碳鋼厚板對(duì)接焊縫相控陣檢測(cè)技術(shù)與射線檢測(cè)技術(shù)比較分析

宋文華

摘要：在碳鋼厚板的廣泛應(yīng)用背景下，以往的射線檢測(cè)技術(shù)無(wú)法更為精準(zhǔn)地探測(cè)出板材面積型缺陷，且射線技術(shù)對(duì)面積型缺陷的檢出率及典型小體積型缺陷的信噪比不斷降低。因此，人們提出超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的主張，本文在闡述超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和射線檢測(cè)技術(shù)在碳鋼厚板檢測(cè)中的問(wèn)題進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：碳鋼厚板接焊縫相控陣檢測(cè)技術(shù)射線檢測(cè)技術(shù)

Comparative Analysis of Phased Array Inspection Technology and Radiographic Inspection Technology for Butt Weld of Carbon Steel Thick Plate

SONG Wenhua

（Shenyang Market Supervision Service Center（Shenyang Inspection and Testing Center）， Shenyang Liaoning 110000）

Abstract： In the context of the wide application of carbon steel thick plates， the previous radiographic testing technology can not detect the plate area defects more accurately， the detection rate of area defects and the signal-to-noise ratio of typical small volume defects by ray technology are decreasing. Therefore， people put forward the idea of ultrasonic phased array detection technology， based on the principle of ultrasonic phased array detection technology， the problems of ultrasonic phased array detection technology and radiographic detection technology in the detection of thick carbon steel plates are explored.

Key Words： Carbon steel thick plate; Butt weld; Phased array detection technology; Radiographic testing technology

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的，后來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸推廣發(fā)展的被廣泛應(yīng)用在壓力容器和壓力管道對(duì)接焊接接頭的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)形式，隨后被人們廣泛應(yīng)用到重要機(jī)電設(shè)備及汽輪機(jī)葉片根部和渦輪圓盤(pán)等設(shè)備內(nèi)部缺陷檢測(cè)工作中。使用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)支持下的扇形掃查方法能夠精準(zhǔn)地檢測(cè)出碳鋼厚板對(duì)接焊縫體積缺陷和面積缺陷。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣會(huì)在脈沖出現(xiàn)延遲之后來(lái)觸動(dòng)一些位置，通過(guò)觸動(dòng)這些位置來(lái)調(diào)節(jié)壓電晶片在不同環(huán)境下所產(chǎn)生的變化。在具體實(shí)施操作的時(shí)候，相控陣子單元的延遲時(shí)間深受其所在環(huán)境的影響。因而在使用相控陣探頭檢測(cè)的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)[1]。（1）依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)聲控波束的角度、變化幅度及產(chǎn)生的聚集距離。（2）在小型化的探頭支持下來(lái)對(duì)設(shè)備所在的位置和彼此之間呈現(xiàn)出來(lái)的角度進(jìn)行檢測(cè)分析。（3）可以對(duì)復(fù)雜形狀開(kāi)展多元檢測(cè)。在這一檢測(cè)方法的作用下能夠精準(zhǔn)地反映出焊縫內(nèi)部的基本情況，從而幫助相關(guān)人員更為直觀地了解厚板的缺陷問(wèn)題。在超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的支持下能夠幫助人們更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，從而提升檢測(cè)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性。

1.2 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是超聲成像檢測(cè)技術(shù)的重要檢測(cè)形式，在具體實(shí)施操作的時(shí)候會(huì)借助多個(gè)分列的小壓電元件（晶片）和電子方法控制各個(gè)組元的觸發(fā)時(shí)間，使得超聲波主要聲束能夠在設(shè)定好的范圍內(nèi)朝著任意的方向傳播，并能夠根據(jù)需要在任意深度上實(shí)現(xiàn)聚焦。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有靈活多變的特點(diǎn)，在具體實(shí)施的時(shí)候可以根據(jù)試驗(yàn)件的厚度來(lái)確定聚焦基本條件，最終對(duì)試件的材質(zhì)、板材的厚度來(lái)開(kāi)展檢測(cè)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展下，超聲成像技術(shù)中的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)顯示出了以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)[2]。

（1）超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)支持下的相控陣超聲聲束能夠完成聚焦檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲束的偏轉(zhuǎn)處理。和射線檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)支持下的扇形掃查能夠擴(kuò)大檢測(cè)范圍，最終提升檢測(cè)效率。（2）超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)內(nèi)部的軟件來(lái)模擬出實(shí)際檢測(cè)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)仿真模擬測(cè)試分析。在具體實(shí)施操作的時(shí)候通過(guò)在軟件中輸入檢測(cè)焊縫的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸大小就能夠模擬出聲束的掃描范圍和掃描路徑，最終擴(kuò)大數(shù)據(jù)檢測(cè)范圍。同時(shí)，在物件出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)還能夠幫助相關(guān)人員直觀地觀察缺陷在焊縫中的位置。（3）在超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的支持下縮短掃查距離。在探頭不移動(dòng)的時(shí)候，為了能夠處理焊縫聚焦波束的變化，可以采取恰當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)楔塊的角度、線性變化和總體約束偏移，并在移動(dòng)探頭不變的情況來(lái)合理把控聲束的掃查范圍，在有需要的時(shí)候同一時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射橫縱波的檢測(cè)。

