大口徑厚壁奧氏體不銹鋼管道焊接接頭的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)

黃文大，汪同和，孫 岳

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020;3.甘肅君立工程科技有限責(zé)任公司，蘭州730050)

由于奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶粒粗大和材料的各向異性[1]，工程上常常優(yōu)先選擇射線檢測(cè)來對(duì)焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但現(xiàn)今大型石油化工設(shè)備使用的奧氏體不銹鋼管道的管徑及壁厚都較大，已不宜采用射線對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。早在2011年，林莉等[2]已對(duì)厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了初步研究，基于其研究，筆者嘗試采用分階段檢測(cè)的方法，即當(dāng)焊接進(jìn)行到焊縫厚度為16 mm時(shí)先進(jìn)行一次射線檢測(cè)，焊接完成后參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15-2021 《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》，采用3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)輔以滲透檢測(cè)，對(duì)大口徑厚壁奧氏體不銹鋼焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)。

1 3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

基于全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)的相控陣全聚焦(TFM)超聲成像檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)PAUT(相控陣超聲檢測(cè))的原理有所不同，其在成像區(qū)域內(nèi)的聚焦效果更好，成像分辨率更高，可優(yōu)化缺陷的定位、定量、表征等[3]。該技術(shù)既可檢測(cè)薄壁工件，也可檢測(cè)厚壁工件，且一次波檢測(cè)焊縫的盲區(qū)很小。

全矩陣數(shù)據(jù)采集以64陣元探頭為例，系統(tǒng)每次激發(fā)一個(gè)陣元，所有陣元同時(shí)接收，64個(gè)陣元依次激發(fā)之后，采集得到64 × 64(4 096)組數(shù)據(jù)。全聚焦成像以全矩陣采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行全聚焦計(jì)算、疊加、平均處理，然后在設(shè)定的成像區(qū)域(二維或三維目標(biāo)區(qū))內(nèi)實(shí)現(xiàn)全聚焦成像。

焊縫典型3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)圖像如圖1所示，該圖像記錄了整條焊縫的三維連續(xù)圖譜信息，可旋轉(zhuǎn)觀察。3D全聚焦相控陣技術(shù)在設(shè)定成像區(qū)域內(nèi)至少有65 536個(gè)聚焦點(diǎn)，大大提高了圖像的分辨率和信噪比。因?yàn)樘筋^陣元尺寸小、擴(kuò)散角大，所以3D全聚焦相控陣在工件中建立的聲場(chǎng)能量(聲壓)分布更均勻，聲壓變化平緩，有效聲場(chǎng)覆蓋范圍更大，檢測(cè)效更高。把全聚焦算法擴(kuò)展至三維，并利用芯片的高速并行運(yùn)算能力可實(shí)現(xiàn)工件的全聚焦成像，檢測(cè)圖像刷新率高達(dá)20幅/s，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力約為每秒2.5 G字節(jié)，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)。

圖1 焊縫典型3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)圖像

3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)的有效聲場(chǎng)范圍應(yīng)覆蓋成像區(qū)域，成像區(qū)域應(yīng)覆蓋檢測(cè)區(qū)域，成像區(qū)域的寬度應(yīng)不大于探頭孔徑寬度的一半，長(zhǎng)度應(yīng)不小于檢測(cè)區(qū)域的寬度，高度應(yīng)和檢測(cè)區(qū)域的高度相對(duì)應(yīng)。設(shè)定成像區(qū)域的同時(shí)可設(shè)定探頭的前端距，前端距的選擇需保證圖2中的角度α′不小于40°；成像區(qū)域圖像的像素尺寸不大于1 mm；進(jìn)行角度增益校準(zhǔn)(ACG)和時(shí)間增益校準(zhǔn)(TCG)后，成像區(qū)域應(yīng)能夠有效覆蓋檢測(cè)區(qū)域。以上原則應(yīng)同時(shí)滿足，否則應(yīng)分區(qū)設(shè)置檢測(cè)參數(shù)。

