基于幾種常用超聲方法的承壓設(shè)備對接焊縫檢測比對

沈建民 張子健 許波 吳家喜 胡健 張小龍 柴軍輝

摘要：脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規(guī)線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣等幾種常用超聲方法是承壓設(shè)備對接焊縫埋藏缺陷檢測的有效手段，其適用范圍、檢測靈敏度、分辨率、缺陷定量精度等方面存在眾多差異。針對這些差異性，首先通過闡述檢測原理比較幾種方法的不同及其優(yōu)缺點，其次針對43 mm厚的對接焊縫模擬試板進(jìn)行檢測比對，并分析結(jié)果，明確幾種方法的適用情況，為今后承壓設(shè)備對接焊縫埋藏缺陷的檢測提供了一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：對接焊縫;脈沖反射法超聲檢測;衍射時差法超聲檢測;超聲相控陣檢測

中圖分類號：TH142 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0075-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.14

0 ? ?前言

特種設(shè)備領(lǐng)域的承壓設(shè)備主要包含鍋爐、壓力管道和壓力容器，目前國內(nèi)大型石油化工企業(yè)成套裝置內(nèi)壓力容器和壓力管道數(shù)量眾多，在設(shè)備制造和連續(xù)長周期運行過程中，壓力容器和壓力管道的對接焊縫會產(chǎn)生各類缺陷，主要包括未焊透、未熔合、夾渣、氣孔和裂紋[1]。在制造階段中，GB 150.4-2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》和GB/T20801.5-2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第5部分：檢驗與試驗》規(guī)定了對于埋藏缺陷的檢測方法和比例，此處提及的超聲檢測方法包括：衍射時差法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反射法和不可記錄的脈沖反射法;在役定期檢驗過程中，TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG D7005-2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》中規(guī)定了采用超聲方法檢測埋藏缺陷。

目前使用較為廣泛的幾種超聲檢測方法主要有脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規(guī)線陣超聲相控陣、全聚焦超聲相控陣，這幾種超聲檢測方法在使用過程中存在眾多差異，適用范圍和檢測側(cè)重點也不同。文中采用這幾種常用聲學(xué)方法，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計了43 mm厚對接焊縫模擬試塊，并比對檢測結(jié)果，分析總結(jié)每種方法的特點與適用性，為今后承壓設(shè)備制造和使用過程中的埋藏缺陷檢測提供一定的技術(shù)支撐。

1 檢測方法與原理

1.1 脈沖反射法超聲檢測（A超）

（1）檢測原理。

超聲波探頭產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中，以一定的方向和速度向前傳播，當(dāng)遇到兩側(cè)聲阻抗存在差異的界面時，部分聲波被反射并被檢測設(shè)備接收和顯示，通過分析聲波幅度和位置等信息，評估是否存在缺陷及其大小、位置等。主要方法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法，其中對接焊縫檢測使用較多的是缺陷回波法，通過傳播時間對缺陷定位，通過回波幅度對缺陷定量[2]。

（2）優(yōu)點。

穿透能力強(qiáng)，可對較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測;缺陷定位較準(zhǔn)確;對面積型缺陷的檢出率較高;檢測成本低、速度快，設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用較為方便。

（3）局限性。

難以對缺陷進(jìn)行精確的定性、定量，尤其是缺陷測高;對具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進(jìn)行超聲檢測困難;材質(zhì)、晶粒度等對檢測有較大影響;檢測結(jié)果顯示不直觀且無直接見證記錄;對人員技術(shù)要求較高。

1.2 衍射時差法超聲檢測（TOFD）

（1）檢測原理。

衍射時差法超聲檢測是通過超聲波與缺陷相互作用所產(chǎn)生的衍射波來評價對接焊縫焊接質(zhì)量的超聲檢測方法，通常選用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式。此方法一般將探頭分布于焊縫兩側(cè)，在工件無缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波。掃查方式分為非平行掃查、平行掃查和偏置非平行掃查[3]。

（2）優(yōu)點。

缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關(guān)，缺陷檢出率高;覆蓋范圍大;缺陷自身高度測量精確;實時成像，可儲存分析;定量不依賴于缺陷的回波幅度。

（3）局限性。

存在掃查面盲區(qū)和底面盲區(qū)，需采用有效手段進(jìn)行補(bǔ)充檢測;衍射波信號較弱，容易被噪聲干擾;焊縫中下部缺陷容易被夸大，對于數(shù)據(jù)分析能力要求較高。

