壓力管道超聲檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用探討

【摘要】通過分析影響脈沖反射法的相關(guān)因素，選用合適的儀器、探頭、試塊及耦合劑，運(yùn)用脈沖反射法對(duì)壓力管道環(huán)向?qū)雍缚p進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果表明：直射波法或一次反射波法能夠?qū)θ毕莸幕夭ǚ群椭甘鹃L度進(jìn)行定位、定量。根據(jù)超聲檢測(cè)技術(shù)的原理，在對(duì)回波進(jìn)行判斷時(shí)，需要注意并仔細(xì)分析在實(shí)際檢測(cè)過程中產(chǎn)生回波的原因，避免造成誤判。

【關(guān)鍵詞】壓力管道；超聲檢測(cè)；技術(shù)應(yīng)用

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.052

Discussion on Application of Ultrasonic Testing Technology for Pressure Pipeline

XUE Xiaopeng

（China Nuclear Power Station Operation Service Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： By analyzing the main factors affecting the pulse reflection method， the appropriate instrument， probe， test block and coupling agent are selected， and the pulse reflection is used to test the annular butt weld of the pressure pipe. The measurement results show that the direct radiation wave method or the primary reflection wave method can locate and quantify the echo amplitude and the indicated length of the defects. According to the principle of ultrasonic detection technology， when judging the echo， it is necessary to pay attention to and carefully analyze the cause of the echo in the actual detection process to avoid misjudgment.

Key words： pressure pipeline； ultrasonic detection； technology application

壓力管道被廣泛運(yùn)用至化工、船舶、火電廠、核電站等生產(chǎn)領(lǐng)域，由于大部分必須在高溫高壓甚至是處于輻照等極端環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)于壓力管道的原材料加工、焊接工藝、安裝過程、役前及在役檢查等各環(huán)節(jié)均有極為苛刻的要求。無損檢測(cè)技術(shù)是確保生產(chǎn)安全運(yùn)轉(zhuǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)的科學(xué)方式之一。因此在壓力管道各個(gè)成型環(huán)節(jié)中，通過無損檢驗(yàn)中滲透、磁粉、超聲、射線、泄漏等檢驗(yàn)方法利用材料的物理性質(zhì)因缺陷而發(fā)生變化的現(xiàn)象進(jìn)行單獨(dú)檢驗(yàn)互相驗(yàn)證確保產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，基于此，本文就超聲檢測(cè)技術(shù)在壓力管道的應(yīng)用進(jìn)行探討，以便為檢測(cè)工作的開展帶來一些參考與借鑒。

1.1原理

超聲檢測(cè)技術(shù)基于超聲波在材質(zhì)中的傳播特性，及超聲波與材質(zhì)缺陷的相互作用機(jī)制來開展檢測(cè)。理論上，超聲波在無限大均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，實(shí)際上，任何介質(zhì)必然會(huì)有邊界，當(dāng)超聲波在非均勻介質(zhì)中傳遞，或者從一類介質(zhì)傳播到另一類介質(zhì)時(shí)，因?yàn)榻橘|(zhì)的聲阻抗出現(xiàn)了改變，超聲波會(huì)在聲阻抗轉(zhuǎn)變的分界面上形成反射、折射以及透射現(xiàn)象，進(jìn)而來辨別被檢測(cè)物質(zhì)是否存在缺陷[1]。通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷及對(duì)其進(jìn)行評(píng)估的常用信息為：①反射波的幅度；②反射波距離始波的位置。因此需要依靠長時(shí)間的超聲檢測(cè)實(shí)踐與對(duì)材質(zhì)、加工工藝深入認(rèn)知，依靠對(duì)檢測(cè)中察覺的缺陷開展解剖、探析、印證，來豐富工作經(jīng)驗(yàn)，可以從顯示屏中體現(xiàn)的缺陷回波的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)波形，起波速率，回波前沿的陡峭水平以及回波后沿的降低斜度，波峰形狀，回波占寬，移動(dòng)探頭過程中缺陷回波的起伏、位置、數(shù)量與包絡(luò)形狀，多次反射底波的次數(shù)與起伏的降低規(guī)律，底波高度的損失狀況等等，再參考缺陷在被檢查工件中的位置、劃分狀況、缺陷的當(dāng)量規(guī)格、拓展?fàn)顩r，基于實(shí)際的材質(zhì)特性、記憶與超聲波的基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行科學(xué)辨別，達(dá)到較為精準(zhǔn)定位、定量[2]。

1.2影響因素

重要場(chǎng)合的壓力管道一般會(huì)在預(yù)制、安裝及在役階段便會(huì)對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)，焊接接頭會(huì)使壓力管道存在應(yīng)力集中與應(yīng)力腐蝕的問題。因此利用超聲波檢驗(yàn)技術(shù)確保焊接接頭質(zhì)量的同時(shí)，要充分了解影響檢驗(yàn)結(jié)果的主要影響因素，包括：

1）儀器的分辨力、信噪比、脈沖發(fā)射與接收系統(tǒng)、水平線性及垂直線性的校準(zhǔn)等均會(huì)對(duì)缺陷的回波幅度和檢出能力產(chǎn)生較大的影響。

2）探頭性能不佳存在兩個(gè)聲束或者聲束軸線與探頭幾何中心偏差較大導(dǎo)致缺陷定位能力下降，楔塊的磨損同樣會(huì)導(dǎo)致K值減小，從而影響缺陷的定位，同時(shí)探頭的頻率及K值對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果也極為重要。

3）壓力管道的溫度對(duì)聲速的影響、表面粗糙度對(duì)耦合的影響、壓力管道內(nèi)部存在的應(yīng)力對(duì)聲波的傳播速度和方向的影響。

4）壓力管道的材質(zhì)、厚度、焊接結(jié)構(gòu)，會(huì)形成不同的結(jié)構(gòu)波、雜波、變形波從而影響對(duì)缺陷波的判別。

5）缺陷的性質(zhì)和分布狀態(tài)及方向[3]。

2.1試驗(yàn)的儀器、試塊、探頭及耦合劑

儀器采用OLYMPUS-EPOCH 650超聲探傷儀。校準(zhǔn)試塊采用CSK-IA試塊（如圖1），GS-3試塊（如圖2）；探頭1個(gè)，探頭型號(hào)為5Z×6×2.5；標(biāo)準(zhǔn)試管（Φ89×6）1根。

2.2采集過程及結(jié)果

2.2.1儀器校準(zhǔn)

在采用超聲波一次反射波法對(duì)焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，儀器的垂直線性、水平線性對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果影響很大，故依據(jù)JB/T 10061—1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術(shù)條件》內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如表1、表2。

2.2.2儀器參數(shù)、探頭參數(shù)校準(zhǔn)與測(cè)量

儀器單位設(shè)置為mm，頻率5 MHZ，選擇適當(dāng)?shù)哪芰颗c阻尼，利用CSK-IA試塊對(duì)探頭前沿進(jìn)行測(cè)量：探頭前沿為L=6 mm，K=2.51（68.3°）。聲速3283 m/s，并繪制距離-波幅曲線（DAC曲線），如圖3所示?；鶞?zhǔn)靈敏度66.4 dB。

2.2.3檢驗(yàn)實(shí)施

基礎(chǔ)靈敏度提高6 dB作為掃查靈敏度，將探頭放置在試管掃查面上，在焊縫兩端2 KT范圍內(nèi)進(jìn)行掃查，在保持探頭與焊縫中心線垂直的同時(shí)做大致10°至15°的擺動(dòng)；掃查速度不大于150 mm/s，探頭每次移動(dòng)需要保證至少有15%探頭寬度的重疊，避免掃查速度過快導(dǎo)致缺陷的漏檢與誤檢[4]。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的缺陷采用6 dB法對(duì)其缺陷的指示長度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，在找到最大波幅時(shí)，記錄此時(shí)的深度H、滿屏80%的最大增益值及此刻探頭中心的位置，分別向前向后緩慢移動(dòng)探頭，使缺陷波最高波幅降至原來一半時(shí)，此時(shí)探頭中心線的距離為缺陷的指示長度L，并記錄其數(shù)值[5]。在測(cè)量的過程中，還需要結(jié)合回波的實(shí)際參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行分析，避免進(jìn)行誤判。對(duì)焊縫兩端的試驗(yàn)結(jié)果記錄其最大值（見表3）。

通過本次試驗(yàn)表明：

1）由于管徑較小，常規(guī)橫波斜探頭與試管表面接觸面積較小，耦合效果不良，為保證良好的耦合，通常需要選用小探頭或者將有機(jī)玻璃斜楔加工成與管材相吻合的曲面，以改善其耦合性能，提高檢測(cè)靈敏度[6]。對(duì)于管徑較小的壓力管，通常由于壁厚較小，雜波、結(jié)構(gòu)波較多，尤其是不銹鋼材質(zhì)更甚，會(huì)嚴(yán)重影響對(duì)缺陷波的判斷。

2）對(duì)于同一位置的缺陷，需要在焊縫兩側(cè)以相同方式進(jìn)行掃查，由于缺陷的性質(zhì)及方向的特殊性，在一側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)，得到的反射波信號(hào)與另一側(cè)存在較大的差別，在本試驗(yàn)及實(shí)際檢驗(yàn)過程中，通常選取反射波信號(hào)最大的一側(cè)進(jìn)行記錄。

3）在對(duì)缺陷進(jìn)行定位、定量時(shí)，最大幅值達(dá)到9.5 dB，深度誤差達(dá)到18.6%，長度誤差達(dá)到10%。理論和實(shí)際表明，在已知人工缺陷的情況下，仍會(huì)存在結(jié)果誤差，那么在對(duì)在役期間的壓力管道進(jìn)行超聲波檢測(cè)的過程中，現(xiàn)場(chǎng)的工況是否會(huì)

對(duì)超聲波信號(hào)造成影響、位置是否滿足檢驗(yàn)范圍及焊縫表面狀態(tài)是否會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)信號(hào)或者雜波信號(hào)等限制條件下，單憑顯示的波形對(duì)缺陷進(jìn)行定性通常比較困難，誤判的概率也比較高，還需對(duì)顯示的各類特征、焊接工藝、運(yùn)行工況等加以分析，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、尺寸量取、結(jié)構(gòu)分析及互相驗(yàn)證等一系列輔助手法進(jìn)行確定。

4）實(shí)際檢測(cè)過程中，運(yùn)用超聲波技術(shù)對(duì)壓力管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)于各類型缺陷的顯示，通常需要結(jié)合尺寸，以區(qū)分假信號(hào)和變形波。選擇合適的超聲檢測(cè)系統(tǒng)，良好的分辨力、信噪比、探頭頻率、晶片尺寸及合適的探頭聲場(chǎng)，運(yùn)用底波法或者一次反射波法，合理正確地使用校準(zhǔn)試塊，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)一定尺寸的缺陷。

依據(jù)上述，超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)壓力管道的運(yùn)用試驗(yàn)，其在檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)也較為顯著，而隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷進(jìn)步，超聲波檢測(cè)技術(shù)也愈發(fā)成熟、創(chuàng)新，同時(shí)超聲波檢測(cè)技術(shù)也有諸多不同的種類，所以應(yīng)當(dāng)融合實(shí)際的檢測(cè)物體或者是檢測(cè)構(gòu)架，科學(xué)挑選合理的超聲波檢測(cè)技術(shù)開展檢測(cè)，進(jìn)而提高檢測(cè)成果的精確性，從而充分提高我國的科技水準(zhǔn)，促進(jìn)我國科技的迅速、高效進(jìn)步。

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【作者簡介】

薛曉鵬，男，1994年出生，學(xué)士，研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)。

（編輯：李鈺雙）