不同探頭位置管道超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果分析

石 祥* 龔凌諸 蘇宣機(jī) 黃耀波

（1.福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院 2.福建工程學(xué)院 化工安全研究所 3.福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院）

0 引言

管道是連接各裝置、各設(shè)備及運(yùn)輸各類汽液類型介質(zhì)的部件，其在石油化工行業(yè)中被大量使用。管道的對(duì)接通常采用焊接方式，在焊接過程中，受到人為和焊接條件等因素影響，焊接接頭處難免會(huì)產(chǎn)生一些肉眼無法分辨的缺陷，給管道帶來巨大的安全隱患，因此對(duì)管道進(jìn)行無損檢測(cè)格外重要。

以往對(duì)管道進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，通常采用射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)，針對(duì)表面裂紋則常常采用滲透檢測(cè)[1-3]。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種新型無損檢測(cè)方法，近年來逐漸被應(yīng)用于工業(yè)中[4]，尤其是工業(yè)管道檢測(cè)?，F(xiàn)如今，針對(duì)管道的超聲相控陣檢測(cè)，學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張健等[5]采用超聲相控陣檢測(cè)、射線檢測(cè)和常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)一段雙相不銹鋼鋼管對(duì)接環(huán)焊縫進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，得出超聲相控陣技術(shù)可以對(duì)雙相不銹鋼鋼管對(duì)接環(huán)焊縫實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),且具有良好的檢測(cè)能力。楊宇清等[6]對(duì)帶自然缺陷的小徑管試樣進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)和射線檢測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比后可知，超聲相控陣檢測(cè)方法能得到更加真實(shí)的缺陷長(zhǎng)度尺寸,且該方法操作靈活、顯示直觀。蔚道祥[7]利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)2 個(gè)含自然缺陷的試樣開展檢測(cè)后可知，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道環(huán)焊縫內(nèi)常見缺陷的檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)缺陷的定量和定位分析。趙遠(yuǎn)[8]對(duì)電廠鍋爐受熱面的小直徑密集管排對(duì)接接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，并利用射線檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證后可知，超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)靈敏度較高，探頭小巧、靈活，可為缺陷定性提供一定依據(jù)。目前針對(duì)管道相控陣超聲檢測(cè)方面的研究主要是通過對(duì)比超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)超聲檢測(cè)或射線檢測(cè)結(jié)果，得出超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，未對(duì)不同探頭位置對(duì)超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果差異性進(jìn)行分析研究。本文為探究出不同探頭位置時(shí)管道超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果差異的原因，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)一段含缺陷的常減壓管道焊接接頭分別在焊縫上下兩側(cè)的6個(gè)不同位置進(jìn)行無損檢測(cè)。

1 常減壓管道參數(shù)

本文選取一段福建某煉油廠的常減壓管線，對(duì)該管道的焊接接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)。該管道材質(zhì)為20#鋼，規(guī)格為159 mm×6 mm，坡口型式為V 型。經(jīng)過簡(jiǎn)單測(cè)量，焊縫外表面寬度為12 mm，根部寬度為6 mm，外表面余高為1 mm，根部余高為1.5 mm。為了便于后續(xù)檢測(cè)，對(duì)焊接接頭處進(jìn)行打磨拋光處理，如圖1 所示。

2 相控陣檢測(cè)工藝

2.1 相控陣檢測(cè)設(shè)備

本文選用以色列Sonotron NDT 公司生產(chǎn)的ISONIC2009 相控陣檢測(cè)儀對(duì)常減壓裝置管道進(jìn)行無損檢測(cè)。該相控陣檢測(cè)儀器擁有高亮彩色超大顯示屏幕,可清晰呈現(xiàn)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 ISONIC2009相控陣檢測(cè)儀

2.2 探頭與鍥塊的選擇

表1 楔塊參數(shù)

