先進(jìn)超聲檢測技術(shù)在管道對接焊縫中的應(yīng)用

李 健,任 濤,鄭 健,李 真,張志紅

1.河北中躍檢驗檢測有限公司,河北廊坊 065000

2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項目管理分公司,河北廊坊 065000

長久以來，超聲檢測技術(shù)和射線檢測技術(shù)都是各行各業(yè)最為重要且常用的兩種檢測手段，而超聲檢測技術(shù)則因其無電離輻射的特點，應(yīng)用方式更為靈活，技術(shù)發(fā)展也更加多樣化。從管道對接焊縫的超聲檢測發(fā)展進(jìn)程來看，也充分展現(xiàn)了這一特點，從傳統(tǒng)的常規(guī)超聲檢測開始，到自動焊接技術(shù)引入的全自動超聲檢測（AUT）技術(shù)，再到近年來出現(xiàn)的相控陣超聲檢測（PAUT）技術(shù)和獨立的衍射時差檢測（TOFD）技術(shù)。這些技術(shù)雖同屬超聲檢測技術(shù)，但3項先進(jìn)超聲檢測技術(shù)的特點卻存在較大差異。大量現(xiàn)場檢測應(yīng)用及對比驗證表明這幾種先進(jìn)超聲檢測技術(shù)并不能簡單地相互替代。作為管網(wǎng)建設(shè)的參與者，無論是檢測、監(jiān)理還是管理單位，只有充分了解這幾項先進(jìn)超聲檢測技術(shù)的特點，才能夠針對不同的檢測需求，正確地選擇、使用這些先進(jìn)超聲檢測技術(shù)，從而實現(xiàn)管網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量的有效提升。

1 技術(shù)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 AUT技術(shù)

全自動超聲檢測（AUT）技術(shù)，是由于自動焊接技術(shù)的發(fā)明及推廣應(yīng)用[1]，導(dǎo)致原有的常規(guī)檢測技術(shù)無法滿足其檢測需求，從而得到開發(fā)應(yīng)用的。AUT技術(shù)發(fā)展至今，無論是基于常規(guī)超聲設(shè)備，還是基于相控陣超聲設(shè)備，其核心技術(shù)一直都是采用如圖1所示的分區(qū)掃查法[2]。該法的原理是將焊縫沿壁厚方向分成若干個分區(qū)（2～3 mm）進(jìn)行檢測，焊縫左右分成上下游，每個分區(qū)又可以設(shè)置獨立的超聲檢測工藝，包括發(fā)射接收方式、激活孔徑、角度、聚焦深度等參數(shù)。其特別適合如CRC型及U型等坡口復(fù)雜、坡口角度變化多、填充坡口角度小的自動焊接坡口的檢測。獨立的分區(qū)波束設(shè)置，可根據(jù)坡口角度設(shè)置最理想的檢測工藝參數(shù)，從而得到準(zhǔn)確的缺陷反射波幅，這一點在基于波幅測定長度以及進(jìn)行驗收的超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中尤為重要。

圖1 分區(qū)掃查法示意

在AUT檢測過程中，因其全自動的檢測能力，涉及的設(shè)備、裝置較多，需要配備專用的檢測車，通過定制的軌道，將整個掃查裝置固定在軌道上，從而保證探頭距離焊縫中心線的距離不變，再加上其全自動的檢測過程，不需要任何外力輔助，通過馬達(dá)驅(qū)動單元，設(shè)置合理的檢測速度，保證整個檢測過程的連續(xù)性。因此，AUT檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量穩(wěn)定性在3種先進(jìn)的超聲檢測技術(shù)中最高。此外，AUT采用雙門帶狀圖的數(shù)據(jù)顯示方式，能夠快速分析各分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)果，但因其檢測技術(shù)中包含了體積通道、TOFD通道，整體數(shù)據(jù)分析內(nèi)容較多，結(jié)合其有分區(qū)定義的驗收標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測技術(shù)中適中。

在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，從2002年西氣東輸一線開始，AUT技術(shù)是幾乎所有管網(wǎng)項目自動焊焊縫所采用的檢測技術(shù)，這也印證了其技術(shù)特點對于自動焊焊縫缺陷檢測的適用性。與此同時，通過對其分區(qū)掃查法的分析可以發(fā)現(xiàn)，一旦焊縫進(jìn)行返修，勢必會破壞原坡口，意味著如有新缺陷產(chǎn)生也與原坡口角度無關(guān)，那么AUT針對坡口設(shè)置的分區(qū)波束角度對于返修產(chǎn)生新缺陷的檢測適用性降低，因此針對返修焊縫，通常先使用AUT進(jìn)行復(fù)檢，以確保缺陷得到清除，再使用PAUT檢測確定返修位置無新缺陷產(chǎn)生。

