輸水鋼管加勁環(huán)半熔透T型焊縫相控陣檢測(cè)

萬(wàn)家瑞，曾建鋒，李兆恒

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2. 廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

1 概述

隨著城市化不斷發(fā)展，城市供水量逐年增加，長(zhǎng)距離輸水工程是解決用水量迅速增加的措施之一，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)距離輸水管道，長(zhǎng)度可達(dá)十幾公里乃至幾十公里[1]。長(zhǎng)距離的輸水管道，采用的材料主要有：預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管及玻璃鋼管[2]。鋼管作為一種應(yīng)用歷史長(zhǎng)、使用范圍廣泛的材料，具有承壓強(qiáng)度高、可靠性好、使用性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在有壓輸水工程項(xiàng)目中大量采用鋼管作為主要的輸水管道材料。

鋼管通常采用螺旋焊接與直縫焊接。焊接質(zhì)量檢測(cè)常規(guī)方法主要有超聲波檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)。針對(duì)輸水鋼管T型焊縫內(nèi)部焊接質(zhì)量一般采用超聲波法進(jìn)行檢測(cè)[3]。

近些年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)T型焊縫的超聲波檢測(cè)開(kāi)展了廣泛的研究。廖忠佐等[4]采用單晶片斜探頭，通過(guò)模擬對(duì)比試件中T型焊縫未焊透深度的試驗(yàn)，提出使用端點(diǎn)法，對(duì)組合焊縫未焊透深度進(jìn)行檢測(cè)。鄧德亮等[5]提出使用直探頭在翼板上或短前沿探頭在腹板上探測(cè)T型焊縫未熔透區(qū)尺寸的方法。劉書(shū)宏和盧超[6]結(jié)合對(duì)稱(chēng)及非對(duì)稱(chēng)TOFD檢測(cè)方法對(duì)T形焊縫檢測(cè)開(kāi)展了試驗(yàn)，結(jié)果表明：TOFD檢測(cè)技術(shù)可對(duì)T形焊縫進(jìn)行全面檢測(cè)。然而，常規(guī)的超聲波(UT)檢測(cè)技術(shù)一般采用單晶探頭，聲束發(fā)射角度單一，并且聲速角度難以連續(xù)變化，易造成缺陷漏檢；TOFD技術(shù)使用的是接收衍射波原理，衍射波信號(hào)的缺陷識(shí)別力較反射波信號(hào)的缺陷識(shí)別率低。相控陣超聲技術(shù)使用的是陣列晶片探頭，探頭尺寸與常規(guī)超聲檢測(cè)探頭尺寸相同，但聲束發(fā)射角度可以調(diào)整為一個(gè)范圍，在檢測(cè)范圍內(nèi)角度是連續(xù)變化的，提高了缺陷檢出率，并且相控陣超聲的檢測(cè)聲像清晰，結(jié)果顯示直觀，定位準(zhǔn)確[7]。

李強(qiáng)等[8]采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)機(jī)車(chē)T型管接頭焊縫進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明相控陣超聲技術(shù)有較高的缺陷檢出率，檢測(cè)效率高。鄧倩[9]、林嘉[10]的研究亦有類(lèi)似的結(jié)果。然而采用相控陣技術(shù)針對(duì)半熔透熔透T型焊縫進(jìn)行檢測(cè)，國(guó)內(nèi)缺乏成熟的理論研究及實(shí)操案例。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了系列研究，在超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)上的研究與應(yīng)用還主要集中在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，工業(yè)和工程上的應(yīng)用還有待于研究與提高。大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為數(shù)字化超聲相控陣檢測(cè)研究創(chuàng)造了良好的條件。在工業(yè)和工程的檢測(cè)中，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)條件，合理選擇探頭及楔塊，合理制定檢測(cè)方案，具有重要意義。

本文立足于珠江三角洲水資源配置工程有壓輸水鋼內(nèi)襯加勁環(huán)，采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)加勁環(huán)的T型焊縫的具體檢測(cè)方法進(jìn)行研究。

2 相控陣檢測(cè)原理及T型焊縫主要缺陷類(lèi)型

2.1 相控陣基本原理

超聲波探頭是將一種通過(guò)壓電材料作為聲能和電能互相轉(zhuǎn)換的電氣元件。而超聲相控陣的探頭通常是由多個(gè)以一定方式排列組合的獨(dú)立壓電晶片組合的電氣元件。在超聲相控陣的探頭中，每個(gè)獨(dú)立的壓電晶片又稱(chēng)為陣元，根據(jù)陣元的排列形式主要分為一維線陣，二維線陣，一維環(huán)陣，二維扇陣[11](如圖1所示)。