圖2 3D全聚焦相控陣超聲成像區(qū)域示意

3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)常用的探頭有面陣探頭、線陣探頭、雙晶面陣和雙晶線陣探頭，厚壁奧氏體不銹鋼焊縫的檢測(cè)一般選用雙晶縱波線陣探頭(DLA)，探頭常用頻率為1.5，2.0，2.5 MHz。隨檢測(cè)厚度的增加探頭頻率應(yīng)降低，陣元尺寸應(yīng)增大，同時(shí)應(yīng)考慮探頭頻率和陣元長(zhǎng)度對(duì)有效聲場(chǎng)范圍的影響。聲場(chǎng)范圍應(yīng)涵蓋檢測(cè)區(qū)域，但不能太大造成能量過于分散而影響成像效果。在滿足信噪比前提下應(yīng)盡量選擇頻率更高、陣元數(shù)量更多的探頭進(jìn)行檢測(cè)。楔塊角度一般為45°～60°，另外需考慮楔塊的曲率，檢測(cè)面為曲面時(shí)，楔塊的曲率應(yīng)與工件的相吻合，楔塊邊緣與檢測(cè)面的間隙應(yīng)小于0.5 mm。手動(dòng)自由掃查時(shí)，探頭移動(dòng)速度不超過50 mm·s-1。采用沿線掃查、斜向掃查等掃查方式時(shí)，應(yīng)保證掃查速度均勻且不大于最大掃查速度，同時(shí)應(yīng)滿足耦合效果和數(shù)據(jù)采集的要求。最大掃查速度為幀頻與區(qū)域?qū)挾鹊某朔e。

ACG和TCG校準(zhǔn)試塊的材料、聲學(xué)性能應(yīng)與被檢工件的相同或相近。靈敏度試塊的中部需設(shè)置一個(gè)對(duì)接接頭，該接頭的坡口形式應(yīng)與被檢接頭的相似，并采用同樣的焊接工藝進(jìn)行焊接，建議使用現(xiàn)場(chǎng)工件來制作試塊。試驗(yàn)根據(jù)工件厚度選擇了相應(yīng)的ACG和TCG校準(zhǔn)試塊(見圖3)，試塊材料為TP321，厚度為60 mm，焊縫寬度為40 mm，坡口形式為V型，試塊上有4個(gè)φ2 mm的橫孔，深度分別為5，20，35，50 mm。根據(jù)被檢工件的檢測(cè)區(qū)域確定成像區(qū)域，嚴(yán)格按照ACG和TCG校準(zhǔn)規(guī)程前后緩慢移動(dòng)探頭進(jìn)行聲場(chǎng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后成像區(qū)域的幅值是均勻的。校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)探頭使其采集到橫孔的最高回波。校準(zhǔn)完成后前后移動(dòng)探頭掃查成像區(qū)域內(nèi)的橫孔，其上下左右位置的回波幅值應(yīng)在1 dB范圍內(nèi)，若成像結(jié)果中沒有深度為5 mm的橫孔，則應(yīng)記錄下各橫孔的成像位置，根據(jù)記錄調(diào)整掃查工藝，使其可對(duì)有效區(qū)域完整成像。校準(zhǔn)后有效區(qū)域的成像結(jié)果如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)后有效區(qū)域的成像結(jié)果

采用圖3的對(duì)比試塊進(jìn)行盲區(qū)測(cè)試，并與常規(guī)PAUT的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊接接頭時(shí)，3D全聚焦相控陣技術(shù)的表面盲區(qū)較常規(guī)PAUT的小，可檢測(cè)出距離上表面5 mm的φ2 mm橫孔。由于焊縫表面有余高，只使用一次縱波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，焊縫近表面存在檢測(cè)盲區(qū)，所以另使用雙晶爬波探頭對(duì)近表面0～10 mm的深度范圍進(jìn)行附加檢測(cè)。經(jīng)對(duì)比試塊驗(yàn)證，使用爬波探頭可檢出1mm深的刻槽。

