輻射防護(hù)、探頭可放置及移動位置等多方面的原因，膠片法射線和常規(guī)超聲等傳統(tǒng)無損檢測手段在機(jī)組大修階段的使用受到了一定的限制。

相控陣超聲技術(shù)通過軟件的方式控制探頭中各晶片聲波發(fā)射或接收的時(shí)間延遲，改變各晶片發(fā)射或接收聲波到達(dá)工件某一位置時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，聲波信號接收后經(jīng)過分析處理最終完成超聲成像的檢測技術(shù)。相控陣超聲檢測技術(shù)在檢測速度、現(xiàn)場輻射防護(hù)、檢測時(shí)間窗口、面積型缺陷檢出等方面有很大優(yōu)勢。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲檢測儀器產(chǎn)品也越來越豐富，特別是便攜式相控陣超聲檢測儀的出現(xiàn)，使得相控陣超聲檢測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

2.模擬仿真

本文通過CIVA仿真軟件對管道對接焊縫中常見的夾雜、裂紋、未熔合等缺陷類型進(jìn)行模擬仿真。該軟件可內(nèi)置超聲模塊，此模塊主要包括聲場計(jì)算和缺陷響應(yīng)兩大功能，能根據(jù)模擬需求，設(shè)置不同類型不同規(guī)格的工件，并根據(jù)需要設(shè)置不同部位的缺陷，還可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置任意規(guī)格的探頭、楔塊組合，設(shè)置合適的聚焦法則、探頭放置位置和移動軌跡，通過不斷試驗(yàn)最終研發(fā)出適用于被檢管徑的相控陣超聲檢測工藝。

（1）模擬工件：

本次仿真模擬的工件規(guī)格如下所示：

①管徑38mm，壁厚3mm的管材的對接環(huán)焊縫;

②管徑60mm，壁厚7mm的管材的對接環(huán)焊縫。

（2）仿真結(jié)果：

①管徑38mm，壁厚3mm的管材的對接環(huán)焊縫仿真時(shí)設(shè)置了層間未熔合、夾渣和未焊透3類缺陷，仿真結(jié)果如下：

從如上直徑60mm壁厚7mm管件對接焊縫仿真結(jié)果可以得出：在設(shè)定管件對接焊縫中設(shè)置的不同類型缺陷都能被順利檢出。由于設(shè)定的管件壁厚較薄，本次仿真主要選用的二次波和三次波。

②管徑60mm，壁厚7mm的管材的對接環(huán)焊縫仿真時(shí)設(shè)置了裂紋、未焊透和夾渣缺陷，仿真結(jié)果如下：

從如上直徑60mm壁厚7mm管件對接焊縫仿真結(jié)果可以得出：在設(shè)定管件對接焊縫中設(shè)置的不同類型缺陷都能被順利檢出。在對該規(guī)格管件進(jìn)行仿真時(shí)，主要采用一次波和二次波，同時(shí)由于該管件壁厚相對較大，探頭并非緊貼著焊縫邊緣進(jìn)行檢測仿真，而是需要根據(jù)仿真計(jì)算得到軸向距離放置探頭，以此確保管件焊接接頭區(qū)域被完整覆蓋，在必要時(shí)，也可通過調(diào)整探頭位置，進(jìn)行管件焊接接頭局部區(qū)域的檢測仿真。

從上述仿真結(jié)果我們可以看出，相控陣超聲檢測技術(shù)能順利檢測出不同管徑和壁厚管材對接焊縫中的不同類型缺陷，缺陷聲波反應(yīng)信號清晰可辨識，相控陣超聲檢測技術(shù)在管材對接焊縫無損檢測中的應(yīng)用是可行的。

3.試件檢測

（1）試件規(guī)格

為了對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，按照仿真管材工件的規(guī)格，我們制作了如下檢測試件：

（2）試件檢測結(jié)果

對試件的檢測我們采用了射線檢測和相控陣超聲檢測兩種檢測方法，通過傳統(tǒng)的射線檢測方法對縣孔鎮(zhèn)超聲波檢測的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而充分論證相控陣超聲檢測技術(shù)檢測結(jié)果的可靠性，具體檢測結(jié)果如下：