1.2 PAUT技術(shù)

相控陣超聲檢測（PAUT）技術(shù)，利用控制晶片的激發(fā)延遲[3]，使得波束在空間中干涉疊加，從而實現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)、聚焦功能。與AUT一樣，PAUT也是一項可以獨立使用的檢測技術(shù)，對于焊縫檢測，其主要掃描方式包括扇形掃描和線性掃描，扇形掃描的特點是存在多個波束角度，檢測覆蓋面積較大，很容易實現(xiàn)檢測區(qū)域的全覆蓋，并且不需要太多的激活晶片；線性掃描的特點是波束角度一致，但需要大量的晶片才能實現(xiàn)檢測區(qū)域的全覆蓋。圖2對比了同一焊縫扇形掃描和線性掃描的全覆蓋設(shè)置，其中實現(xiàn)扇形掃描僅使用了探頭中的16個晶片，而相同覆蓋范圍時線性掃描使用了探頭全部64個晶片（16個晶片1組）。PAUT參數(shù)的設(shè)置及選擇性較多，其檢測設(shè)置存在多樣性，這也是相控陣超聲檢測特點之一，雖然檢測標(biāo)準(zhǔn)中有對檢測設(shè)置的基本要求，但仍然給予了檢測工藝制定者很大的自由度，比如掃描方式的選擇、波束角度的范圍、聚焦模式的選擇、聚焦深度的設(shè)定等，因此檢測標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了驗證試塊，對檢測工藝的有效性進(jìn)行單獨驗證。

圖2 扇形掃描和線性掃描覆蓋對比/mm

在PAUT檢測過程中，PAUT設(shè)備更為便攜，僅需將探頭楔塊連接到帶有磁性輪的掃查裝置或者導(dǎo)軌上，便可實現(xiàn)半自動檢測。但與AUT檢測相比，無論是磁性輪掃查裝置或是導(dǎo)軌，都需要借助人力推動實現(xiàn)檢測，無法保證檢測全過程的受力一致，容易出現(xiàn)探頭水平位置的變化和耦合狀況的不一致，因此PAUT檢測數(shù)據(jù)的質(zhì)量穩(wěn)定性相對較差。PAUT數(shù)據(jù)可以顯示為A、B、C、D不同截面的二維視圖，支持在數(shù)據(jù)中添加焊縫坡口位置作為參考，由于整個視圖包含的信息及信號較多，數(shù)據(jù)分析時需要利用不同截面的視圖進(jìn)行綜合評定、測量，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測技術(shù)中適中。

在管網(wǎng)現(xiàn)場檢測應(yīng)用中，PAUT雖是一項可獨立使用的檢測技術(shù)，但其常規(guī)的扇形掃描或線性掃描方式、波束角度范圍、聚焦位置設(shè)置相對固定，特別是采用脈沖回波模式，很難在小角度坡口產(chǎn)生的缺陷處得到有效的反射回波，因此不適用于坡口角度變化較多、坡口角度小的CRC或U型坡口自動焊接焊縫的檢測。圖3說明了在脈沖回波模式下，若坡口處產(chǎn)生缺陷會形成波束反射情況，圖中有效接收位置與實際接收位置的差異，便會造成接收到反射波幅值的差異。因其具有便攜及工藝靈活的特點，常被用于檢測返修時是否有新缺陷產(chǎn)生，以及檢測單V型坡口的穿越、連頭等手工焊接焊縫。

圖3 小角度坡口脈沖回波檢測問題/mm

1.3 TOFD技術(shù)

與AUT和PAUT檢測原理不同，衍射時差檢測（TOFD）技術(shù)通過一發(fā)一收的探頭配置，能夠接收缺陷尖端形成的衍射信號，如圖4所示。衍射信號不受缺陷走向性的影響，設(shè)置工藝時無需考慮波束角度問題，適用于任何坡口形式對接焊縫的檢測。TOFD技術(shù)不依據(jù)波幅進(jìn)行缺陷評定，可利用發(fā)散的波束，能夠覆蓋很大的檢測范圍，標(biāo)準(zhǔn)要求壁厚50 mm僅需1組TOFD探頭便可以實現(xiàn)檢測區(qū)域有效的覆蓋，與AUT和PAUT相比，TOFD的檢測設(shè)置最為簡單。但TOFD因始脈沖的周期數(shù)以及時差計算的方式，存在上下表面盲區(qū)，也無法識別缺陷在焊縫中的水平位置，因此TOFD不能單獨用于完成整個焊縫區(qū)域的檢測，需要與其他檢測技術(shù)合并使用。

