淺談管子環(huán)焊縫相控陣超聲檢測工藝認(rèn)可

馬樹春 趙雪燕 陳 謙

（廣船國際質(zhì)量管理部）

0 前言

廣船國際有限公司主業(yè)為造船，靈便型液貨船為主打產(chǎn)品之一，靈便型液貨船有管系多的特點(diǎn)，其中有不少為現(xiàn)場管系。由于空間的限制，現(xiàn)場管路射線檢測難以開展，甚至無法實(shí)施，因此現(xiàn)場管系焊縫的內(nèi)部質(zhì)量難于實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控。采用相控陣超聲檢測（PAUT）技術(shù)在管子環(huán)焊縫上的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)管子環(huán)焊縫由傳統(tǒng)的射線檢測向相控陣檢測轉(zhuǎn)變，如果全面實(shí)施后，將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 相控陣檢測目的

1.1 成本效益

以現(xiàn)行的管子射線檢測為例，目前我司的船舶管系拍片量每年約為40000 張，按每張片25 元的成本核算（耗材成本+人工成本），每年僅管子射線檢測的成本約100 萬元。以相控陣檢測的全面實(shí)施替代射線檢測后，除前期的設(shè)備投入外，耗材成本幾乎為零，從而將會大幅度降低檢測成本，同時(shí)能夠有效解決射線檢測方法的不足，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)技術(shù)向新技術(shù)的全面轉(zhuǎn)變。

1.2 效率優(yōu)勢

管子環(huán)焊縫，完成一個(gè)直徑大于100mm 的接頭的檢測需要6 次以上曝光，按兩臺設(shè)備兩人同時(shí)作業(yè)，一天只能完成20 個(gè)環(huán)口焊縫的檢測，檢測效率無法滿足生產(chǎn)要求。相控陣檢測替代射線檢測，一臺設(shè)備兩人一起作業(yè)，一天能夠完成40-60 道焊縫的檢測，檢測效率將可提高2-3 倍，可解決當(dāng)前射線檢測效率低下、檢測周期長的生產(chǎn)瓶頸。

1.3 環(huán)保、安全風(fēng)險(xiǎn)改善

由于射線輻射對環(huán)境衛(wèi)生及人體身體健康均會造成不利影響，為了降低現(xiàn)場作業(yè)時(shí)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，通常只能在中午或者后半夜作業(yè)，檢測人員安全風(fēng)險(xiǎn)增加，且檢測設(shè)備相對笨重，探傷人員的勞動強(qiáng)度大，效率低，導(dǎo)致成本難以降低。相控陣超聲檢測技術(shù)不產(chǎn)生輻射，對其他作業(yè)沒有排他性，可以在正常的工作時(shí)間進(jìn)行，檢測設(shè)備輕便，作業(yè)人員的大大降低。

2 船級社認(rèn)可要求

不同船級社各船級社對相控陣檢測工藝的認(rèn)可均有明確要求，如在CCS 發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施先進(jìn)無損檢測技術(shù)工藝認(rèn)可規(guī)定》［1］通函中，明確對檢測工藝認(rèn)可計(jì)劃、檢測設(shè)備審核、檢測人員資質(zhì)審核、工藝仿真驗(yàn)證、試塊驗(yàn)證、檢測工藝規(guī)程認(rèn)可及現(xiàn)場檢測抽查驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。在DNV?GL 船級社Guideline for qualification of PAUT procedure ［2］中，重點(diǎn)涵蓋檢測范圍和目的、人員資質(zhì)、檢測設(shè)備功能符合性、檢測過程、數(shù)據(jù)有效性評估、數(shù)據(jù)判讀和評定、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的評審。

總體認(rèn)可應(yīng)包括人員及設(shè)備資質(zhì)、管線規(guī)格范圍認(rèn)可計(jì)劃、掃查計(jì)劃及檢測工藝準(zhǔn)備、人工缺陷驗(yàn)證及自然缺陷驗(yàn)證。

3 認(rèn)可過程

3.1 人員及設(shè)備資質(zhì)

所有參與進(jìn)行檢測和結(jié)果評判的人員應(yīng)具有相關(guān)資質(zhì)，且應(yīng)符合ISO9712、PCN、ACCP 或SNT-TC-1A 等國際認(rèn)可的體系要求，規(guī)定了檢測和數(shù)據(jù)評判人員須具備PAUT-II 級及以上資質(zhì)要求。

檢測單位應(yīng)至少擁有兩套對應(yīng)申請技術(shù)的檢測設(shè)備，相控陣檢測還應(yīng)提交現(xiàn)場使用相控陣探頭的晶片測試報(bào)告，要求在所使用晶片中，損壞晶片數(shù)量不大于使用總數(shù)的10%，且不允許相鄰晶片損壞。使用檢測設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)在有效期內(nèi)進(jìn)行校驗(yàn)，其適用性應(yīng)符合ISO18563-1、ISO18563-2、ISO18563-3 要求的性能要求。

3.2 管線規(guī)格范圍認(rèn)可計(jì)劃

結(jié)合我司制作的管路的規(guī)格尺寸范圍，目前規(guī)格為Φ22×3、Φ34×4、Φ60×6、Φ89×8、Φ114×8、Φ140×10、Φ168×16、Φ219×8、Φ273×10、Φ323×12、Φ323×18 占有相對較大的比例，按我司相控陣檢測設(shè)備的配備情況，為最大限度的發(fā)揮相控陣檢測技術(shù)的優(yōu)勢和解決管子環(huán)焊縫的射線檢測瓶頸，我司申請認(rèn)可計(jì)劃為管外徑60mm～323mm, 壁厚6mm～20mm，材質(zhì)為低碳鋼，坡口類型為“V”型，工藝驗(yàn)證選用規(guī)格為Φ60×6、Φ140×10、Φ168×16。

3.3 掃查計(jì)劃及檢測工藝準(zhǔn)備

掃查計(jì)劃是檢測工藝的指導(dǎo)性思路，決定了方法的有效性和可操作性。在NDT SetupBuilder 仿真軟件上進(jìn)行仿真，模擬出最佳的波束覆蓋狀況，得到完整的工藝參數(shù)，然后在工藝有效性驗(yàn)證試塊上進(jìn)行掃查驗(yàn)證。掃查計(jì)劃的難點(diǎn)主要在于單側(cè)波束覆蓋雙側(cè)坡口，經(jīng)過多次嘗試與驗(yàn)證，擬用扇掃+線掃的組合可以達(dá)到預(yù)期的效果，即體積覆蓋的扇掃可檢出探頭側(cè)中下坡口和對側(cè)下坡口的未熔合，根部覆蓋的扇掃可檢出探頭側(cè)下坡口和對側(cè)中下坡口的未熔合，線掃可檢出探頭側(cè)和對側(cè)上坡口的未熔合。按照申請船級社認(rèn)可的管線范圍(直徑60mm-323mm,壁厚6mm-20mm)，單、雙側(cè)掃查計(jì)劃如圖1。

圖1 單、雙側(cè)掃查計(jì)劃圖

3.4 人工模擬試塊設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)際發(fā)現(xiàn)：檢測難度較大的危害性缺陷通常為坡口未熔合和焊趾端裂紋，故用這兩種缺陷驗(yàn)證工藝的有效性，同時(shí)為了滿足驗(yàn)證波束焊縫體積的覆蓋的驗(yàn)證，分別在平板焊縫和管子環(huán)焊縫上不同位置設(shè)置5 處和4 處人工模擬缺陷，試板的板厚包括：6mm，12mm，18mm（如圖2），試管的規(guī)格為Φ60×6、Φ140×10、Φ168×10（如圖3），3 個(gè)試管的刻槽深度為1mm，寬為1mm，刻槽長度分別為6mm，10mm 和10mm。探頭在焊縫的兩側(cè)掃查，設(shè)計(jì)的全部缺陷應(yīng)均能發(fā)現(xiàn)。

圖2 試板模擬缺陷示意圖

圖3 試管模擬缺陷示意圖

表1 1 號驗(yàn)證試塊(T=6mm)掃查結(jié)果 單位mm

表2 2 號驗(yàn)證試塊(T=12mm)掃查結(jié)果 單位mm

3.5 人工缺陷驗(yàn)證

對試板模擬試塊T=6mm（1 號）、T=12mm（2號）和T=18mm（3 號）的掃查結(jié)果分別如表1、表2 和表3 所示。對三種厚度的驗(yàn)證試塊，PAUT均能明顯發(fā)現(xiàn)5 個(gè)人工缺陷，且結(jié)果與實(shí)際尺寸基本吻合。

1 號驗(yàn)證試塊中，在A、B 兩側(cè)的線掃和扇掃均可發(fā)現(xiàn)5 個(gè)缺陷，但扇掃發(fā)現(xiàn)對側(cè)的缺陷不完整，且有時(shí)需用到三次波，而線掃可完整發(fā)現(xiàn)對側(cè)的缺陷，故增加一組線掃。