使用3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)重要焊接接頭，且技術(shù)等級(jí)為C級(jí)時(shí)，需用模擬試塊進(jìn)行工藝驗(yàn)證。模擬試塊材料的聲學(xué)性能應(yīng)與被檢件的相同或相似，其缺陷類型主要有條狀缺陷、裂紋、未熔合和未焊透等，其中應(yīng)有一處橫向缺陷；缺陷位置應(yīng)具有代表性，至少應(yīng)覆蓋外表面、內(nèi)表面和內(nèi)部。

2 模擬試塊檢測(cè)驗(yàn)證示例

模擬試塊編號(hào)為U81-4，材料為304不銹鋼，規(guī)格(直徑×壁厚)為610 mm×30.96 mm，坡口形式為V型，焊接方式為鎢極惰性氣體保護(hù)焊+手工電弧焊，模擬試塊實(shí)物如圖5所示。采用CTS-PA322T型相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D成像檢測(cè)儀在該模擬試塊上進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)能夠有效檢出模擬試塊上除橫向缺陷外的所有缺陷。模擬試塊焊縫的3D全聚焦成像分別如圖6，7所示(單面雙側(cè)掃查，焊縫兩側(cè)記為A，B側(cè))，成像數(shù)據(jù)如表1所示(橫向缺陷用超聲斜向平行掃查，未加以3D全聚焦相控陣檢測(cè)驗(yàn)證)。

圖5 模擬試塊實(shí)物

表1 模擬試塊3D全聚焦成像數(shù)據(jù) mm

圖6 模擬試塊的3D全聚焦成像(A側(cè))

圖7 模擬試塊的3D全聚焦成像(B側(cè))

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例

對(duì)浙江某大型石化項(xiàng)目柴油加氫裝置、漿態(tài)床裝置等管道的400多道奧氏體不銹鋼焊接接頭進(jìn)行3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)，使用的儀器型號(hào)為CTS-PA322T，探頭型號(hào)為2.5L32 1.2×10×2(雙晶縱波斜探頭)，發(fā)現(xiàn)了20余道焊口有超標(biāo)缺陷，一些典型缺陷的圖譜如下所述。

(1) 管道1材料為TP321，規(guī)格(直徑×壁厚，下同)為φ711 mm×68.27 mm，缺陷類型為裂紋和未熔合，缺陷深度約為54.6 mm，缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像如圖8所示，返修打磨后表面的滲透檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 管道1缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像

圖9 管道1返修打磨后表面的滲透檢測(cè)結(jié)果

(2) 管道2材料為TP347，規(guī)格為φ711 mm×58.73 mm，缺陷類型為未熔合，缺陷深度為49.6 mm，缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像如圖10所示，返修打磨后表面的滲透檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖10 管道2缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像

圖11 管道2返修打磨后表面的滲透檢測(cè)結(jié)果

(3) 管道3材料為TP321，規(guī)格為φ610 mm×59.54 mm，缺陷類型為未熔合，缺陷深度為24.3 mm，缺陷高度為6.1 mm，缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像如圖12所示，返修打磨后缺陷的照片如圖13所示。

圖12 管道3缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)成像

圖13 管道3返修打磨后的缺陷照片

4 結(jié)語

由盲區(qū)測(cè)試結(jié)果可知，檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊接接頭時(shí)，3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)法的表面盲區(qū)較常規(guī)PAUT的小，可檢出距離上表面5 mm，直徑為2 mm的橫孔，輔以爬波探頭進(jìn)行檢測(cè)，可檢出距離上表面1mm的刻槽。對(duì)大型煉油石化管道的檢測(cè)結(jié)果表明，3D全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)(使用雙晶縱波斜入射探頭)可有效檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫。