管座角焊縫相控陣超聲檢測工藝研究

顧祁超

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

0 概 述

管座角焊縫是承壓設備上常見結構，由于其結構和受力情況復雜，易在焊接過程中產(chǎn)生夾渣、未熔合、未焊透等缺陷，造成應力集中并在運行階段產(chǎn)生疲勞裂紋，所以在制造階段和在役檢查階段對焊縫表面和內(nèi)部的缺陷進行有效檢出對設備安全高效運行至關重要。管座角焊縫分為插入式和安放式兩類，其中插入式管座角焊縫在各類熱交換器設備中應用廣泛，高壓加熱器上水室球型封頭和進出水管角焊縫、殼體與蒸汽接管角焊縫是典型的插入式管座角焊縫。

由于射線檢測受到插入式管座角焊縫的幾何結構和現(xiàn)場工況限制，不利于坡口未熔合和裂紋的檢出，目前插入式管座角焊縫的體積性檢測主要以超聲檢測為主。管座角焊縫的手工超聲檢測中結構回波和變形波的辨別和缺陷定位的修正要求檢測人員具備極高的技能水平，同時由于結構原因限制了超聲有效檢測范圍，導致缺陷檢出率無法得到保障，對缺陷的定位誤差還可能導致額外的返修。

相控陣超聲檢測相比傳統(tǒng)手工超聲具有圖像可視化的優(yōu)勢，相比手工超聲檢測結果更加直觀，且自動化程度高，可提高缺陷檢出率。管座角焊縫相控陣掃查過程中，由于檢測面存在曲率，聲束入射點和實際入射角度不斷變化，而目前多數(shù)相控陣設備僅支持平板對接焊縫等簡單結構的預設建模，對超聲聲束的實際覆蓋范圍不具備代表性，且無法實時地根據(jù)探頭所在位置對圖像或聲束進行修正，因此仍有可能導致缺陷漏檢、錯檢和定位誤差。

本文在優(yōu)化了管座角焊縫的結構建模方法基礎上，根據(jù)聲場仿真和模擬試塊檢測結果，進行了相控陣檢測工藝的改進，提高了管座角焊縫的檢測可靠性。

1 管座角焊縫的圖形修正

以換熱器球型封頭與出水管角焊縫為例，考慮到在役檢查時相控陣探頭可達性因素，僅在封頭外表面對焊縫進行單面單側的縱向垂直掃查。探頭繞接管做周向運動過程中，探頭于焊縫相對位置是不變的，此時僅需要考慮不同探頭前端距下，探頭與焊縫的相對位置及建模情況。

由于檢測面為曲面，隨著探頭前端距即探頭前沿至接管外壁距離增加，聲束入射點隨球面輪廓移動，同時探頭傾斜角度增加。以聲束出射點為圓心將焊縫旋轉至一定探頭前端距下，對應的探頭傾斜角度即可得到一次波檢測修正后的圖像建模，探頭前端距L1與探頭傾斜角β關系可表示為β=sin-1((D+L1)/R) (其中D為接管外半徑，R為檢測面外半徑)。

二次波經(jīng)封頭內(nèi)表面反射后，由于每個角度的聲束的反射面為曲面上不同點的切面，反射后的聲束角度與入射角度存在差異，使得實際二次波的焊縫與一次波存在差異。取多個角度聲束二次波與焊縫熱影響區(qū)的焦點沿反射面鏡像翻折，連接各點得到實際焊縫二次波焊縫輪廓如圖1所示。為簡化建模過程，可將一次波焊縫輪廓沿接管側熱影響區(qū)邊界相交的聲束反射面鏡像翻折，與實際二次波輪廓基本重合。

圖1 二次波焊縫圖形

球形封頭與接管角焊縫的檢測可視為殼體與接管直插式管座角焊縫在90°位置的特例， 0°位置可視為平板與接管焊縫，在0°～90°范圍內(nèi)檢測面類似橢圓形封頭與接管焊縫的檢測情況。

圖2 步進角度為α°時等效檢測面示意圖

2 相控陣檢測工藝

為覆蓋焊縫上表面檢測區(qū)域，探頭前端距和扇掃角度范圍的選擇需考慮二次波對上表面的覆蓋情況，此時扇掃小角度二次波聲束與上表面交點應在熱影響區(qū)右側。0°和90°位置聲束覆蓋情況由于曲率存在差異。某換熱器殼體規(guī)格為?2 000×100 mm，接管規(guī)格為?360×30 mm，外表面焊縫寬度30 mm，此時采用35°～70°扇掃，步進角度0°位置，聲束出射點應距接管175 mm。90°位置處，經(jīng)凸面反射的二次波反射角θ’與一次波出射角θ不同，兩者可通過余弦定理換算，由于底面反射角θ'為一次波出射角θ和半圓心角γ之和，底面反射角θ'必然大于一次波出射角θ，此時為覆蓋上表面被檢區(qū)域，聲束出射點應距接管188 mm，圖3為90°位置聲束出射點分別為175 mm和188 mm的聲束覆蓋情況，其中前者在焊縫上表面近探頭側區(qū)域聲束覆蓋不足。所以為兼顧掃查效率，初次掃查以90°位置為基準計算探頭前端距為宜。