圖3 探頭與楔塊圖

2.3 TCG曲線的制作與聲場(chǎng)設(shè)置

TCG（Time Corrected Gain）距離增益補(bǔ)償曲線是一條深度補(bǔ)償曲線。由于TCG 曲線的功能是通過對(duì)A 掃描回波幅度進(jìn)行深度補(bǔ)償后，使得同一尺寸反射體的回波幅度與其在被檢材料中的深度無關(guān)，均顯示在同一回波高度[9]，因此在TCG 模式下，當(dāng)探傷儀增益條件不變時(shí)，更有利于發(fā)現(xiàn)位于材料內(nèi)部較深位置的缺陷。儀器設(shè)置時(shí)一次激發(fā)16 個(gè)陣元，采用PGS-8 試塊制作TCG 曲線,如圖4 a）所示，聚焦位置設(shè)置在檢測(cè)掃查面。聲場(chǎng)設(shè)置采用二、三、四波進(jìn)行扇掃描檢測(cè)，如圖4 b）所示。

圖4 TCG曲線的制作與聲場(chǎng)設(shè)置（單位：mm）

2.4 掃查裝置的選擇

檢測(cè)掃查時(shí)采用專用的掃查裝置，該裝置一般由探頭夾持部分、驅(qū)動(dòng)部分、導(dǎo)向部分及位置傳感器（如編碼器）構(gòu)成，主要用于固定、驅(qū)動(dòng)或輔助檢測(cè)探頭，使其沿預(yù)定路徑移動(dòng)進(jìn)行掃查。掃查裝置與掃查實(shí)物如圖5 所示。

圖5 掃查裝置及掃查實(shí)物圖

2.5 靈敏度設(shè)置與檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量分級(jí)

檢測(cè)時(shí)按表2 中的評(píng)定線設(shè)置掃查靈敏度。根NB/T 47013.15—2021《據(jù)承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分：超聲相控陣檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)[10]，按照表3 的內(nèi)容對(duì)焊接接頭的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)。

表2 靈敏度設(shè)置

表3 焊接接頭質(zhì)量分級(jí)

2.6 不同探頭位置的確定

為了探究不同探頭位置時(shí)管道超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果差異的原因，分別在管道焊縫上下兩側(cè)采用焊縫單面雙側(cè)掃查對(duì)其進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，兩側(cè)各掃3次，共6 次。以焊縫中線為軸偏移零點(diǎn)，單側(cè)3 次的偏移量分別為9 mm、11 mm 和13 mm，檢測(cè)探頭位置可見圖6。其中將上側(cè)定義為S側(cè)，下側(cè)定義為X側(cè)，圖6 中1、3、5 分別表示距探頭偏焊縫S 側(cè)9 mm、11 mm 和13 mm 處；2、4、6 分別表示距探頭偏焊縫X 側(cè)9 mm、11 mm 和13 mm 處。焊縫總寬為12 mm，單側(cè)分別偏離焊縫邊線3 mm、5 mm、7 mm。

圖6 相控陣檢測(cè)不同探頭位置示意圖

3 檢測(cè)圖譜與數(shù)據(jù)分析

3.1 檢測(cè)圖譜

（1）以焊縫中線為偏移零點(diǎn)，使得探頭位置分別在焊縫上、下兩側(cè)偏移9 mm 進(jìn)行掃查，檢測(cè)圖譜如圖7 所示。

圖7 探頭偏移9 mm缺陷檢測(cè)圖譜

此時(shí)，1#缺陷在焊縫兩側(cè)均能檢測(cè)到，2#缺陷僅能在S 側(cè)檢出，X 側(cè)未檢出缺陷。

（2）以焊縫中線為偏移零點(diǎn)，使得探頭位置分別在焊縫上、下兩側(cè)偏移11 mm 進(jìn)行掃查，檢測(cè)圖譜如圖8 所示。

圖8 探頭偏移11 mm缺陷檢測(cè)圖譜

此時(shí)，1#缺陷在S 側(cè)檢出，而在X 側(cè)不明顯。2#缺陷僅能在S 側(cè)檢出，X 側(cè)未檢出，圖8 中X 側(cè)所檢出缺陷不是S 側(cè)檢出缺陷，需進(jìn)一步檢測(cè)。

