管道環(huán)焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

蔚道祥*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

目前，天然氣和石油等能源產(chǎn)品需求量快速增加，石油管線建設(shè)處于飛速發(fā)展階段。與鐵路運(yùn)輸相比，管道運(yùn)輸具有安全、經(jīng)濟(jì)、效率高等特點(diǎn)[1]。由于管道在焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷，服役環(huán)境也較為復(fù)雜（如高溫、高壓、腐蝕等），同時(shí)管道往往還要承受沖擊、疲勞等惡劣工況，這會(huì)使管道的使用性能惡化，甚至產(chǎn)生開裂造成事故，因此，對(duì)管道開展無損檢測(cè)是管道建設(shè)和在役使用過程中的重要工序[2-3]，也是管道安全運(yùn)行，避免發(fā)生事故的重要保證。

目前管道環(huán)焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)手段主要為常規(guī)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)，超聲檢測(cè)方法的原理是被檢對(duì)象內(nèi)部組織變化會(huì)對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生影響，采用該方法檢測(cè)時(shí)對(duì)被檢對(duì)象表面清潔度要求較高。對(duì)于曲率半徑較大的管道[4]，常規(guī)超聲檢測(cè)聲束擴(kuò)散嚴(yán)重，缺陷波反射率低，易造成缺陷漏檢情況，因此檢測(cè)結(jié)果可靠性較低。同時(shí)檢測(cè)波形較為復(fù)雜，檢測(cè)結(jié)果不可記錄，對(duì)檢測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)要求較高。射線檢測(cè)方法存在較為明顯的缺點(diǎn)：（1）作業(yè)時(shí)間局限性比較大，一般只能在晚上進(jìn)行檢測(cè)；（2）射線對(duì)于人體有一定程度的傷害，檢測(cè)人員在作業(yè)時(shí)存在一定風(fēng)險(xiǎn)；（3）射線檢測(cè)對(duì)于裝置內(nèi)的一些精密儀器有不利影響；（4）檢測(cè)結(jié)果比較繁瑣，檢測(cè)效率低、成本高、檢測(cè)周期長等。鑒于此，本文提出采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)開展管道環(huán)焊縫檢測(cè)研究。

1 超聲相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)采用脈沖回波技術(shù)將多角度多聲束掃描成像。超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)包括接收和發(fā)射兩部分。該系統(tǒng)使用不同形式的陣列換能器，采用邏輯控制電路控制各個(gè)壓電晶片的激發(fā)時(shí)間，從而按照需求來變換合成的波陣面的曲率半徑、指向性、聚焦孔徑等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)波束的合成、方向偏轉(zhuǎn)及會(huì)聚等控制的目的，檢測(cè)儀上可以顯示實(shí)時(shí)成像，能夠提高分辨率、信噪比和檢測(cè)靈敏度[5-6]。接收同樣可遵循的激發(fā)聚焦法則，由于激發(fā)的超聲波是按照一定的時(shí)間差發(fā)射的，在聲波接收時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，從而達(dá)到相位一致，合成波束，如圖1 所示。

圖1 相控陣系統(tǒng)原理

2 標(biāo)準(zhǔn)試樣

針對(duì)曲率半徑小于200 mm 的管道環(huán)焊縫檢測(cè)，GB/T 32563—2016《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)中并沒有直接給出檢測(cè)工藝的選取方法，只是提出了管徑小于200 mm 時(shí)應(yīng)按照常規(guī)超聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。由于被檢工件曲率半徑小于200 mm時(shí)，探頭和檢測(cè)對(duì)象接觸面耦合度較差，會(huì)大大影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需選取配備曲率楔塊的探頭，對(duì)探頭進(jìn)行較準(zhǔn)時(shí)選用的試樣也需要具備一定曲率。常規(guī)超聲檢測(cè)用的CSK 系列試樣表面是平的，無法滿足曲率探頭較準(zhǔn)要求。試樣的表面曲率和被檢測(cè)工件曲率近似，并且存在不同聲程的反射體的要求，本試驗(yàn)選取“小徑管焊接接頭超聲波檢驗(yàn)專用試樣DL-1”進(jìn)行線性校準(zhǔn)，試樣的具體參數(shù)如表1 所示，校準(zhǔn)時(shí)利用試樣的圓弧面來確定聲速和探頭延遲情況。 DL 試樣尺寸如圖2 所示。

表1 采用的DL-1試樣參數(shù)及適用范圍

圖2 DL試樣（單位：mm）

對(duì)于超聲相控陣儀器需要較準(zhǔn)分辨率和線性，在ASME 2779 標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)規(guī)定，利用B 型試樣對(duì)儀器的水平分辨率、S 掃分辨率、深度分辨率等進(jìn)行較準(zhǔn)，從而保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。B 型試樣如圖3 所示。

