超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在螺旋焊管生產(chǎn)中的應(yīng)用*

劉 洋，馬佼佼，王樹(shù)祥，趙立華，趙 偉，朱 賀

（1.遼陽(yáng)石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，西安 710048）

0 前 言

超聲相控陣技術(shù)是一種基于超聲原理的成像檢測(cè)技術(shù)，始于20 世紀(jì)60 年代，來(lái)源于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近幾年，隨著電子技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，超聲相控陣自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)也得到了較快進(jìn)步，并已逐步應(yīng)用于鋼管制造領(lǐng)域。超聲相控陣自動(dòng)探傷系統(tǒng)在直縫鋼管、HFW 鋼管探傷中得到了廣泛使用，并取得了良好效果[1-3]，但在螺旋焊管自動(dòng)探傷中剛剛起步，鑒于該焊縫檢測(cè)區(qū)域表面為螺旋線曲率，要保證探頭與鋼管表面的充分耦合，其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于直縫鋼管要復(fù)雜很多，尤其是針對(duì)小管徑螺旋焊接鋼管。為了證實(shí)超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在螺旋焊管焊縫檢測(cè)中的可靠性，本研究以WUT-2438型超聲相控陣自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)為例，對(duì)其在螺旋焊管探傷檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為螺旋埋弧焊管生產(chǎn)檢測(cè)提供參考。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

相控陣技術(shù)是通過(guò)激發(fā)電脈沖，使探頭微型陣元產(chǎn)生多束超聲波束，建立聚焦法則，控制每個(gè)陣列單元的發(fā)射與接收時(shí)間來(lái)控制波束角度、聚焦深度等，從而實(shí)現(xiàn)工件的快速掃描，以達(dá)到檢測(cè)目的[4-7]。超聲相控陣自動(dòng)探傷系統(tǒng)是由1組相控陣探頭代替了常規(guī)自動(dòng)超聲探傷系統(tǒng)的2組探頭，探架數(shù)量變少，所以機(jī)械性能更穩(wěn)定；由于相控陣探頭聲束是由多個(gè)晶片發(fā)射的，不僅可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)聚焦，而且能從多角度發(fā)射，缺陷探傷準(zhǔn)確率更高。

1.1 試驗(yàn)材料及檢測(cè)參數(shù)

試驗(yàn)檢測(cè)用樣管為Φ406 mm×6.4 mm 和Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋埋弧焊管，檢測(cè)速度為10 m/min。

1.2 參考反射體制作

依據(jù)API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》（第46版）[8]及GB/T 9711—2017[9]的要求，對(duì)樣管進(jìn)行取樣。在鋼管內(nèi)表面焊縫、外表面焊縫及熱影響區(qū)處制作參考反射體，除此之外，為了驗(yàn)證檢測(cè)能力，另外各增加一組內(nèi)外表面焊縫縱向中心刻槽，如圖1 所示。圖1 中，a、b 分別代表焊縫邊緣熱影響區(qū)部位的深度為t/2 的Φ6 mm 平底孔，c、d 分別代表內(nèi)表面焊縫邊緣N5 刻槽，e、i分別代表焊縫中心部位縱向內(nèi)、外N5刻槽，g、h分別代表外表面焊縫邊緣N5刻槽，f為焊縫中心Φ1.6 mm 通孔（其中：t為鋼管壁厚，N5 表示刻槽深度為鋼管壁厚的5%）。

圖1 樣管參考反射體示意圖

1.3 探頭排布

按照樣管參考反射體進(jìn)行探頭排布，具體位置如圖2 所示。布置2 組相控陣探頭（圖2中相控陣探頭1 和相控陣探頭2），聲束方向垂直焊縫，平行于焊縫方向移動(dòng)，用來(lái)檢測(cè)焊縫縱向缺陷；布置常規(guī)A 超探頭2 組（圖2 中1-1、1-2 和2-1、2-2），為斜探頭，進(jìn)行K 型排布，分別采用一發(fā)一收方式檢測(cè)焊縫橫向缺陷；布置雙晶直探頭2 組（圖2 中直探頭1和直探頭2），檢測(cè)焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)母材分層缺陷[10-13]。

圖2 探頭排布示意圖

采用單面雙側(cè)方式，一（奇）次波檢測(cè)焊縫下半部分缺陷，對(duì)應(yīng)樣管參考反射體為內(nèi)中槽、內(nèi)邊槽、Φ1.6 mm 通孔（下半部）；二（偶）次波檢測(cè)焊縫上半部分缺陷，對(duì)應(yīng)樣管參考反射體為外中槽、外邊槽、Φ1.6 mm 通孔（上半部），具體探頭對(duì)應(yīng)的參考反射體見(jiàn)表1。

