在役管道環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測思考探究

關(guān)向國

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

不銹鋼管道焊接為當下海上平臺管線生產(chǎn)的重要工藝之一，Cr-Ni奧氏體不銹鋼是常用的制造材質(zhì)，這種材料的導線性偏差，線膨脹系數(shù)相對較高，焊接階段會形成較大的焊接應(yīng)力、若焊材質(zhì)量不達標、工藝不規(guī)范等，則會增加晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷的發(fā)生率。因為奧氏體焊縫自身處于一種晶粒粗大的柱狀晶組織，當有超聲波穿入焊縫內(nèi)時，會在晶粒直徑、柱狀晶組織作用下出現(xiàn)彈性各向異性，進而滋生出聲速、散射衰減量增加等情況[1]。故而，采用常規(guī)超聲技術(shù)檢測不銹鋼管道環(huán)焊縫時取得的效果并不理想。

超聲相控陣檢測利用計算機軟件控制聲束角度、聚集距離等，可以采用單個多晶片相控陣探頭從多個角度檢測同個部位的焊縫發(fā)生情況，在檢測幾何外形復雜的焊縫方面也表現(xiàn)出良好效能，機動性、靈活性均較高，利用計算機設(shè)備采集處理信號和數(shù)據(jù)，能更直觀的呈現(xiàn)出超聲檢測結(jié)果。

1 相控陣檢測的原理分析

該項檢測技術(shù)應(yīng)用多陣元換能器去激發(fā)與接收超聲波束,控制換能器陣列內(nèi)各個陣元發(fā)射(接收)脈沖的拖延時間，調(diào)整聲波抵達物體中某點的相位關(guān)系，進而掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦超聲波波束，應(yīng)用結(jié)合使用機械和電子掃描得方法達到多方式成像。既往已經(jīng)有大量的實踐中表明，相控陣超聲技術(shù)能同時呈現(xiàn)出多組A、S、B、C掃描的組合式視圖[2]。在具體檢測實踐中，能夠協(xié)助工作人員直接觀察到C掃描下的成像情況，為數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)可視化觀察、分析過程創(chuàng)造了便利條件。在多組視圖的協(xié)助下去更客觀的判斷信息的實際特征，為后期解讀缺欠性質(zhì)提供更可靠的支持。

2 超聲相控陣檢測不銹鋼管道環(huán)焊縫

2.1 選擇適宜的相控陣探頭

既往有很多報道證實，即便是在熱處理過程中，奧氏體不銹鋼自身也不會出現(xiàn)相變、晶粒細化現(xiàn)象。不銹鋼各向異性是影響橫波檢測過程的主要因素，在焊縫內(nèi)其聲束還會出現(xiàn)不同程度偏轉(zhuǎn)，進而形成一些與缺陷相似度較高的偽信號。故而，實踐中

應(yīng)用縱波探頭開展檢測活動時，應(yīng)盡可能的提升聲束的穿透性，并配合使用雙晶探頭去進一步減輕噪聲信號形成的干擾。

2.2 完善超聲相控陣參數(shù)的設(shè)置

參數(shù)設(shè)置直接影響著檢測空間及對比度分辨率的主要因素之一，工作人員要重視分析和歸納各項參數(shù)在檢測過程及檢測結(jié)果內(nèi)各自的影響規(guī)律，以此為據(jù)，完善設(shè)置各項參數(shù)的規(guī)則和方法。超聲相控陣參數(shù)基本上是用通道增幅、采樣頻次級位數(shù)、帶能濾波、平滑化及電壓等構(gòu)成脈沖寬度100-1000ns區(qū)間中改變時，掃查圖呈現(xiàn)，脈沖寬度偏大或偏小時均不能獲得較好的檢測結(jié)果，故而要科學選用脈沖寬度。在半聲程聚集模式下，勾畫脈沖寬度-同波幅值一信噪比曲線圖，認真觀察曲線的走勢，不難發(fā)現(xiàn)當脈沖寬度在450-500ns范圍中取值時，目標孔和波幅值均會達到峰值，而現(xiàn)在其他寬度下，均會呈現(xiàn)出先增后減的改變趨勢，噪聲幅數(shù)值的改變也遵照以上規(guī)律[3]。故而，在采用相控陣超聲波檢測管道焊縫時，建議將脈沖寬度調(diào)整到陣列探頭主頻率周期的50%上下，并確保同波幅值、信噪比均能符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 相控陣具體檢測工藝

選擇Omniscan MX2 超聲波相控檢測儀開展檢測工作，為其配備了5MHz,64晶片探頭與SA12-N60L楔塊。已知選定的不銹鋼管道材料共包括4 處缺陷，一處是x軸位 26.02、y 軸位0mm位置的長度達到35.4mm、高度是15mm的周向內(nèi)表面缺陷；兩個是內(nèi)表面缺陷，其中一個x 軸位61.40、y 軸位0mm 處的長度是10mm、高10mm，另一個x軸位280.05°、y 軸位-5.0mm 處對應(yīng)的長度40mm、高度值19.5mm，一個是周向埋藏缺陷，x軸位302.28°、y 軸位 0mm 處的長48mm、高15mm。檢測前依照工件真實狀況仿真模擬聲場，生成縱波大角度S掃。為了能將管道中流動液體對超聲波傳輸過程形成的影響降到最低，決定在檢測范疇布設(shè)成縱波一倍板厚，忽視縱波二次波及波形轉(zhuǎn)變形成的影響。聚焦法檢測時同步激發(fā)16晶片，選用第49晶片作為目標檢測晶片，誘導聲束向前方移動過程，此時形成的扇掃描角度范疇是40°~75°。因為管道焊縫自身有不規(guī)則性，為了能減縮盲區(qū)，要使楔塊盡量臨近焊縫邊緣，現(xiàn)實檢測楔塊和焊縫邊界間隔控制在3mm[4]。

利用大角度縱波對管道焊縫進行全體積覆蓋式掃描檢查，但在以上過程中焊縫表層形成了檢測盲區(qū)，實測得盲區(qū)深度3mm~4mm。爬波最大的作用是能完整的檢出焊縫表面缺陷，故而擬定用爬波去檢測盲區(qū)，當表層深度達到6mm~8mm時，爬波檢測均能取得較好的效果。對于本工件而言，檢測時爬波探頭和焊縫邊界相距3mm。

4 現(xiàn)場檢測

近些年來，我國各地大范圍修建鋪筑管道，涉及到高山、沼澤等多種復雜地形，因此焊口位置有很大不確定性，鋪建管道時需要進行挖掘作業(yè)，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境十分惡劣，時常出現(xiàn)滲水等狀況，通常采用邊抽水邊檢測的方法進行，因此對檢測操作時間、效率提出較高的要求[5]。

關(guān)于焊縫參數(shù)的設(shè)置，先要設(shè)定具體焊接方法與坡口型式，并盡量利用多種方法去探查到焊縫的成形狀況。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場安裝不銹鋼管道焊縫是手工焊焊縫坡口型式是V 型，實踐中可以結(jié)合竣工資料去調(diào)整部分焊縫工藝參數(shù)。

當?shù)叵鹿艿辣煌诰虺鰜硪院?，先要采用適宜方法剔除防腐層，對焊縫表層進行磨平處理，并檢查焊縫表面形態(tài)、余高寬度和高度、掃查面光滑度與潔凈度，清除焊接飛濺、鐵屑、油污等這些干擾聲能傳播的雜質(zhì)，借此方式確保檢測結(jié)果的可追溯性和可重復性。探頭移動區(qū)應(yīng)滿足超聲波檢測設(shè)計要求的表面狀態(tài),參照檢測工藝具體要求，對探頭與焊縫兩者的間距進行微調(diào)整,依照設(shè)計規(guī)程組裝檢測工裝,隨后便進入到了線性檢測工序中，用相控陣超聲法開展檢測活動,和常規(guī)超聲波檢測基本沒有差異，相控陣檢測階段不必前后移動探頭進行鋸齒形掃描檢查，要確保探頭發(fā)射的聲束對被檢截面實現(xiàn)整體覆蓋，而后順沿焊縫軸線走向進行縱向移動便能完成檢測任務(wù)，整個掃查過程均要密切關(guān)注探頭狀態(tài)，規(guī)避發(fā)生走偏情況[6]。以上操作時要配合管道專用型檢測工裝,選用水做耦合劑,管道直徑812mm，檢測操作時間設(shè)定為5min,指派專人在檢測現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)信息，并迅速測評出示具體結(jié)果，為管道焊縫處理方案的編制提供可靠依據(jù)。