圖4 反射與衍射的傳播路徑

單獨TOFD功能的設(shè)備非常便攜，在單獨TOFD檢測過程中，因其探頭楔塊體積相對較小，儀器內(nèi)部僅需完成1組波束的發(fā)射接收，允許的檢測速度最快，受工件表面影響最小。TOFD檢測數(shù)據(jù)僅需要A、B視圖顯示，數(shù)據(jù)顯示更加直觀，并且不依賴信號的波幅進(jìn)行測量，僅需進(jìn)行延遲校準(zhǔn)，將時間校正為深度后，便可利用信號的相位變化實現(xiàn)缺陷高度的精確測量。雖然TOFD檢測為了獲得衍射信號，使用的增益較高，對小缺陷也非常敏感，一定程度上增加了數(shù)據(jù)分析的難度，但綜合分析，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測技術(shù)中是最高的。

在管網(wǎng)現(xiàn)場檢測應(yīng)用中，因TOFD存在上下表面盲區(qū)，無法單獨檢測使用；但其具有不受缺陷走向性影響、高度精準(zhǔn)測量等特點，被強(qiáng)制要求作為AUT檢測中的一部分進(jìn)行使用；在PAUT檢測標(biāo)準(zhǔn)中，對于壁厚8 mm及以上且結(jié)構(gòu)允許時，同樣強(qiáng)制要求作為PAUT檢測的輔助檢測手段[4]。

2 對比實驗

2.1 實驗方法與實驗結(jié)果

因TOFD檢測無法單獨使用（因存在上下表面盲區(qū)），且AUT檢測中已包含TOFD技術(shù)，而PAUT檢測標(biāo)準(zhǔn)中也要求8 mm及以上壁厚應(yīng)增加TOFD輔助檢測，因此未對TOFD進(jìn)行對比實驗。為了直觀地體現(xiàn)AUT和PAUT技術(shù)應(yīng)用特點的不同，實驗時利用圖5所示的22 mm的CRC型坡口AUT對比試塊上的根部 （ROOT）、鈍邊 （LCP）、熱焊（HP1&HP2）、填充（F1～F6）、蓋帽（GAP）目標(biāo)反射體，進(jìn)行PAUT檢測實驗。

圖5 AUT對比試塊設(shè)計圖/mm

實驗使用相同探頭及楔塊，參考SY∕T 4109—2020檢測標(biāo)準(zhǔn)，利用仿真軟件，分別設(shè)置PAUT扇形S掃描和PAUT線性E掃描的檢測工藝，見圖6。表1所示的2組檢測工藝參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠獨立使用AUT檢測對比試塊。

圖6 S掃描和E掃描檢測工藝/mm

表1 PAUT扇形掃描和線性掃描參數(shù)設(shè)置

按照上述參數(shù)，在儀器中分別建立S掃描和E掃描設(shè)置文件，并使用相同試塊上?2 mm的橫通孔分別進(jìn)行TCG校準(zhǔn)，校準(zhǔn)深度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的2.2T。兩組設(shè)置校準(zhǔn)完成后，分別增加6 dB表面補(bǔ)償，在掃查裝置上設(shè)置正確的探頭水平偏移值，對AUT對比試塊進(jìn)行檢測，保存檢測數(shù)據(jù)，并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到表2中的對比結(jié)果。為保證數(shù)據(jù)結(jié)果的有效性，S掃描和E掃描分別按照上述步驟進(jìn)行2次校準(zhǔn)及掃查，并分別記錄各反射體的反射波幅。

