相控陣超聲技術(shù)在長輸管道檢測中的應(yīng)用

周 哲

(洛陽欣隆工程檢測有限公司 ， 河南 洛陽 471012)

相控陣超聲檢測技術(shù)(PAUT)的基本思想是來自雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。由許多輻射單元排成陣列組成相控陣?yán)走_(dá)，相控陣?yán)走_(dá)通過陣列天線控制各單元的幅度和相位，調(diào)整電磁波的輻射方向，在一定空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達(dá)波束。20世紀(jì)20年代就開始了關(guān)于超聲成像的研究，但是由于當(dāng)時技術(shù)比較落后，發(fā)展比較緩慢。最近幾年來，由于計算機(jī)模擬、軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)處理分析、納秒級脈沖信號控制、壓電復(fù)合材料等多種高新技術(shù)的發(fā)展，綜合應(yīng)用在相控陣超聲成像領(lǐng)域中，相控陣超聲檢測技術(shù)得以快速的發(fā)展。目前已在長輸管道、石油化工、核工業(yè)、航空工業(yè)無損檢測等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

1 PAUT概念及工作原理

相控陣超聲檢測是有許多個很小的壓電晶片組成的，多個晶片(例如：16、32、64、128個)組裝在一個探頭殼體內(nèi)來產(chǎn)生和接收超聲波束。用電子方法控制壓電晶片各陣列激反脈沖的相位，檢測中產(chǎn)生的超聲場相互干涉疊加，從而得到預(yù)先設(shè)定的波束人射角度和焦點位置，形成可控的超聲輻射場形狀。因此，相控陣超聲檢測實質(zhì)上是利用超聲相位可控的換能器陣列來實現(xiàn)的。

相控陣超聲檢測系統(tǒng)采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，對發(fā)射與接收狀態(tài)下的相控波束進(jìn)行精確的相位控制，獲得最佳的波束特性，達(dá)到波束偏轉(zhuǎn)、聚焦等效果，通過機(jī)械掃查與電子掃查相結(jié)合的方式實現(xiàn)成像。

焊接過程中存在的主要缺陷：氣孔、夾渣、未焊透、層間未熔合、根部未熔合、裂紋、燒穿、焊瘤。

2 相控陣超聲檢測技術(shù)特點

①通過電子方法控制聲束聚焦與掃描，提高了檢測速度。②良好的聲束可達(dá)性，可對幾何形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行探查。③通過調(diào)整焦點尺寸、焦區(qū)深度、聲束方向，可使提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能。④掃查結(jié)果可以電子文件格式存儲，且操作靈活、簡便、成本低。⑤通過幾何結(jié)構(gòu)成像技術(shù)可以同步顯示A、B、S、C、D、P、3D圖像。

3 PAUT技術(shù)的優(yōu)點、缺點

3.1 優(yōu)點

①速度快。大管徑的長輸管道整個過程需3～5 min，適用于大管徑管道、工期有特殊要求的工程。②檢出率較高。相控陣超聲波檢測對線型和面積型的缺陷較敏感，檢出率較高。③缺陷定位準(zhǔn)，靈敏度高，結(jié)果直觀。相控陣超聲波檢測圖譜能夠?qū)缚p進(jìn)行模擬，在A圖上測量缺陷深度及水平距離、在B圖上測量缺陷自身高度、在C圖上測量缺陷長度。④全自動焊接技術(shù)目前應(yīng)用越來越廣泛，在長輸管道中應(yīng)用越來越廣泛，全自動焊易產(chǎn)生未熔合，射線對面積性缺陷不敏感容易漏檢，但在相控陣超聲波檢測可以準(zhǔn)確地檢測出缺陷位置。⑤適合厚壁管道，可檢測覆蓋上下表面的盲區(qū)。⑥安全、便捷。X射線機(jī)不易攜帶、設(shè)備重不易攜帶。PAUT設(shè)備便于攜帶，工作強(qiáng)度小，施工對人體無輻射、無污物。⑦對檢測結(jié)果能夠完整保存，能使用多種視圖進(jìn)行成像顯示、檢測結(jié)果受人為因素影響小等諸多特點。