(a)聲束出射點分別為175 mm

以上案例中聲束出射點為188 mm時，0°處檢測區(qū)域對應的有效檢測角度范圍為37.2°～62.5°，90°處有效檢測角度范圍為35°～54.5°，經(jīng)底面反射后二次波有效檢測角度范圍為39.6°～64.5°。扇掃下偏轉角增加時，90°位置聲束出射點后移，導致0°位置有效檢測角度范圍進一步減小，使角度分辨力降低。由于底面反射波小于33.2°時會產(chǎn)生反射縱波，可能產(chǎn)生偽缺陷信號，檢測時扇掃下偏轉角一般不小于33°。

為滿足檢測區(qū)域的覆蓋要求，扇掃上偏轉角一次波聲束與焊縫下表面交點應在接管熱影響區(qū)左側，實際檢測時可適當增加上偏轉角范圍和掃查時的聲程范圍，得到接管內(nèi)壁和端角結構回波，有利于圖像修正和定位。

3 模擬實驗

設計的模擬試塊為規(guī)格?900×25 mm的筒體與規(guī)格?340×40 mm的接管焊制的直插式管座角焊縫，預制缺陷信息如表1和圖4所示。采用5L32-0.5*10-D2探頭進行35°～70°扇掃檢測，可檢出全部預制缺陷。

表1 模擬試塊預制缺陷信息

(a)平底孔示意圖

缺陷1和缺陷2檢測情況如圖5所示。

(a)缺陷1(0°位置)

對比缺陷1和缺陷2的檢測結果，檢測面為平面時，將回波信號調節(jié)到80%FSH時實際增益為31 dB，而曲率最大處檢測時，同樣將回波信號調節(jié)到80%FSH，此實際增益為37 dB，為得到坡口處平面缺陷相同的靈敏度，二次波和一次波所需靈敏度差異為6 dB，這是曲面反射和實際聲束角度改變的結果，所以實際采用二次波檢測時，需考慮曲面反射的影響，適當提高靈敏度。對二次波發(fā)現(xiàn)的缺陷信號，應通過減小探頭前端距或使用表面波，使用一次波進行當量復核，一次波缺陷當量小于二次波缺陷當量時候可視作非體積型缺陷。如有條件也可采用專用對比試塊法校準二次波TCG曲線。

由于二次波經(jīng)曲面反射時由于底面的透鏡效應，相鄰角度聲束間距變大，即橫向分辨率增加，使得平面檢測時無法區(qū)分的平底孔信號，在曲面檢測時可清晰地區(qū)分信號。同時由于相鄰角度聲束間距離增加，扇掃的角度步進應適當增加，一般設置為0.5°。

0°位置平底孔信號的-6 dB指示長度為8 mm，換算為步進角度為2.13°，90°處平底孔信號的-6 dB指示長度為5 mm，相當于步進角度1.33°，即平面上當入射角度與缺陷主平面傾斜1°時，缺陷波高降低一半，曲面上傾斜0.6°，缺陷波高降低一半。實際檢測時，保證聲束與焊縫垂直，即探頭中心指向接管圓心，有利于裂紋、未熔合等平面缺陷檢出(縱向缺陷一半沿焊縫長度方向延伸)。手工鋸齒形掃查或線形掃查難以保證探頭指向性，采用自動掃查裝置可獲得穩(wěn)定的探頭前端距和指向性。

缺陷3和缺陷4檢測情況如圖6所示。0°和90°位置上表面人工槽均可檢出。此時人工槽所在位置與扇掃中的焊縫模型位置是對應的，但通過指針和波門測量得到結果與實際不符，這與手工超聲檢測該類焊縫時產(chǎn)生定位誤差和缺陷錯判、漏檢的原因是一致的，有必要對缺陷進行定位修正。

(a)缺陷3(180°位置)

一次波缺陷定位修正可參照管道縱縫檢測進行[1]，二次波發(fā)現(xiàn)的缺陷如圖7所示，實際深度h和前沿弧長L可通過余弦定理推導得到公式：

圖7 二次波缺陷定位修正

缺陷3和缺陷4定位定量信息如表2，經(jīng)定位修正后，缺陷4的深度與實際更為接近：

表2 缺陷定量信息

4 現(xiàn)場案例

對某換熱器殼體管座進行相控陣檢測，在焊縫寬度中間位置發(fā)現(xiàn)缺陷，如圖8(a)所示，設備顯示缺陷深度55.7 mm，此時接管內(nèi)壁結構回波信號投影輪廓呈一定角度，表明此時探頭步進角度不為0°，根據(jù)此時掃查長度計算探頭位置，進行相應圖形建模，修正重構后的接管內(nèi)壁輪廓與結構回波吻合，如圖8(b)所示，此時顯示缺陷位于接管側熔合線位置，根據(jù)定位修正公式，實際缺陷深度為48.6 mm，與實際發(fā)現(xiàn)缺陷位置基本一致。

(a)修正前

另一換熱器殼體進行管座焊縫檢測時，在修正重構后的焊縫下表面近探頭側發(fā)現(xiàn)缺陷，接管壁厚80 mm，缺陷距接管外壁40 mm，在焊縫內(nèi)表面進行磁粉檢測，在對應部位發(fā)現(xiàn)表面開口裂紋，如圖9所示。

圖9 管座角焊縫表面裂紋檢測示意圖

5 結 論

依靠對管座角焊縫的圖像修正和模擬實驗，優(yōu)化了探頭前端距、扇掃角度范圍、角度分辨率等工藝參數(shù)，經(jīng)實際產(chǎn)品檢測結果證明，可有效檢出管座角焊縫內(nèi)部缺陷，識別結構反射信號，進行缺陷位置修正提高定位精度，保證了承壓設備的管座角焊縫的焊接質量和設備的安全運行。