表1 探頭對(duì)應(yīng)參考反射體檢測(cè)對(duì)照表

1.4 聲束覆蓋

1.4.1 焊縫參數(shù)

在螺旋焊管中，焊縫為雙面焊，焊縫尺寸如圖3所示。在進(jìn)行相控陣自動(dòng)探傷進(jìn)行聲速覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以實(shí)際鋼管焊縫厚度進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，超聲相控陣自動(dòng)探傷系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 超聲相控陣自動(dòng)探傷參數(shù)設(shè)置

圖3 焊縫尺寸示意圖

1.4.2 相控陣探頭及楔塊選擇

根據(jù)NB/T 47013 標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合被檢工件壁厚實(shí)際情況，選擇16 或32 陣元探頭和對(duì)應(yīng)的楔塊，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 相控陣探頭及楔塊參數(shù)

對(duì)于Φ406 mm 等較大曲率鋼管，檢測(cè)時(shí)要對(duì)相控陣探頭楔塊表面進(jìn)行研磨，以保證其耦合效果。通過(guò)對(duì)焊縫形貌、相控陣探頭及楔塊參數(shù)的設(shè)置，為確保聲束覆蓋范圍，利用相控陣檢測(cè)儀的軟件模擬焊縫檢測(cè)聲線，仿真結(jié)果如圖4 所示。通過(guò)圖4 可以看出，檢測(cè)過(guò)程中超聲波聲束能實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫被檢區(qū)域的全部覆蓋。根據(jù)仿真圖，對(duì)應(yīng)的樣管參考反射體聲束覆蓋如圖5 所示。

圖4 焊縫聲線仿真圖

圖5 樣管參考反射體聲束覆蓋示意圖

2 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)兩種規(guī)格樣管進(jìn)行超聲波相控陣自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)速度設(shè)置為10 m/min，檢測(cè)記錄A型及C 型顯示如圖6 所示（以Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋鋼管為例）。檢測(cè)結(jié)果顯示，樣管中的人工反射體均能被檢出，檢出率100%，誤報(bào)率0%。

圖6 樣管檢測(cè)顯示記錄

對(duì)以上鋼管分別進(jìn)行X 射線檢測(cè)和超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果顯示，超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)X 射線檢測(cè)缺陷/缺欠均能有效檢出，尤其對(duì)焊縫中的裂紋、未焊透、未熔合等缺陷反射信號(hào)比較強(qiáng)烈，在各缺陷/缺欠反射信號(hào)波幅最高處，其位置所對(duì)應(yīng)的主聲束角度為41°～70°。由此可見(jiàn)，相對(duì)于常規(guī)超聲固定探頭角度模式的檢測(cè)方式，超聲相控陣檢測(cè)覆蓋范圍更廣，檢測(cè)靈敏度更高。除此之外，在超聲波相控陣系統(tǒng)檢測(cè)17.5 mm 厚壁鋼管過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)有其他缺陷信號(hào)（X 射線檢測(cè)時(shí)未發(fā)現(xiàn)），后經(jīng)手動(dòng)超聲波復(fù)查，確認(rèn)為缺陷。事實(shí)證實(shí)，超聲相控陣檢測(cè)相對(duì)于常規(guī)超聲檢測(cè)和厚壁管的X 射線檢測(cè)，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表4 鋼管焊縫檢測(cè)結(jié)果

綜上所述，通過(guò)合理設(shè)置參數(shù)并根據(jù)設(shè)備獨(dú)特聲線進(jìn)行仿真建模，同時(shí)采用精確的焊縫跟蹤系統(tǒng)和穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋埋弧焊管超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度更高。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)探頭和楔塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采用一次波掃查覆蓋內(nèi)中槽、內(nèi)邊槽、Φ1.6 mm通孔（下半部），二次波掃查覆蓋外中槽、外邊槽、Φ1.6 mm 通孔（上半部），超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫區(qū)域的全部覆蓋。

（2）通過(guò)對(duì)帶有缺陷的樣管進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)和X射線檢測(cè)對(duì)比，超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)不僅檢測(cè)靈敏度較高，而且檢出效果較好。

（3）通過(guò)對(duì)不同壁厚的樣管進(jìn)行檢測(cè)，探傷速度設(shè)定為10 m/min，樣管上人工缺陷能全部檢出，使缺陷檢出率及重復(fù)性得到有效驗(yàn)證。