實踐中考慮到楔塊和檢測面兩者相接觸形成影響，最后決定將檢測面設(shè)定在不等厚焊縫閥門側(cè)臺階的上方，臺階處外徑308mm，正式檢測檢驗前加工制造了帶弧度AOD308 mm楔塊，借此方式確保楔塊和檢測面有效貼合。在輔助檢測面上，同樣制造了帶有一定弧度楔塊。

主檢測面探頭處理利用二次波進行檢驗，扇掃角度控制在35°~75°范圍中，角度分辨率1°，聚焦法應(yīng)用的是投影聚焦，將聚焦線設(shè)定在焊縫中心線上。在輔助掃查面上，其參數(shù)設(shè)置情況如下：扇掃角度40°~75°，角度分辨率1°，聚焦法應(yīng)用的是深度聚焦FD=45 mm。

針對超聲波掃描檢查時形成的結(jié)果，可以采用如下方法保存[7]：①如果采用人工掃查方法時，結(jié)果保存是A掃查與扇形掃查圖像；②如果利用編碼器掃查時，則應(yīng)用三視圖方法去保存最后輸出的結(jié)果。

5 比較分析檢測數(shù)據(jù)

在檢測這條管線的焊口時，探查到某個焊縫射線底片上形成了疑似裂紋信號，為了掌握缺陷的具體性質(zhì)，決定用相控陣超聲進行復驗。主要流程包括確認焊口位置、挖掘、表面除銹處置、相控陣超聲檢測、數(shù)據(jù)保存和分析。同個整體分析呈現(xiàn)圖像內(nèi)A/Y/S三種信號，發(fā)現(xiàn)缺欠的信號特點和裂紋的信號特征相吻合，缺欠處和射線底片上缺欠位置等同。通過對比分析以上兩種方法的應(yīng)用情況，最后將這種材料質(zhì)量缺陷定義成裂紋。對該焊縫進行割口處置，借此方式解除其后續(xù)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的隱患因素。

圖1 是該管線的相控陣超聲檢測A,Y,S掃描圖像，表1是相控陣超聲檢測值與射線檢測底片測評結(jié)果[8]。

圖1 超聲檢測掃描圖像

表1 相控陣超聲檢測值與射線檢測底片測評結(jié)果統(tǒng)計（單位：mm）

統(tǒng)計定量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺陷高度、長度檢測結(jié)果誤差分別是-3.8mm~1.5mm、 -1mm~12mm，高度、長度均方根誤差分別1.7mm、3.1mm，和ASMe規(guī)范內(nèi)要求的均方根誤差分別小于3.2mm、6.0mm的標準相吻合[9]。而統(tǒng)計常規(guī)超聲檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高度、長度檢測結(jié)果誤差分別是-2.5mm~0.8mm、-0.6mm~18mm，均方根誤差分別是1.5mm、 8mm。綜合分析超聲相控陣檢測誤差都符合ASMe規(guī)范要求，和常規(guī)自動超聲檢測結(jié)果形成誤差范圍之間有較高額度相似度，一些缺陷的檢測結(jié)果精準度更高。

6 結(jié)語

本次課題研究中選用了二維雙晶面陣探頭，選定了深度適宜的楔塊，利用 CIVA專業(yè)軟件模擬仿真聲場，對帶有自然缺陷的試塊進行檢測，利用角度楔塊能夠生成大角度縱波聲場的特征，實現(xiàn)對工件焊縫的全面覆蓋掃查，利用多種成像模式合理解讀了超聲信號的特征，為管道缺陷定量、定性分析提供可靠依據(jù)，定量誤差能符合 ASMe 規(guī)范要求。

和傳統(tǒng)的射線及常規(guī)超聲檢測相比較，相控陣超聲檢測有所需掃查范圍窄小、檢測效率高、直觀性強、運行過程可靠等優(yōu)勢，應(yīng)用情況備受關(guān)注，相信其在將來會有更寬闊的發(fā)展前景。