圖1 相控陣探頭陣元排列形式分類(lèi)示意

由惠更斯原理可知，若干個(gè)點(diǎn)波源各自發(fā)射相干超聲波的合成超聲波的波陣面。反之亦然，整齊排列的微小換能器(陣元)發(fā)射的相干超聲波能形成特定的波束和波陣面[12]。

工業(yè)相控陣超聲成像技術(shù)采用了全新的發(fā)射與接收超聲波的方法，通過(guò)控制換能器陣列中各陣元的激勵(lì)(或接收)脈沖的時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(dá)(或來(lái)自)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，完成聲成像的技術(shù)，如聲束的偏轉(zhuǎn)是指在不更換楔塊的情況下，改變聲束的偏轉(zhuǎn)角度，而且比傳統(tǒng)超聲有著更加大的檢測(cè)范圍。聲束的聚焦是指在不通過(guò)機(jī)械的聚焦方式的情況下，實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦，提高聲束的能量，即提高聲束的檢測(cè)靈敏度[13-15]。

如圖2所示，當(dāng)激勵(lì)陣元的高壓脈沖信號(hào)的延時(shí)呈線性分布時(shí)，聲束發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)激勵(lì)陣元的高壓脈沖信號(hào)的延時(shí)呈一定曲率分布時(shí)，聲束發(fā)生聚焦或者偏轉(zhuǎn)聚焦。

圖2 聚焦及偏轉(zhuǎn)聲束形成示意

2.2 T型半熔透焊縫特點(diǎn)

如圖3所示，管壁和加勁環(huán)通過(guò)焊接形成了T型接頭，根據(jù)焊接方式的不同，可以分為焊條焊、氣體保護(hù)焊和埋弧焊。由于半熔透T型焊縫的加勁環(huán)不開(kāi)坡口直接進(jìn)行焊接，因此在T型焊縫中將會(huì)出現(xiàn)一定的未熔透的區(qū)域。在進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，未熔透區(qū)域反射的超聲回波往往會(huì)與其他缺陷回波疊加，影響其他缺陷的檢出率。

圖3 未熔透型T型焊接接頭示意(單位：mm)

2.3 主要缺陷類(lèi)型

T型焊縫常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型有：裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等。

裂紋：一種對(duì)焊縫危害最大的缺陷，裂紋不僅會(huì)降低焊接位置的承載能力，還會(huì)因裂紋末端的尖銳引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋的深度和長(zhǎng)度變大，最終導(dǎo)致焊縫結(jié)構(gòu)的破壞，甚至造成嚴(yán)重的事故。

未熔合：在焊接時(shí)，由于焊接電流過(guò)小，焊接速度太快、焊接角度不當(dāng)、坡口未清理干凈而導(dǎo)致的焊道和母材之間或者焊道與焊道之間未完全熔化的缺陷稱(chēng)為未熔合。該種缺陷一般還伴隨焊縫夾渣，也是一種極為危險(xiǎn)的缺陷形式。

氣孔：在焊接時(shí)，由于空氣的濕度過(guò)大、焊條未烘干、保護(hù)氣體純度或氣壓不夠?qū)е潞附咏饘倥c外界的侵入氣體在焊縫金屬凝固之前殘留在焊縫內(nèi)部所形成的孔洞。氣孔的存在破壞了焊縫的致密性，減少了有效截面，降低了接頭的機(jī)械強(qiáng)度。但是由于氣孔邊緣較為圓滑，不會(huì)引起應(yīng)力集中，因此不屬于危險(xiǎn)型缺陷，在規(guī)范規(guī)定的情況下允許有一定氣孔存在。

夾渣：焊條在熔化時(shí)候產(chǎn)生的氧化皮或者焊接過(guò)程中生成的氧化物、硫化物等雜質(zhì)形成的熔渣，在熔池金屬未凝固殘留在焊縫內(nèi)部形成的不規(guī)則形狀缺陷稱(chēng)為夾渣，與氣孔類(lèi)似，夾渣不屬于危險(xiǎn)型缺陷。

3 T型焊縫檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

3.1 焊縫檢測(cè)方案設(shè)計(jì)原則

為了達(dá)到最好的檢測(cè)效果，在對(duì)T型焊縫檢測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮以超聲波束軸線盡可能與可能存在的缺陷延伸面垂直，才能獲得最佳的反射條件。其次應(yīng)考慮超聲波束能通過(guò)掃查面完全覆蓋檢測(cè)區(qū)域。再次應(yīng)考慮盡可能提高檢測(cè)效率。

