相控陣超聲檢測技術(shù)在石化工程建設(shè)中的應(yīng)用展望

郭 旺 王志強(qiáng) 張賢俊

山東泰思特檢測有限公司 山東淄博 255438

近幾年，國內(nèi)大型石油化工裝置建設(shè)迎來了一個高峰期。在建設(shè)過程中，隨著建設(shè)方對檢測效率、檢測結(jié)果準(zhǔn)確性及施工安全、裝置運(yùn)行安全要求的不斷提高，尤其是相較于射線檢測、A 型超聲波檢測等常規(guī)檢測方法的局限性，經(jīng)過無數(shù)科研人員的不斷努力，相控陣超聲檢測技術(shù)及設(shè)備逐漸成熟，并應(yīng)用于大型石油化工裝置管道及設(shè)備的檢測當(dāng)中。

1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測是根據(jù)設(shè)定的聚焦法則激發(fā)相控陣探頭各自獨立的壓電晶片，根據(jù)惠更斯- 菲涅耳原理，各個壓電晶片發(fā)出的超聲波經(jīng)過干涉合成理想聲束，并實現(xiàn)聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，經(jīng)缺陷發(fā)射后再按一定的延遲法則對接收到的超聲信號進(jìn)行疊加合成，并以圖像的方式顯示被檢對象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測方法。相控陣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 相控陣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)示意圖

2 相控陣超聲檢測的優(yōu)缺點

相對于目前在石油化工裝置中常用的射線檢測和A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測來說，相控陣的優(yōu)點明顯。但是每種檢測方法都有其局限性，相控陣超聲檢測也不例外。

2.1 優(yōu)勢明顯

與普通A 型脈沖發(fā)射法超聲波檢測相比，相控陣超聲檢測具有以下優(yōu)勢：

（1）檢測速度快、檢測效率高?，F(xiàn)場檢測時無需像A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測一樣探頭來回移動做鋸齒掃查。

（2）缺陷定位、定量準(zhǔn)確?？色@得更好的檢測靈敏度、分辨力和信噪比。

（3）缺陷以圖像方式顯示，可實時成像。圖像可拷貝、存儲電子文檔，實現(xiàn)檢測信息的永久性存儲，并可做到多人多地同時對檢測結(jié)果進(jìn)行評定。

（4）聲束精度可控，通過建模可適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的檢測。

（5）可扇形掃查，能一次性發(fā)現(xiàn)不同位置、不同角度的缺陷。

（6）重復(fù)性好，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員的要求降低，從而減少人為因素的干擾。

與射線檢測相比，相控陣超聲檢測具有以下優(yōu)勢：

（1）對裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷檢出率高；

（2）沒有輻射危害，可與安裝工序同時進(jìn)行，提高工程檢測效率；

（3）可以提供缺陷在深度方向的數(shù)據(jù)及自身高度數(shù)據(jù)，對缺陷的數(shù)據(jù)判定更全面；

（4）可檢測最大厚度遠(yuǎn)高于射線檢測，且壁厚工件檢測效率明顯高于射線檢測。

2.2 存在一定局限性

（1）相控陣檢測設(shè)備、探頭等總體價格偏高；

（2）相控陣檢測對檢測工件的光滑度要求較高；

（3）復(fù)雜工件檢測對操作規(guī)程編寫者理論要求高。

3 相控陣設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展

相控陣超聲檢測設(shè)備研制方面，國外起步較早，美國通用電氣公司（GE）早在1992 年就研制出數(shù)字式相控陣超聲實時成像系統(tǒng)。目前，國外小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司主要有 Olympus、ISONIC、GE、ZETEC、M2M 和SONATES 等。

國內(nèi)相控陣超聲檢測儀器研究制造起步相對較晚，2010 年前后國內(nèi)公司推出第一代商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品。經(jīng)過近十年的發(fā)展，目前國內(nèi)可生產(chǎn)適用于裝置安裝現(xiàn)場的小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司主要有汕頭超聲電子、武漢中科、深圳神視和南通友聯(lián)。國內(nèi)相控陣超聲設(shè)備正在迎頭趕上，小型便攜機(jī)的技術(shù)水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，甚至部分性能指標(biāo)已經(jīng)超出國外同類產(chǎn)品。

由于相控陣技術(shù)信號處理的復(fù)雜性，需要高度依賴仿真軟件計算不同條件下的陣列探頭輻射聲場和缺陷信息。目前仿真軟件主要由國外公司掌控，國內(nèi)在仿真軟件技術(shù)方面相對薄弱。

隨著相控陣超聲波檢測的不斷推廣及產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，相控陣超聲波設(shè)備的升級、探頭材料的研發(fā)、仿真軟件等方面的技術(shù)會逐漸成熟，設(shè)備成本也將逐漸降低。從而形成設(shè)備價格下降、技術(shù)推廣加快的良性循環(huán)，促進(jìn)相控陣技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

相控陣檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，已經(jīng)有部分國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布實施。例如GB/ T32563- 2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》已于2016 年2 月24 日發(fā)布，2016 年10 月1 日開始實施。

DL/ T1718- 2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》2017 年8 月2 日發(fā)布，2017 年12 月1 日實施。

SY/ T4109- 2020《石油天燃?xì)怃撝乒艿罒o損檢測》第8 部分相控陣超聲檢測2020 年10 月23 日發(fā)布，2021 年2 月1 日實施。

NB/ T47013.15- 2021《承壓設(shè)備無損檢測第15部分：相控陣超聲檢測》2021 年4 月26 日發(fā)布，2021年8 月26 日實施。

