碳鋼材料PAUT檢測(cè)中的缺陷測(cè)高影響因素

王雪臣，劉貴吉，唐旭東，王九方，牛立志

(海洋石油工程股份有限公司， 青島 266520)

相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)已廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的焊縫檢測(cè)中，對(duì)壓力管線焊縫進(jìn)行PAUT檢測(cè)時(shí)，項(xiàng)目要求按照標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3-2020 《工藝管道規(guī)范》 附錄R進(jìn)行驗(yàn)收。這就需要對(duì)表面和內(nèi)部缺陷高度hF進(jìn)行準(zhǔn)確定量[1]，表面和內(nèi)部缺陷高度如圖1所示(圖中TW為焊縫公稱厚度，lF為缺陷長(zhǎng)度，SF為缺陷距表面距離)。然而，PAUT對(duì)缺陷高度測(cè)量的準(zhǔn)確性存在受多種因素影響的問(wèn)題，為此，以典型的自身高度為2 mm缺陷為例，探究了聲束聚焦深度、探頭角度、檢驗(yàn)聲程等參數(shù)對(duì)碳鋼材料PAUT檢測(cè)中缺陷測(cè)高的影響。

圖1 表面和內(nèi)部缺陷高度示意

1 缺陷高度測(cè)量方法

1.1 表面缺陷驗(yàn)收

表面缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，此表翻譯引用ASME B31.3-2020附錄R表R308.1。缺陷的高度和長(zhǎng)度共同關(guān)系到返修與否，由表1可知，即使缺陷高度變化較小，允許的長(zhǎng)度仍會(huì)有較大變化。所以缺陷高度測(cè)量應(yīng)盡量減少誤差，以接近實(shí)際尺寸，避免出現(xiàn)結(jié)果誤判的情況。

表1 表面缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(ASME)

1.2 缺陷高度測(cè)量

ASME B31.3-2020附錄R中PAUT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)鍋爐與壓力容器規(guī)范第V卷第四章的要求，缺陷高度測(cè)量方法執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)中SE 2700章節(jié)的要求。SE 2700章節(jié)中第12.4.2節(jié)給出了使用-6 dB法進(jìn)行高度測(cè)量的方法，缺陷高度測(cè)量結(jié)果示例如圖2所示。

圖2 缺陷高度測(cè)量結(jié)果示例

測(cè)量時(shí)首先通過(guò)扇形掃描視圖中找到缺陷的最高波幅，向上移動(dòng)角度指針，使回波高度降低至最高波幅的一半，該位置即為缺陷的上端點(diǎn)；同理，向下移動(dòng)角度指針，使回波高度降低至最高波幅的一半，該位置即為缺陷的下端點(diǎn)；上下端點(diǎn)的深度差(此時(shí)藍(lán)色和紅色測(cè)量光標(biāo)之間的距離)則為缺陷的高度值。

2 缺陷測(cè)高影響因素

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用第1章所述方法進(jìn)行測(cè)量葉得到的測(cè)量值與缺陷實(shí)際尺寸有著較大的偏差，通常比實(shí)際尺寸偏大，并且不同聚焦法則下的偏差程度不一致。

通過(guò)大量的PAUT數(shù)據(jù)分析得知，諸多因素均有可能影響缺陷高度的測(cè)量精確度，如探頭頻率、晶片的數(shù)量和尺寸、聚焦位置、聲束角度、缺陷聲程、評(píng)定方法、聲束寬度等，文章討論的檢測(cè)對(duì)象為海洋工程常用碳鋼管線焊縫，探頭頻率等參數(shù)變化較小，所以主要對(duì)以下4個(gè)影響因素進(jìn)行研究分析：① 聚焦位置的影響[2];② 聲束角度的影響；③ 缺陷聲程的影響；④ 評(píng)定方法的影響。

3 PAUT設(shè)備和試塊的選擇

3.1 儀器和探頭的選擇

試驗(yàn)采用奧林巴斯X3型相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備和5L32-A31型探頭(楔塊為SA31-N55S型)，檢測(cè)設(shè)備實(shí)物如圖3所示。

圖3 檢測(cè)設(shè)備實(shí)物

3.2 試塊的選擇

為方便、全面地判別不同角度、聲程的影響，結(jié)合海洋石油天然氣平臺(tái)建造過(guò)程中常見缺陷的特點(diǎn)，選用ASTM E2491附錄A2中的波束偏轉(zhuǎn)試塊對(duì)PAUT系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，聲程恒定式偏轉(zhuǎn)試塊結(jié)構(gòu)及反射體信息如圖4所示，單一平面式偏轉(zhuǎn)試塊結(jié)構(gòu)及反射體信息如圖5所示。試塊中橫通孔的孔徑即為缺陷的實(shí)際高度。