3.2 缺點

①薄壁工件檢測困難。②需要對探頭掃查面進(jìn)行打磨處理，增加了工作量。③根部缺陷太過靈敏。④受溫度影響大。⑤設(shè)備價格貴、設(shè)備復(fù)雜、施工過程中需要人員多。⑥我國還未制定出適用的承壓設(shè)備焊接接頭PAUT標(biāo)準(zhǔn)。

4 PAUT在長輸管道上的應(yīng)用

4.1 PAUT檢測操作要求

①檢測區(qū)域?qū)挾葓?zhí)行SY/T 4109—2013 6.8.6的規(guī)定，應(yīng)為焊縫本身與焊縫兩側(cè)≥5 mm的熱影響區(qū)。②檢測單位應(yīng)采用現(xiàn)場管材，自行設(shè)計、制作PAUT對比試塊，在檢測工作開始前應(yīng)通過比對試塊調(diào)試設(shè)備系統(tǒng)。③缺欠自身高度的測量，與TOFD圖譜進(jìn)行對比，并優(yōu)先采用TOFD檢測結(jié)果。TOFD檢測盲區(qū)所存在的缺欠，應(yīng)以PAUT檢測為準(zhǔn)，并應(yīng)進(jìn)行比對驗證。④PAUT檢測發(fā)現(xiàn)的難以評定缺欠(陷)，應(yīng)采用UT進(jìn)行對比檢測。

4.2 缺欠(陷)評定

①某長輸管道項目在檢測中發(fā)現(xiàn)50%以上根部3 mm以內(nèi)的缺陷，在焊縫RT探傷合格的焊口中，PAUT檢測顯示缺陷，但部分顯示的缺陷為國家標(biāo)準(zhǔn)允許的錯邊引起的偽缺陷。在GB50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》第10.2條中規(guī)定組對錯邊允許不大于鋼管厚度的1/8，且連續(xù)50 mm范圍內(nèi)局部最大不應(yīng)>3 mm。在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的錯邊范圍內(nèi)，由錯邊引起的PAUT復(fù)測顯示缺陷為偽缺陷。②結(jié)合現(xiàn)場開挖情況，根部3 mm以內(nèi)(含RT檢測沒有發(fā)現(xiàn)或評定為合格)的未熔合、未焊透，視為表面缺欠。③按照SY/T4109—2013標(biāo)準(zhǔn)釋義， PAUT檢測到的根部未焊透缺欠，其自身高度測量≥10%T，且≥1.5 mm時評定為Ⅳ級。

4.3 射線檢測(RT)與相控陣檢測(PAUT)檢測結(jié)果不一致問題的處理

①同一焊口檢測，RT檢測未發(fā)現(xiàn)缺欠，PAUT檢測有缺欠顯示，檢測結(jié)果以PAUT為準(zhǔn)，特別是根部未熔合。②RT檢測與PAUT檢測均有缺欠顯示的同一缺欠，RT檢測已經(jīng)確認(rèn)為氣孔、夾雜等體積型缺欠時，PAUT檢測結(jié)果評定可結(jié)合射線檢測結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

4.4 其他

對于PAUT檢測發(fā)現(xiàn)的可疑缺欠，無損檢測監(jiān)理應(yīng)會同無損檢測人員和施工單位人員進(jìn)行缺欠驗證，記錄缺欠位置、類型和尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

相控陣超聲檢測技術(shù)具有缺陷檢出率高，缺陷定量準(zhǔn)確，工藝設(shè)計和實現(xiàn)方式靈活，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集實施快捷，完整保存原始數(shù)據(jù)并使用多種視圖進(jìn)行成像顯示，檢測結(jié)果受人為因素影響小等諸多特點，是沒有電離輻射和化學(xué)污染的綠色環(huán)保技術(shù)，這也是未來的一個發(fā)展趨勢。