2 射線檢測(cè)的局限分析

基于核電站的復(fù)雜性，為了能夠保證核電站的穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計(jì)核電產(chǎn)品時(shí)候要充分考慮其安全數(shù)值和周圍的服役周期，由此就會(huì)使得部分板材的焊縫厚度增大，板材的制造、焊接和檢測(cè)難度也會(huì)加大。射線檢測(cè)技術(shù)是碳鋼厚板厚度檢測(cè)的主要技術(shù)形式，其底片能夠精準(zhǔn)地反映出焊縫內(nèi)部的缺陷影像信息，并為產(chǎn)品質(zhì)量證明文件的永久性保存提供充分的支持。但是從實(shí)際應(yīng)用操作上來(lái)看，射線檢測(cè)技術(shù)在使用時(shí)對(duì)體積缺陷檢測(cè)比較敏感，對(duì)面積缺陷的檢測(cè)敏感度較低。在板材厚度增加的情況下，如果穿越板材厚度的力量缺乏，那么就會(huì)降低碳鋼厚板缺陷在射線底片上的對(duì)比度，碳鋼厚板的缺陷率也會(huì)降低[3]。

從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，碳鋼厚板射線檢測(cè)的工作流程繁瑣，工作量較大，在具體實(shí)施操作的時(shí)候?yàn)榱四軌虮Ｕ舷到y(tǒng)運(yùn)作得到正確信息的支持，需要做好設(shè)備防護(hù)管理和輻射調(diào)控工作，如在開(kāi)展射線檢測(cè)的時(shí)候要注重采取積極的措施規(guī)避交叉作業(yè)的現(xiàn)象。對(duì)于射線連接位置上可能出現(xiàn)的縫隙要采取必要的措施去處理這些縫隙，其中，超聲相位控制檢測(cè)技術(shù)就能夠應(yīng)用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段來(lái)有效處理厚板的對(duì)接縫隙，在先進(jìn)技術(shù)手段的支持下來(lái)彌補(bǔ)以往檢測(cè)可能遇到的局限性問(wèn)題。

3 模擬缺陷試塊的設(shè)計(jì)

為了能夠驗(yàn)證超聲成像檢測(cè)技術(shù)和射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚板焊縫檢測(cè)工作開(kāi)展所產(chǎn)生的深刻影響，本文以1300 mm厚度的試驗(yàn)塊為基本研究對(duì)象，在這個(gè)試驗(yàn)快上開(kāi)展試驗(yàn)分析。從實(shí)際實(shí)施操作中，會(huì)提前在試驗(yàn)塊上埋設(shè)不同類型、不同大小的試驗(yàn)快假設(shè)研究對(duì)象，通過(guò)使用不同的檢測(cè)方式來(lái)對(duì)試塊存在的缺陷進(jìn)行分析，全面了解缺陷檢出率。在檢測(cè)過(guò)程我們發(fā)現(xiàn)碳鋼板的主要設(shè)計(jì)缺陷如：一區(qū)存在條渣、坡口未熔合的缺陷;二區(qū)存在未焊透、坡口未熔合的缺陷;三區(qū)存在裂紋和層間未熔合的缺陷。試塊2是厚度為52mm的一系列碳鋼對(duì)接焊縫，總體設(shè)計(jì)出了3個(gè)試塊，每個(gè)試塊上面包含3個(gè)自然缺陷，在控制焊縫的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)相同性質(zhì)的焊縫存在自身尺寸大小不一致的現(xiàn)象[4]。厚度為52mm的2號(hào)試塊缺陷數(shù)據(jù)信息如表1所示。

4 缺陷試塊不同檢測(cè)方法的結(jié)果對(duì)比

4.1 試塊1檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

（1）相控陣的檢測(cè)。使用ISONIC2009相控陣儀器設(shè)備開(kāi)展焊縫參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在探頭距離焊縫邊緣175mm的位置上使用擁有32個(gè)晶片的探頭，扇形角度在36°～69°的設(shè)備來(lái)完成對(duì)焊縫的一次性掃查。在具體實(shí)施的時(shí)候參考反射體會(huì)嚴(yán)格按照ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)橫孔制作曲線的規(guī)定來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)一系列的檢測(cè)分析，在第一個(gè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)未熔合和條渣，在第二個(gè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)了未焊透、未熔合和條渣，在第三個(gè)區(qū)域發(fā)現(xiàn)各個(gè)層間未熔合及裂紋缺陷。（2）X射線檢測(cè)。在開(kāi)展射線檢測(cè)的時(shí)候所使用的加速器型號(hào)是9Mev，透照焦距為2.5m，增感屏鉛元素的厚度在5mm，透照時(shí)間為2min。在射線底片0-1的區(qū)域范圍內(nèi)僅僅能夠發(fā)現(xiàn)在距離端部0處90mm的位置上出現(xiàn)了一個(gè)缺陷，經(jīng)過(guò)判斷驗(yàn)證這個(gè)缺陷是條渣，條渣的長(zhǎng)度在14mm。在第一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的未熔合的及氣孔缺陷沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)。在第二個(gè)區(qū)域沒(méi)有檢測(cè)出未焊透。在射線底片1-2位置上發(fā)現(xiàn)兩個(gè)位置的缺陷，包含裂紋缺陷和未熔合缺陷，裂紋缺陷的長(zhǎng)度為20mm，未熔合缺陷的長(zhǎng)度為6mm。這兩個(gè)缺陷的影像表現(xiàn)比較淡，在底片上也僅僅是模糊能夠看到。在不了解預(yù)埋缺陷的情況下，對(duì)于鋼板的缺陷會(huì)經(jīng)常性地出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，各個(gè)缺陷在底片上的對(duì)比度較低，在第二個(gè)區(qū)域上的未焊透沒(méi)有檢查出來(lái)，在第三個(gè)區(qū)域上也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)層間未熔合缺陷[5]。（3）檢測(cè)數(shù)據(jù)信息的綜合對(duì)比分析。使用上述描繪的相控陣和射線檢測(cè)工藝參數(shù)來(lái)對(duì)試驗(yàn)塊開(kāi)展檢測(cè)分析，各個(gè)檢測(cè)方法作用下的檢出情況如表2所示。

4.2 試塊2系列檢測(cè)數(shù)據(jù)新的對(duì)比

（1）相控陣檢測(cè)。第一，PA探頭參數(shù)。在測(cè)試分析的時(shí)候探頭牽扯到了32個(gè)晶片，一次激發(fā)16個(gè)晶片，耦合補(bǔ)償6dB。第二，檢測(cè)靈敏度的參數(shù)。測(cè)試基準(zhǔn)靈敏度一般直徑為3mm的橫通孔。對(duì)三塊自然缺陷開(kāi)展模擬試驗(yàn)快分析，最終發(fā)現(xiàn)三個(gè)試驗(yàn)快中有九個(gè)缺陷被完全檢測(cè)出來(lái)。（2）射線檢測(cè)。使用SITE3605射線機(jī)進(jìn)行射線檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)的管電壓是340 kV，每分鐘的曝光量為15mA[6]。

4.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)

模擬試驗(yàn)所包含的信息有氣孔、裂紋、未熔合、未焊透、條渣、層間未熔合6個(gè)常見(jiàn)的缺陷。對(duì)待這些缺陷，在具體實(shí)施操作的時(shí)候使用超聲成像檢測(cè)技術(shù)形式會(huì)達(dá)到精準(zhǔn)化的檢測(cè)效果，超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的效率要比射線檢測(cè)缺陷所達(dá)到的結(jié)果理想。有至少6個(gè)危險(xiǎn)性缺陷沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)。伴隨鋼板厚度的增加，射線缺陷的檢出率會(huì)在以往的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低，最終檢出率會(huì)降低到50%左右。52mm厚度試驗(yàn)快上的射線檢出率為78%。由此可以充分證明了，射線缺陷檢出率數(shù)值大小會(huì)和板材的厚度呈現(xiàn)出一種反比的關(guān)系，且在具體實(shí)施操作的時(shí)候，超聲成像檢測(cè)缺陷的檢出率不會(huì)受到板塊自身厚度干擾的影響，其獨(dú)特的成像方式有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)意義上常規(guī)超聲檢測(cè)存在的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)以上實(shí)際缺陷位置的不同檢測(cè)方法應(yīng)用比對(duì)分析我們發(fā)現(xiàn)，射線檢測(cè)技術(shù)在厚板對(duì)接焊縫檢測(cè)中存在一定的缺陷，導(dǎo)致厚板缺陷檢測(cè)率低下，不僅如此，在厚板厚度增加的情況下，對(duì)厚板的面積型缺陷檢出率也在不斷變差。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展支持下，人們提出了超聲檢測(cè)的主張，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，超聲檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)了從脈沖反射法常規(guī)檢測(cè)到可記錄成像檢測(cè)的轉(zhuǎn)變，彌補(bǔ)了以往常規(guī)超聲檢測(cè)的不足。

參考文獻(xiàn)

[1] 王景人，支澤林，靳超.小徑管焊縫X射線數(shù)字成像檢測(cè)與相控陣成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)比[J].無(wú)損檢測(cè)，2018，40（4）：30-35，40.

[2] 李新蕾，鄒偉光，莫永興，等.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)比研究[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2018，5（2）：102-105.

[3]黃旭.鋼結(jié)構(gòu)橋梁焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探討[J].江西建材，2021（12）：65-67.

[4] 李守彬，夏中杰，孔晨光，等.相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在核電廠不等厚對(duì)接環(huán)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用[J].壓力容器，2020，37（10）：64-69.

[5]唐亮，張進(jìn)，鄧小云.核電廠BOSS焊縫的相控陣超聲檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè)，2019，41（6）：46-50.

[6]湯建幫，康志平，余哲，等.核電廠BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè)，2018，40（10）：29-33.