表3 3 號驗(yàn)證試塊(18mm)掃查結(jié)果 單位mm

表5 試管人工缺陷檢出數(shù)據(jù)表 單位mm

2 號驗(yàn)證試塊中， 在A、B 側(cè)兩組扇掃均可發(fā)現(xiàn)5 個(gè)缺陷，扇掃1 不能對焊縫全體積覆蓋，上表面缺陷信號不完整，扇掃2 根部覆蓋較小，對側(cè)下坡口缺陷信號不完整，故兩組扇掃可互補(bǔ)。對側(cè)上坡口缺陷，二次波信號弱，需用到三次波信號。

3 號驗(yàn)證試塊中，扇掃1 由于上部不能全覆蓋，上部探頭側(cè)缺陷不能檢出，其余均可檢出，扇掃1可以覆蓋較大的根部區(qū)域，可以補(bǔ)充扇掃2 發(fā)現(xiàn)對側(cè)缺陷的不足，但是發(fā)現(xiàn)對側(cè)上部的缺陷的能力非常弱。

經(jīng)驗(yàn)證，為保證預(yù)定缺陷的全部檢出，對于T=6-20mm 的對接焊縫，在制定相控陣檢測的掃查計(jì)劃時(shí)，采用以下掃查方式：

（1）雙側(cè)掃查：對于6≤T＜8mm,采用雙側(cè)各一個(gè)扇掃；對于8≤T＜20mm, 采用雙側(cè)各一個(gè)扇掃和一個(gè)線掃。

表5 自然缺陷射線與相控陣檢測缺陷尺寸對照表 單位mm

（2）單側(cè)掃查，對于6≤T＜8mm,選擇單側(cè)兩個(gè)扇掃；對于8≤T＜10mm,選擇單側(cè)一個(gè)扇掃和一個(gè)線掃；對于10≤T＜20mm，采用單邊兩個(gè)扇掃和一個(gè)線掃。

以上扇掃的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足焊縫及熱影響區(qū)的覆蓋，線掃角度垂直于探頭側(cè)坡口角度。

對模式試管進(jìn)行驗(yàn)證，選擇Φ76×6, 掃查方式采用單側(cè)兩個(gè)扇掃；Φ140×10 選擇單側(cè)一個(gè)扇掃和一個(gè)線掃；Φ168×10 采用單邊兩個(gè)扇掃和一個(gè)線掃。Φ76×6、Φ140×10、Φ168×10 試塊的檢出結(jié)果如表4。

管子環(huán)焊縫預(yù)設(shè)的四個(gè)人工缺陷，即模擬焊縫的坡口上部未熔合、表面中心裂紋、根部未熔合以及根部趾端裂紋缺陷，采用預(yù)制定掃查計(jì)劃均可全部檢出，進(jìn)一步驗(yàn)證了該掃查計(jì)劃的可靠性。

3.6 自然缺陷驗(yàn)證

按照三維空間形狀，缺陷可分為體積形缺陷和面狀缺陷，對自然缺陷驗(yàn)證，分別選擇典型的體積形缺陷氣孔和典型的面狀缺陷裂紋與射線檢測的結(jié)果進(jìn)行比對驗(yàn)證。壁厚為6mm 的1#試件，底片顯示有5 個(gè)Φ1mm 圓形氣孔，相控陣檢測采用單扇+雙側(cè)掃查進(jìn)行，底片與相控陣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果吻合，見圖4、圖5 和表5。

2#試件，底片顯示有1 個(gè)25mm 裂紋顯示，相控陣檢測選擇雙扇+單側(cè)掃查進(jìn)行，底片與相控陣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果吻合，見圖6 和表5。

圖4 底片氣孔顯示

圖5 1#試件相控陣數(shù)據(jù)圖

圖6 底片裂紋顯示與相控陣顯示數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)束語

通過對人員及設(shè)備資質(zhì)、管線規(guī)格范圍認(rèn)可計(jì)劃、掃查計(jì)劃及檢測工藝準(zhǔn)備、人工缺陷驗(yàn)證及自然缺陷驗(yàn)證等流程的反復(fù)論證，各環(huán)節(jié)均能夠滿足船級社相關(guān)規(guī)范，已順利取得了DNVGL、LR 的工藝認(rèn)可，正擬申請CCS 工藝認(rèn)可。按照各船級社的要求，PAUT 檢測工藝應(yīng)用于現(xiàn)場檢測的同時(shí)，為了確保檢測工藝、數(shù)據(jù)的有效性，需要采用射線檢測的方法進(jìn)行10%-20%的覆蓋驗(yàn)證。我司的低碳管子環(huán)焊縫相控陣檢測技術(shù)工藝的認(rèn)可與實(shí)際應(yīng)用，可大幅調(diào)高檢測工作的效率，有效降低勞動強(qiáng)度和檢測成本，生產(chǎn)效益在一定程度上得到提升，通過檢測技術(shù)的革新助力公司的高質(zhì)量發(fā)展。