圖3 相控陣B型試樣示意圖（單位：mm）

3 儀器設(shè)備

本文采用的儀器為OmniScanMX2 奧林巴斯相控陣超聲探傷儀，該超聲相控陣儀最大可支持32 通道，如圖4 所示。該儀器具有采集速率快、檢測(cè)周期短、可速度設(shè)置、便于創(chuàng)建報(bào)告等特點(diǎn)。該儀器具有以下特點(diǎn)：（1）模塊化平臺(tái)；（2）多組性能；（3）種類齊全的模塊系列；（4）寬大的觸摸屏；（5）雙軸編碼與數(shù)據(jù)歸檔性能。結(jié)合被檢工件實(shí)際尺寸，本次試驗(yàn)探頭選用5.0L32-1.0-10 型自聚焦線陣相控陣探頭，頻率為5 MHz，共32 陣元。為了實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用了奧利巴斯鏈條式掃查器，根據(jù)管徑大小選取相應(yīng)的掃查器，實(shí)現(xiàn)缺陷定位的問題，在實(shí)際檢測(cè)過程中應(yīng)時(shí)刻保持掃查器正常運(yùn)行。

圖4 奧林巴斯超聲相控陣檢測(cè)儀器

4 檢測(cè)試樣

為了驗(yàn)證整套檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，并結(jié)合工業(yè)中常用管道尺寸，加工了 112 mm×12 mm×320 mm和 158 mm×12 mm×300 mm 兩種規(guī)格含自然缺陷試樣，材料為20#鋼，缺陷相關(guān)信息可見表2。

表2 缺陷試樣

5 檢測(cè)結(jié)果

5.1 試樣1檢測(cè)結(jié)果

超聲相控檢測(cè)采用扇形掃查整個(gè)管道環(huán)焊縫，與常規(guī)超聲檢測(cè)不同，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)不需要前后移動(dòng)探頭位置，只需要確定傳感器距離焊縫中心線距離，固定掃查器的位置，然后從0 標(biāo)記位置轉(zhuǎn)動(dòng)掃查器一圈即可完成整個(gè)管道的掃查工作。制定檢測(cè)工藝時(shí)要滿足檢測(cè)靈敏度又要確保聲場(chǎng)覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，可根據(jù)檢測(cè)試樣的厚度來確定探頭的角度掃查范圍，通常扇形掃查角度設(shè)置為35°～75°，在該角度范圍內(nèi)制作曲線（如DAC 或TCG）比較困難時(shí)，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況對(duì)角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。用手動(dòng)方式將探頭與被檢工件進(jìn)行耦合，采用時(shí)基方法，將探頭沿著管道外壁進(jìn)行周向掃描。在掃查過程中需要關(guān)注主要探頭和被檢工件表面的耦合情況，若C掃描視圖中出現(xiàn)斷續(xù)圖像或者其他顯示異常，則需要重新進(jìn)行檢測(cè)，確保信號(hào)耦合良好。

圖5 和圖6 為超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果，其中A 掃描視圖與常規(guī)超聲檢測(cè)相同，可通過幅值判斷缺陷的當(dāng)量大小，S 掃描視圖可以確定缺陷在焊縫中的位置，C 掃描視圖可以確定缺陷長度及其在管道環(huán)向的位置。結(jié)合視圖三種掃描視圖可對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定位分析。超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果還包含B 掃描視圖和D 掃描視圖等，可結(jié)合實(shí)際檢測(cè)需求，在儀器中調(diào)取相應(yīng)的檢測(cè)視圖。在軟件中可直接提取缺陷的相關(guān)參數(shù)，其中A%代表缺陷幅值，DA為缺陷深度，PA為探頭距離焊縫中心線距離，S（m-r）為缺陷長度,S（m）為缺陷終端位置,S（r）為缺陷起始位置,U（m-r）表示缺陷的高度，U（r）為上端點(diǎn)深度。

圖5 試樣1缺陷F1檢測(cè)結(jié)果

圖6 試樣1缺陷F2檢測(cè)結(jié)果

缺陷檢測(cè)尺寸如表3 所示，其中F1 和F2 兩個(gè)缺陷均被檢出，選定缺陷后，可在相控陣儀器中自動(dòng)讀取缺陷的相關(guān)參數(shù)，但需注意的是，S 掃描中的閘門需要選中缺陷，儀器才能讀出缺陷的實(shí)際參數(shù)，否則可能會(huì)導(dǎo)致誤判。F1 缺陷在儀器中讀出位置、長度、深度與實(shí)際值較為接近，結(jié)合A 掃描和S 掃描可大致確定該缺陷的性質(zhì)。

表3 試樣1檢測(cè)結(jié)果

5.2 試樣2檢測(cè)結(jié)果

試樣2 的檢測(cè)結(jié)果如圖7 和圖8 所示，具體尺寸可見表4，F(xiàn)1 和F2 2 個(gè)缺陷在掃查圖像中均被檢出。缺陷的檢測(cè)尺寸與實(shí)際值對(duì)比可知，檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差較小，可滿足實(shí)際檢測(cè)需要。

圖7 試樣2缺陷F1

圖8 試樣2缺陷F2

表4 試樣2檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語

通過對(duì) 112 mm×12 mm×320 mm 和 158 mm×12 mm×300 mm兩種規(guī)格含自然缺陷試樣進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)試驗(yàn)后可知，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)得到的缺陷位置、長度和深度與缺陷實(shí)際情況較為符合。試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道環(huán)焊縫內(nèi)缺陷具有足夠的檢測(cè)靈敏度和分辨力，證明了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具有一定程度的有效性和可靠性。

另外，相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)只需調(diào)整相關(guān)參數(shù)和固定掃查器的相對(duì)位置，將掃查器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，不需要采用鋸齒形掃查，大大提高了檢測(cè)效率，同時(shí)對(duì)于檢測(cè)人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)要求相對(duì)也較低。