3.2 T型焊縫參數(shù)

每節(jié)鋼管長(zhǎng)為12 m，鋼管外壁設(shè)6個(gè)加勁環(huán)，環(huán)高為0.12 m，環(huán)寬為28 mm，每個(gè)環(huán)之間為2.2 m。輸水管加勁環(huán)具體尺寸如圖3所示，管壁厚度t為26 mm，翼板厚度為28 mm，翼緣板高度為120 mm，坡腳高度為12 mm，坡口類(lèi)型為I型坡口，焊縫類(lèi)型為雙面角焊縫的組合焊縫，管壁、加勁環(huán)及焊縫的材質(zhì)均為鋼[16]。

3.3 相控陣探頭選擇

針對(duì)T型焊縫的材質(zhì)與尺寸，采用廣東多普勒公司生產(chǎn)的5L128-0.6×10-B57-U-110-2.0-P1型相控陣探頭，探頭激發(fā)頻率為5 MHz，單個(gè)探頭中有128個(gè)線性陣元，單個(gè)陣元寬度e為0.2 mm、相鄰陣元中心距為0.6 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，探頭等效孔徑長(zhǎng)度為76.4 mm。楔塊采用廣東多浦樂(lè)公司生產(chǎn)的SB57-N0L-IHC-AOD 50型楔塊，機(jī)油作為耦合劑，采用直接接觸式方法在管壁內(nèi)側(cè)檢測(cè)。

計(jì)算該探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度為：

=123.7 mm。

已知焊腳距離管壁內(nèi)側(cè)位置為38 mm，而最有可能出現(xiàn)缺陷的部位為焊縫的焊腳處。因此，聚焦點(diǎn)應(yīng)設(shè)置為38 mm左右。由于聚焦點(diǎn)小于進(jìn)場(chǎng)范圍內(nèi)，由此可知該探頭可以獲得較好的聚焦效果。探頭等效孔徑長(zhǎng)度為76.4 mm，大于焊縫掃查面12×2+28=52 mm，完全覆蓋檢測(cè)區(qū)域，滿(mǎn)足檢測(cè)需求。

3.4 掃查方式選擇

以T型焊縫的橫截面作為掃查面，并將焊道方向定義為索引方向。聲束偏轉(zhuǎn)角為0°，為了獲得更好的檢測(cè)效果，應(yīng)將聲束的聚焦點(diǎn)設(shè)置在焊縫根部位置，即距離探頭38 mm處，將相控陣探頭置于加勁環(huán)對(duì)應(yīng)的管壁內(nèi)側(cè)，再沿焊道方向移動(dòng)探頭，探頭具體放置位置見(jiàn)圖4。

圖4 加勁環(huán)截面檢測(cè)示意

4 鋼管加勁環(huán)焊縫實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

使用0°超聲波相控陣探頭在輸水鋼管管壁內(nèi)側(cè)上進(jìn)行檢測(cè)，探頭從自設(shè)的焊縫起點(diǎn)沿焊道延伸方向移動(dòng)獲得掃描后的A、B、C掃圖(如圖5所示)。

圖5 鋼管加勁環(huán)T型焊縫相控陣實(shí)測(cè)示意

通過(guò)C掃圖，可以先確定缺陷大致位置。再結(jié)合A、B掃圖，根據(jù)6dB法則就可以計(jì)算缺陷大致長(zhǎng)度。

由C掃圖顯示，在距起點(diǎn)位置170.0 mm左右出現(xiàn)1#缺陷，1#缺陷為條狀缺陷，位于焊縫右側(cè)焊腳處。在缺陷位置移動(dòng)相控陣探頭，然后觀察A掃圖，根據(jù)6dB法綜合判斷，1#缺陷長(zhǎng)度為18 mm。

繼續(xù)移動(dòng)探頭，距起點(diǎn)位置297.6 mm、321.8 mm及375.7 mm均存在點(diǎn)狀缺陷。將3處位于右側(cè)焊腳處的點(diǎn)狀缺陷命名為2#、3#、4#缺陷。在缺陷位置移動(dòng)相控陣探頭，然后分別觀察A掃圖，并根據(jù)6dB法綜合判斷，2#、3#、4#缺陷的長(zhǎng)度均為2 mm。

根據(jù)讀取A掃中顯示的超聲相控陣探頭接受到缺陷回波所用時(shí)間及鋼中縱波波速，可計(jì)算缺陷距管壁內(nèi)側(cè)面距離，再結(jié)合觀察缺陷A掃圖的波形，根據(jù)典型的缺陷波形特點(diǎn)，可對(duì)缺陷類(lèi)型進(jìn)行估判。