圖4 聲程恒定式偏轉(zhuǎn)試塊結(jié)構(gòu)及反射體信息

圖5 單一平面式偏轉(zhuǎn)試塊結(jié)構(gòu)及反射體信息

圖6 基于6組聚焦法則的橫通孔高度測(cè)量結(jié)果

4 對(duì)比試驗(yàn)

按照第2章討論的4項(xiàng)影響因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[3]。所有試驗(yàn)均使用線性掃查，聚焦法則使用32個(gè)晶片，一次激發(fā)8個(gè)晶片。通過(guò)對(duì)比孔徑和PAUT的實(shí)測(cè)高度的方式來(lái)分析各項(xiàng)影響因素。

4.1 聚焦深度的影響

設(shè)置45°線性掃描，聚焦深度分別為10，15，20，25，30，35 mm，分別測(cè)量圖5中深度為25 mm的橫通孔高度，其結(jié)果如圖6所示。

對(duì)上述6組PAUT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照-6 dB的高度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可以看出，測(cè)量值是實(shí)際值的兩倍以上，精確度較差。不同聚焦深度間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差較小，這主要是因?yàn)樯疃?5 mm處已經(jīng)超過(guò)近場(chǎng)區(qū)，超過(guò)了理論最大聚焦范圍。所以試驗(yàn)中聚焦深度的設(shè)置并非造成實(shí)測(cè)值和實(shí)際值偏差過(guò)大的主要因素。

表2 不同聚焦深度下的橫通孔高度測(cè)量值

4.2 探頭角度的影響

分別設(shè)置3組聚焦法則(45°、60°和70°線掃)，3組法則均設(shè)置為非聚焦模式，除角度不一致外其他參數(shù)均相同。采用3組法則對(duì)圖4中聲程恒定式偏轉(zhuǎn)試塊的一組φ2 mm橫通孔進(jìn)行檢測(cè)，不同角度下橫通孔的高度測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同角度下橫通孔高度測(cè)量結(jié)果

對(duì)上述3組PAUT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照-6 dB的高度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3所示。

表3 不同掃查角度下的橫通孔高度測(cè)量值

通過(guò)上述3組法則的檢測(cè)結(jié)果比較可知，角度越小，測(cè)量高度精確度越高。其主要原因?yàn)樾〗嵌嚷暿鴮挾刃?，聲束能量較為集中，缺陷定量相對(duì)準(zhǔn)確。

4.3 檢測(cè)聲程的影響

設(shè)置2組聚焦法則(45°和60°線掃)，2組法則均設(shè)置為非聚焦模式，除角度不一致外其他參數(shù)均相同。以圖5試塊中豎直面橫通孔作為目標(biāo)反射體，分別以2組法則的小聲程和大聲程進(jìn)行橫通孔高度測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同角度、不同聲程下的橫通孔高度測(cè)量結(jié)果

對(duì)上述3組PAUT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按-6 dB高度測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表4所示。

表4 不同角度、不同聲程下的橫通孔高度測(cè)量值

分析上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論以哪種角度去測(cè)量缺陷高度，聲程越小高度測(cè)量值越接近實(shí)際值。其主要原因是聲程越小，聲束能量越集中，測(cè)量偏差越小。

4.4 評(píng)定方法的影響

由上述3組試驗(yàn)可知，當(dāng)使用-6 dB法進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)，其測(cè)量結(jié)果均遠(yuǎn)大于實(shí)際尺寸。因此按4.2節(jié)中的掃查參數(shù)使用-2 dB法進(jìn)行高度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 -2 dB法的橫通孔高度測(cè)量結(jié)果

對(duì)上述3組PAUT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比-2 dB測(cè)量方法與-6 dB測(cè)量方法的檢測(cè)結(jié)果，其結(jié)果如表5所示。

表5 不同掃查角度下-6 dB法和-2 dB法的橫通孔高度測(cè)量值

分析可知，相比-6 dB法，-2 dB法對(duì)缺陷高度的測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際值，但從表5中仍可以看出小角度測(cè)量時(shí)比大角度測(cè)量時(shí)的精確度要高。

5 結(jié)語(yǔ)

在海洋石油天然氣平臺(tái)建造過(guò)程中，高度為2 mm的缺陷具有較強(qiáng)的代表性，為此，以φ2 mm橫通孔為研究對(duì)象，進(jìn)行一系列的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，PAUT技術(shù)在測(cè)量缺陷高度值時(shí)，聚焦深度對(duì)其影響較小，缺陷檢出角度、檢測(cè)聲程、測(cè)量方法對(duì)高度測(cè)量影響較大；其中角度和聲程可歸結(jié)為聲束寬度的影響，聲束寬度越小，能量越集中，精確度越高；同時(shí)，-2 dB法比-6 dB法的精確度要高。在制定掃查工藝和缺陷評(píng)定時(shí)，可適當(dāng)考慮上述因素的影響，提高PAUT測(cè)高的精度。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)優(yōu)勝獎(jiǎng)。