②試件1檢測結(jié)果

試件1的規(guī)格為直徑38mm壁厚3mm，在試件1管件對接焊縫成形時(shí)設(shè)置了未焊透和夾雜2處缺陷，檢測結(jié)果如下：

圖5和圖6設(shè)計(jì)缺陷未焊透，相控陣檢測中，A側(cè)、B側(cè)兩側(cè)缺陷反射信號明顯，缺陷實(shí)際測量尺寸與射線檢測尺寸和設(shè)計(jì)尺寸相當(dāng)，缺陷兩側(cè)反射信號當(dāng)量相當(dāng)。

圖7和圖8 設(shè)計(jì)缺陷夾渣，相控陣檢測中，A側(cè)、B側(cè)兩側(cè)缺陷反射信號明顯，缺陷實(shí)際測量尺寸與射線檢測尺寸相當(dāng)，缺陷兩側(cè)檢測深度相當(dāng)，缺陷當(dāng)量相當(dāng)。

圖9和圖10設(shè)計(jì)缺陷氣孔，相控陣檢測中，A側(cè)、B側(cè)兩側(cè)缺陷反射信號當(dāng)量低，缺陷兩側(cè)檢測深度相當(dāng)，缺陷實(shí)測尺寸與射線檢測尺寸相當(dāng)。

射線和相控陣超聲檢測對比如下表：

②試件2檢測結(jié)果

試件2的規(guī)格為直徑60mm壁厚7mm，在試件2管件對接焊縫成形時(shí)設(shè)置了根部裂紋、未熔合和夾雜3處缺陷，檢測結(jié)果如下：

圖11和圖12未熔合（人工缺陷）射線檢測長度與相控陣檢測長度相當(dāng)，但A側(cè)與B側(cè)檢測缺陷反射當(dāng)量相差比較大。

圖13和圖14夾渣（人工缺陷），設(shè)計(jì)尺寸比射線檢測尺寸及相控陣檢測尺寸相當(dāng)，A側(cè)與B側(cè)檢測缺陷反射當(dāng)量幾乎無差別。

圖15和圖16設(shè)計(jì)缺陷裂紋，在圖譜中不易分辨，但用人工掃查中可以清晰顯示，利用6dB測長法比設(shè)計(jì)尺寸長。

射線和相控陣超聲檢測對比如下表：

4.結(jié)論

1）通過CIVA仿真模擬，不同規(guī)格管件對接焊縫中設(shè)置的不同類型的缺陷，均能順利檢測出，缺陷聲波響應(yīng)信號清晰可辨;

2）根據(jù)CIVA仿真結(jié)果制備的對應(yīng)的不同規(guī)格管件對接焊縫成形過程中設(shè)置的不同類型的缺陷，均能順利檢測出，缺陷聲波響應(yīng)信號清晰可辨;

3）CIVA仿真模擬和對應(yīng)試件的檢測結(jié)果基本一致;

4）不同規(guī)格管件對接焊縫成形過程中設(shè)置的不同類型的缺陷相控陣超聲檢測的結(jié)果與其對應(yīng)的射線檢測結(jié)果基本一致;

通過初步研究可知，相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用在管件對接焊縫的檢測中是可行的。隨著相控陣超聲檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，其在管道對接焊縫檢測中將有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] Moles M，Ginzel E.Phased Arrays for Small Diameter，Thin-walled Piping Inspections[C]//18th World Conference on Nondestructive Testing，Durban，South Africa.2012：16-20.

[2]Ramesh A S.SEMI-AUTOMATED PHASED ARRAY UT IN LIEU OF RADIOGRAPHY FOR SMALL DIAMETER，REDUCED WALL THICKNESS PIPE WELD JOINTS[J].

[3]ASME Boiler &Pressue Vessel Code 2011a，Section V，Art .4.Ultrasonnic Examination Methods for Welds[s]

[4]金南輝，牟彥春.小徑管對接焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)[J].無損檢測，2010，32（6）：427-430.

[5]嚴(yán)宇，張曉峰，楊會敏，周煒璐，等.核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2018，40（2）：24-28.

[6]朱琪，孫磊，龐兵.奧氏體不銹鋼小徑管相控陣超聲檢測方法探究[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2019（03）：49-54.

[7]原可義，吳開磊，楊齊，侯金剛.相控陣超聲檢測中的近場和遠(yuǎn)場選擇[J].無損檢測，2019，41（03）：1-5.

[8]徐冰，嚴(yán)海，劉曉睿.不銹鋼小徑管疲勞裂紋類缺陷相控陣超聲檢測的可靠性驗(yàn)證[J].無損檢測，2018，40（09）：38-43.