表2 S掃描與E掃描檢測數(shù)據(jù)對比

2.2 實驗結(jié)果分析

從填充區(qū)目標(biāo)反射體的實驗結(jié)果看，表面的蓋帽槽因形成端角發(fā)射，兩種掃描方式接收到的反射波幅均較高，分別對比兩側(cè)反射體的平均值最高波幅差異，上游蓋帽槽S掃描波幅平均值（658%）比E掃描波幅平均值（187%）高10.9 dB，下游蓋帽槽S掃描波幅平均值（433.5%）比E掃描波幅平均值（147.5%）高9.4 dB，分析原因為S掃描檢測到蓋帽的角度為45°，此時橫波角度未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，其反射率強(qiáng)，而E掃描檢測到蓋帽的角度為60°，該角度反射率較低，實驗結(jié)果驗證了圖8所示的鋼中不同角度橫波的端角反射率；填充6平底孔因貼近上表面，波束實際傳播的串列路徑與發(fā)射路徑相近，近似于形成端角反射，因此能夠很好地接收到反射波幅；其他填充1～填充5平底孔發(fā)射體，無論是PAUT的S掃描還是E掃描都無法發(fā)現(xiàn)填充1區(qū)至填充5區(qū)的平底孔反射體，而平底孔反射體模擬的側(cè)壁未熔合缺陷，正是自動焊中容易出現(xiàn)的缺陷，可見常規(guī)的PAUT檢測設(shè)置無法滿足填充坡口角度較小的CRC型及U型自動焊坡口的檢測要求。

圖7 AUT對比試塊體積通道反射體/mm

圖8 AUT對比試塊體積通道反射體

從體積通道45°平底孔的檢測實驗可以發(fā)現(xiàn)，S掃描和E掃描能夠發(fā)現(xiàn)缺陷，但存在波幅差異。對于如圖7所示體積通道的3個相同角度、不同深度的反射體來說，S掃描因波束角度不同，檢測到3個反射體的波束角度均不一致，因此得到的反射波幅差異相對較大，上游3個體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（142.5%）與最低波幅平均值（58.5%）相差7.7 dB，下游3個體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（103.5%）與最低波幅平均值（51%）相差6.1 dB。從圖5扇形掃描的掃查計劃圖可以發(fā)現(xiàn)，檢測到上方體積通道3的波束角度更接近于45°，因此得到的反射波幅最高；E掃描因波束角度一致，本次實驗設(shè)置為60°，因此得到的反射波幅相對一致性較好，上游3個體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（30%）與最低波幅平均值（22%）相差2.7dB，下游3個體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（27%）與最低波幅平均值（17%）相差4 dB。

通過對比表2中的PAUT扇形掃描和線性掃描的實驗數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩組設(shè)置參數(shù)均滿足SY∕T 4109—2020的標(biāo)準(zhǔn)要求，且使用相同的反射體進(jìn)行了TCG校準(zhǔn)，具有相同的檢測靈敏度，但因兩組設(shè)置使用的超聲角度不同，對于除填充1～填充5外其他檢測到的反射體，也存在反射波幅不一致的情況，實際檢測時便會造成因設(shè)置不同，導(dǎo)致評判結(jié)果的不一致。正因這一超聲原理性問題的存在，在ISO 13588—2019相控陣超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[5]，無論采用何種掃描方式，若使用僅基于波幅作為缺陷評判依據(jù)時，波束角度與垂直坡口入射角度之間不應(yīng)大于6°，如此在保證PAUT檢測工藝靈活性的同時，又保證了檢測結(jié)果評定的一致性。

3 結(jié)束語

通過上述理論分析及實驗驗證可以發(fā)現(xiàn)，3種先進(jìn)無損檢測技術(shù)特點及適用范圍存在差異，AUT檢測技術(shù)能夠適用于所有坡口形式的檢測，雖然原始檢測工藝對于返修焊縫新產(chǎn)生的缺陷不適用，但從實驗結(jié)果來看，因PAUT無法發(fā)現(xiàn)小角度坡口面上的缺陷，對于返修后的焊縫還應(yīng)進(jìn)行AUT復(fù)檢，以確保超標(biāo)缺陷被返修清除；PAUT檢測技術(shù)常規(guī)的扇形掃描或線性掃描不適用于坡口角度較小的CRC型或U型坡口檢測，其線性掃描方式因檢測角度一致，在檢測不同深度、相同走向和大小的缺陷時，得到的反射波幅一致性更好，因此當(dāng)PAUT技術(shù)應(yīng)用于焊縫檢測時，特別是同時使用基于波幅的驗收標(biāo)準(zhǔn)，在滿足波束對檢測區(qū)域全覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)最低要求時，工藝設(shè)計時還應(yīng)關(guān)注波束與坡口所成的角度；TOFD技術(shù)對于存在上下尖端信號的缺陷能夠精準(zhǔn)地測量其自身高度，尤其對于厚壁工件檢測，具有工藝設(shè)置簡單、檢測速度快等特點，但因其存在上下表面盲區(qū)，無法單獨使用。因此，在實際管網(wǎng)建設(shè)項目中，應(yīng)根據(jù)擬被檢測的對象，針對性地選取合理的先進(jìn)超聲檢測技術(shù)，以避免因檢測技術(shù)的不適用而引發(fā)爭議，甚至影響工程質(zhì)量。