1.3 常規(guī)線陣超聲相控陣（PAUT）

（1）檢測原理。

常規(guī)線陣超聲相控陣技術(shù)通過控制換能器陣列中各陣元激勵脈沖的時間延遲，改變各陣元發(fā)射聲波到達(dá)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，就可實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而進(jìn)行掃描成像。通過設(shè)置掃查角度范圍、聚焦深度和焦點尺寸等參數(shù)，在一定程度上克服了A超由于聲束的方向性導(dǎo)致的在缺陷檢出和定量上的限制，其中波束偏轉(zhuǎn)和波束聚焦都是基于波的疊加和干涉以及惠更斯原理[4]。

（2）優(yōu)點。

具有較高檢測效率，可在不移動或少移動探頭的情況下進(jìn)行快速線掃查或扇形掃查，免去了鋸齒形掃查;可設(shè)置聲束角度，通過設(shè)定多個檢測角度，可以對復(fù)雜形狀設(shè)備和在役設(shè)備進(jìn)行檢測;可以對所要關(guān)注的部位進(jìn)行聚焦掃查，適用于現(xiàn)場大規(guī)?？焖贆z測。

（3）局限性。

扇掃過程中需要采用一次反射波進(jìn)行表面掃查，檢測設(shè)備較為昂貴，對于不同規(guī)格的管道需要設(shè)置不同掃查工裝。

1.4 全聚焦超聲相控陣（TFM）

（1）檢測原理。

全聚焦相控陣檢測過程主要包括兩個部分：全矩陣數(shù)據(jù)采集（FMC）和全聚焦成像算法（TFM）。全矩陣數(shù)據(jù)采集原理如下：假定相控陣探頭具有n個陣元，依次激發(fā)每一個陣元，所有陣元接收回波信號并儲存，按照此規(guī)律依次激發(fā)所有陣元，直到最后一個陣元被激發(fā)，并被所有陣元接收，最后采集得到n×n列時域超聲回波信號，因為被采集數(shù)據(jù)可看作存儲在一個n行n列的矩陣中，所以稱之為全矩陣數(shù)據(jù)采集。全聚焦成像算法原理如下：針對所檢測區(qū)域設(shè)定一個自定義成像區(qū)，得到任意一點P（x，y）到任意一對晶片組合（M，N）的聲程分別為：SM，P為探頭晶片M到P點的聲程，SP，N為P點到探頭晶片N的聲程，以成像區(qū)中的聲程數(shù)據(jù)為依據(jù)，對FMC數(shù)據(jù)進(jìn)行相干疊加處理，獲得表征該點信息的幅值I （x，y）=f （FMC，SM，P，SP，N），采用該算法得到自定義成像區(qū)內(nèi)每點的成像，最終得到各點能量高度聚焦的效果[5]。

（2）優(yōu)點。

全聚焦超聲相控陣最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)檢測范圍的實時全部聚焦，具有較高信噪比、成像分辨率和檢出率，尤其針對于小缺陷，測量精度較高，對于焊縫裂紋定性和定量具有較高的準(zhǔn)確性。

（3）局限性。

首先檢測設(shè)備較為昂貴，其次檢測速度比常規(guī)線陣相控陣慢，存儲數(shù)據(jù)較大，對于設(shè)備要求較高，一般不用于大批量對接焊縫掃查，通常用于缺陷精確定量。

2 檢測結(jié)果及討論

2.1 模擬試板

針對承壓設(shè)備對接焊縫的常見缺陷進(jìn)行設(shè)計，尤其是危害性較大的表面裂紋和埋藏裂紋，加工了43 mm厚對接焊縫模擬試塊，如表1、圖1所示。

2.2 檢測工藝

2.2.1 脈沖反射法超聲檢測

檢測工藝如表2所示。

2.2.2 衍射時差法超聲檢測

檢測工藝如表3所示。

2.2.3 常規(guī)線陣超聲相控陣

本次檢測所用設(shè)備是以色列ISONIC 2009相控陣檢測儀器，探頭為16晶片的線陣橫波探頭，頻率4 MHz，楔塊角度36°，折射中心角度55°。相控陣檢測主要參數(shù)如下：掃查方式為沿線掃查+扇掃描，記錄模式為編碼器，編碼器步進(jìn)1 mm，扇掃范圍32°～75°，角度步進(jìn)1°，聚焦深度43 mm，聲速5 900 m/s，評定線靈敏度為φ2×60-14 dB，掃查靈敏度為φ2×60-8 dB，檢測面為雙面單側(cè)，掃查速度≤30 mm/s，耦合補(bǔ)償為3 dB。

2.2.4 全聚焦超聲相控陣

全聚焦相控陣檢測采用M2M公司的GEKKO攜式相控陣探傷儀，探頭參數(shù)如下：64晶片線陣探頭，頻率10 MHz，晶片中心距0.3 mm，長度19.15 mm，寬度8 mm，楔塊角度36°。檢測主要參數(shù)如下：采用輪式編碼器，步進(jìn)1 mm，全聚焦的波型模式為TT（橫波-橫波），全聚焦范圍寬度40 mm，高度45 mm，分辨率5.5采樣點/mm，基準(zhǔn)增益為75 dB，掃查增益為6 dB。