4.1 1#缺陷類(lèi)型判斷

1#缺陷距起點(diǎn)170.0 mm，缺陷長(zhǎng)度為18 mm，通過(guò)計(jì)算該處缺陷距管壁內(nèi)表面36.8 mm，此處為T(mén)型焊縫焊腳處。1#缺陷A型掃描的回波型號(hào)幅度偏低，波幅主峰附近存在多處小峰，呈現(xiàn)出鋸齒形態(tài)。將超聲相控陣探頭沿焊道方向左右移動(dòng)，波幅變動(dòng)劇烈，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭朝向，波幅也有變化，由此可以判斷1#缺陷為夾渣。

4.2 2#缺陷類(lèi)型判斷

2#缺陷距起點(diǎn)297.6 mm，缺陷長(zhǎng)度為2 mm，通過(guò)計(jì)算該處缺陷距管壁內(nèi)表面33.80 mm，此處為T(mén)型焊縫焊腳處。2#缺陷A型掃描的回波型號(hào)回波幅度小、波形穩(wěn)定?；夭ㄖ淮嬖趩蝹€(gè)主峰，將探頭沿焊道方向前后稍稍移動(dòng)或稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)探頭朝向，回波幅度變化劇烈，可見(jiàn)該處缺陷幾乎沒(méi)有延伸長(zhǎng)度，可以判斷2#缺陷為氣泡。

4.3 3#缺陷類(lèi)型判斷

2#缺陷距起點(diǎn)321.8 mm，缺陷長(zhǎng)度為2 mm，通過(guò)計(jì)算該處缺陷距管壁內(nèi)表面37.80 mm，此處為T(mén)型焊縫焊腳處。根據(jù)3#缺陷A型掃描的回波型號(hào)，并通過(guò)觀察對(duì)應(yīng)位置加勁環(huán)處T型焊縫焊腳，發(fā)現(xiàn)此處在焊縫表面存在明顯氣孔，由此可以判斷3#缺陷為表面氣泡。

4.4 4#缺陷類(lèi)型判斷

4#缺陷距起點(diǎn)375.7 mm，缺陷長(zhǎng)度為2 mm，通過(guò)計(jì)算該處缺陷距管壁內(nèi)表面37.50 mm，此處為T(mén)型焊縫焊腳處。根據(jù)4#缺陷A型掃描的回波型號(hào)，并通過(guò)觀察對(duì)應(yīng)位置加勁環(huán)處T型焊縫焊腳，發(fā)現(xiàn)此處在焊縫表面存在咬邊,由此可以判斷4#缺陷為咬邊。

將T型接頭存在缺陷的位置使用氣刨刨開(kāi)，對(duì)比分析各缺陷實(shí)際長(zhǎng)度與檢測(cè)長(zhǎng)度，長(zhǎng)度檢測(cè)誤差為0.2～0.8 mm、深度檢測(cè)誤差為-0.9～0.3 mm，誤差均小于1 mm以?xún)?nèi)，預(yù)判缺陷類(lèi)型與實(shí)際缺陷類(lèi)型基本吻合，檢測(cè)效果良好(如表1所示)。

表1 T型接頭組合焊縫缺陷試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果 mm

5 結(jié)語(yǔ)

1) 針對(duì)有壓輸水鋼內(nèi)襯加勁環(huán)的半熔透T型焊縫的特點(diǎn)和主要缺陷類(lèi)型，本文提出了相控陣超聲波檢測(cè)T型焊縫的檢測(cè)原則和檢測(cè)方案，探討了采用0°直角相控陣探頭針對(duì)有壓輸水鋼內(nèi)襯加勁環(huán)的半熔透T型焊縫缺陷位置的檢測(cè)方法，并根據(jù)6 dB法則對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行估算，檢測(cè)結(jié)果以彩圖形式直觀展現(xiàn)，可以清晰判讀檢測(cè)結(jié)果，效果良好。

2) 在鋼管內(nèi)壁側(cè)使用相控陣直角探頭，采用聚焦于焊縫焊腳處的垂直入射法進(jìn)行檢測(cè)，可有效提高缺陷檢出率，缺陷圖形清晰，缺陷長(zhǎng)度和缺陷深度的誤差均小于1 mm，預(yù)判缺陷類(lèi)型與實(shí)際缺陷類(lèi)型基本吻合，檢測(cè)效果良好。