在相控陣超聲波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟并頒布實施的情況下，急需在施工規(guī)范、驗收等標(biāo)準(zhǔn)中明確允許相控陣超聲波檢測方法的應(yīng)用及適用范圍，以便設(shè)計單位、建設(shè)單位能夠合法合規(guī)地推進(jìn)相控陣超聲技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。但是在相控陣超聲檢測的施工應(yīng)用方面，標(biāo)準(zhǔn)更新還不及時。譬如SH3501- 2017《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》中，表12“管道焊接接頭無損檢測數(shù)量和驗收標(biāo)準(zhǔn)”暫未允許相控陣超聲檢測的實施應(yīng)用。GB150- 2011《壓力容器》中關(guān)于無損檢測方面也未體現(xiàn)相控陣超聲波檢測的應(yīng)用許可。

據(jù)了解，國家及相關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極推進(jìn)相控陣超聲檢測技術(shù)在施工規(guī)范及驗收規(guī)范的修訂工作，相關(guān)單位已于2020 年11 月份召開了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50517《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（局部修訂）報批稿和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH3501《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》送審稿的送審會議，這兩個標(biāo)準(zhǔn)中明確了相控陣超聲檢測技術(shù)的適用范圍及合格級別。

5 在石油化工裝置中的典型應(yīng)用

目前石油化工裝置中常見的對接焊縫、T 型焊縫、角接焊縫等，在裝置現(xiàn)場已經(jīng)證明了相控陣超聲檢測技術(shù)的可行性，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了充分的驗證。特別是設(shè)計壓力大的高壓厚壁管道，在現(xiàn)場射線檢測條件受限或射線穿透力不足時，可以用相控陣超聲檢測來彌補(bǔ)射線檢測的不足。2017 年，山東泰思特檢測有限公司在古雷騰龍翔鷺檢測評估及后續(xù)修復(fù)項目對約13000 道壓力管道焊口進(jìn)行了相控陣超聲波檢測，檢測結(jié)果及準(zhǔn)確性均得到了甲方的認(rèn)可。隨后，2019 年在鄂安滄輸氣管道項目，以及2021 年山東管網(wǎng)南干線輸氣管線項目均使用了相控陣超聲檢測技術(shù)，檢測準(zhǔn)確性得到了有效驗證。

5.1 管道對接接頭的相控陣檢測

A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測管道對接接頭時，根據(jù)NB/ T47013- 2015《承壓設(shè)備無損檢測》的要求，需要用一個或多個探頭在焊縫雙面或雙側(cè)進(jìn)行多次頻繁的掃查，檢測過程繁瑣。相控陣超聲檢測技術(shù)則可在有效聲程范圍建立模型對檢測區(qū)域進(jìn)行一次或多次全覆蓋。如圖2 所示，當(dāng)用1 次波檢測時，僅焊縫下部能被聲束覆蓋；當(dāng)用底面1 次反射法檢測時，聲束就能全部覆蓋整個焊縫截面。探頭在此位置就能對焊縫完成一次全覆蓋。相對于A 型脈沖發(fā)射法，超聲檢測操作簡單，圖譜數(shù)據(jù)可保存，大大提高了檢測效率，并可有效降低普通A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測對缺陷定性、定量的爭議。

圖2 相控陣超聲檢測聲束模擬路徑

5.2 角接接頭及T 型焊接接頭的相控陣檢測

石油化工裝置存在大量的角接及T 型焊接接頭，在以往的檢測過程中受射線檢測及A 型脈沖反射法超聲檢測的限制，現(xiàn)場實際檢測過程中大部分僅進(jìn)行了表面檢測，給裝置的安全運(yùn)行留下了極大的隱患，很多裝置在開車過程中或開車后不久就出現(xiàn)角接焊縫泄露的事故已經(jīng)屢見不鮮。

角接接頭相控陣超聲檢測按NB/ T47013.15- 2021 要求，采用扇形掃描和直探頭組合檢測。相控陣建模宜優(yōu)先采用實際幾何結(jié)構(gòu)尺寸，見圖3 和圖4。

圖3 插入式角接頭

圖4 安放式角接頭

T 型接頭相控陣超聲檢測按NB/ T47013.15- 2021，應(yīng)采用扇形掃描和直探頭組合檢測。相控陣建模宜優(yōu)先采用實際幾何結(jié)構(gòu)尺寸，見圖5、圖6、圖7。

6 在石油化工裝置的應(yīng)用前景

隨著相控陣超聲技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)的完善，相信相控陣超聲檢測技術(shù)在石油化工裝置建設(shè)過程中將逐漸普及，將主要應(yīng)用到以下檢測場景：

（1）補(bǔ)充或者完全替代部分需射線檢測的焊口。

圖5 T 型焊接接頭型式1

圖7 T 型焊接接頭型式

（2）全面取代需要進(jìn)行A 型發(fā)射法超聲檢測的焊口。因A 型反射法超聲檢測受人為因素等的影響較大，部分建設(shè)方現(xiàn)已經(jīng)開始用相控陣檢測技術(shù)替代普通A型反射法超聲檢測。

（3）管材、板材等原材料檢驗。

（4）換熱器管板角焊縫的檢測。

（5）承壓設(shè)備聚乙烯管道電熔焊接的檢測。

（6）厚壁管道的檢測，可完全取代射線檢測。

7 結(jié)論

受目前相控陣設(shè)備購置和檢測費(fèi)用高昂的限制，部分建設(shè)方還不能接受大面積實施相控陣檢測。但是隨著相控陣技術(shù)的研發(fā)、新材料的應(yīng)用，以及及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)的完善，在可預(yù)見的未來，相控陣檢測技術(shù)將廣泛運(yùn)用于石油化工裝置的建設(shè)中，為石化裝置的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。