2.3 檢測結(jié)果

2.3.1 脈沖反射法超聲檢測結(jié)果

常規(guī)A超檢出了模擬試板中的所有缺陷，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。檢測波形如圖2所示。

2.3.2 衍射時差法超聲檢測結(jié)果

TOFD檢出了所有缺陷，統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。TOFD檢測D掃結(jié)果如圖3所示。

2.3.3 常規(guī)線陣超聲相控陣檢測結(jié)果

由于常規(guī)線陣相控陣扇掃存在一定范圍的盲區(qū)，所以采用單側(cè)雙面的方法進(jìn)行檢測，通過正反兩面的掃查，檢出所有缺陷，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。常規(guī)線陣相控陣檢測圖譜如圖4所示。

2.3.4 全聚焦超聲相控陣結(jié)果

采用全聚焦超聲相控陣從單面單側(cè)進(jìn)行掃查，檢出了所有缺陷，缺陷情況如表7所示。全聚焦超聲相控陣檢測圖譜如圖5所示。

2.4 討論分析

對以上4種常用聲學(xué)檢測方法的結(jié)果進(jìn)行匯總比對，重點關(guān)注缺陷長度、深度和自身高度的測量結(jié)果，如表8所示。

由表8可知：（1）對于缺陷長度的測量，A超由于是基于半波法進(jìn)行測長，測量精度低于其余三種，TOFD和TFM的測長結(jié)果最為接近，考慮到TOFD檢測原理和TFM檢測原理，可認(rèn)為兩者在缺陷測長方面具有較高的可靠性，PAUT的測長準(zhǔn)確性略低于TOFD和TFM;（2）對于非表面開口缺陷深度的測量，仍然是TOFD和TFM兩者的測深結(jié)果最為接近，A超的測量精度明顯提高，與TOFD和TFM差距較小，PAUT的結(jié)果與A超類似，誤差較小，因此在測深方面，四種聲學(xué)技術(shù)均具有較高的準(zhǔn)確性，但值得注意的是，對于表橫裂紋這類表面開口缺陷，TFM法由于近場區(qū)的影響，測量會不準(zhǔn)確，需采用單側(cè)雙面或者雙面雙側(cè)進(jìn)行掃查，A超測出的是缺陷最高回波處的深度，PAUT采用了單面雙側(cè)檢測，TOFD通過測量直通波下沉情況進(jìn)行判斷，具有較高的準(zhǔn)確性;（3）對于缺陷自身高度的測量，雖然NB/T47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》給出了A超缺陷測高方法，但實際應(yīng)用難度較高，需要較高的操作水平且測量結(jié)果易受雜波干擾，所以應(yīng)用不廣泛，綜合考慮TOFD檢測原理與試板加工預(yù)制缺陷情況，認(rèn)定TOFD測高結(jié)果最為接近真實狀況，通過數(shù)據(jù)比對，可以得出TFM結(jié)果與TOFD結(jié)果最為接近，但仍需注意近場區(qū)的影響，PAUT測量準(zhǔn)確性次之，因此在缺陷測高方面，TOFD檢測結(jié)果最為可靠，TFM和PAUT檢測結(jié)果具有較高的可靠性，A超一般不用于測高。

3 結(jié)論

（1）脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規(guī)線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣都可用于在制或者在役承壓設(shè)備對接焊縫埋藏缺陷的檢測。

（2）基于碳鋼材質(zhì)的中厚板對接焊縫，單從缺陷測長精度方面考慮，首選TFM和TOFD方法，其次是PAUT，最后是A超，但實際應(yīng)用時需綜合考慮檢驗檢測效率與成本，目前承壓設(shè)備定期檢驗中使用較為廣泛且可靠性較高的方法是PAUT，對缺陷精確定量時采用TFM和TOFD方法。

（3）對于缺陷測深和測高，首選是TOFD方法，其次是TFM方法，然后是PAUT，最后是A超。A超只能測定缺陷最高回波處的深度，與實際深度存在一定偏差，若采用TOFD方法，需針對表面盲區(qū)和底面軸偏離盲區(qū)采取有效的檢測手段進(jìn)行彌補(bǔ)，會增加一定的工作量，目前承壓設(shè)備對接焊縫埋藏缺陷的檢測方法主要是采用PAUT大面積快速掃查，對于需要精確測高的缺陷，采用TOFD或者TFM方法進(jìn)行定量。

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