（3）以焊縫中線為偏移零點(diǎn)，使得探頭位置分別在焊縫上、下兩側(cè)偏移13 mm 處掃查，檢測(cè)圖譜如圖9 所示。

圖9 探頭偏移13 mm缺陷檢測(cè)圖譜

此時(shí)，1#缺陷僅能在S 側(cè)檢出，X 側(cè)未檢出。2#缺陷僅能在S 側(cè)檢出，X 側(cè)未檢出，圖9 中X 側(cè)所檢出缺陷不是S 側(cè)檢出缺陷，需進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 圖譜數(shù)據(jù)分析

由上述不同探頭位置檢測(cè)圖譜可知，該常減壓管道在焊縫處共存在兩處缺陷，1#缺陷為裂紋缺陷，缺陷深為2.3 mm，長(zhǎng)為34.7 mm，高為3.0 mm；2#缺陷為未焊透缺陷，缺陷深為2.2 mm，長(zhǎng)為30.8 mm，高為3.1 mm。按照缺陷能否通過超聲相控陣檢測(cè)方法檢出進(jìn)行匯總，結(jié)果可見表4。其中，“√”表示缺陷可檢出，“—”表示缺陷未檢出或所檢測(cè)缺陷不同。

表4 相控陣檢測(cè)缺陷結(jié)果表

3.3 檢測(cè)結(jié)果綜合分析

由超聲相控陣檢測(cè)圖譜可知，探頭位置設(shè)置對(duì)缺陷檢出有較大影響，如1#缺陷，隨著探頭距離焊縫的增大，缺陷波幅逐漸減小直至消失。主要有以下2個(gè)原因：（1）隨著距離增大，聲波衰減加大，缺陷波幅減??；（2）隨著距離增大，聲波入射到缺陷的角度發(fā)生變化，對(duì)于1#平面型缺陷，聲波與缺陷面垂直時(shí)反射波強(qiáng)度最大，而隨著聲波與缺陷面夾角增大，聲波反射強(qiáng)度會(huì)快速減少。

由表4 可知，在焊縫兩側(cè)的檢測(cè)結(jié)果差異較大，如2#缺陷，探頭偏置9 mm 時(shí)，在S 側(cè)能檢出缺陷，在X 側(cè)未能檢出。這主要是由于2#缺陷屬于體積型缺陷，而且方向性較強(qiáng)，只有聲波垂直或接近垂直于缺陷面，聲波發(fā)射回探頭的強(qiáng)度大時(shí)缺陷才能檢出；如果聲波垂直于缺陷面角度，聲波發(fā)射回探頭的強(qiáng)度小，則缺陷難以檢出。

4 結(jié)語

對(duì)含缺陷的一段常減壓管道焊接接頭分別在焊縫上下兩側(cè)的6 個(gè)不同位置進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）超聲相控陣檢測(cè)圖譜成像直觀，通過簡(jiǎn)單的判斷可知該常減壓管道焊接接頭共存在2 處缺陷，分別是缺陷深為2.3 mm，長(zhǎng)為34.7 mm，高為3.0 mm的1#裂紋缺陷和缺陷深為2.2 mm，長(zhǎng)為30.8 mm，高為3.1 mm 的2#未焊透缺陷，由表3 焊接接頭質(zhì)量分級(jí)數(shù)據(jù)可知，該焊接接頭質(zhì)量為Ⅲ級(jí)；

（2）由檢測(cè)結(jié)果可知，不同的探頭位置對(duì)缺陷的檢出影響較大，尤其是體積型缺陷。這是因?yàn)殡S著探頭距離增大，聲波入射到缺陷的角度發(fā)生變化，導(dǎo)致聲波反射回探頭的強(qiáng)度也隨即發(fā)生變化。由檢測(cè)圖譜對(duì)比結(jié)果可知，只有聲波垂直或接近垂直于缺陷面，聲波發(fā)射回探頭的強(qiáng)度大時(shí)缺陷才能檢出；如果聲波垂直于缺陷面角度，則會(huì)導(dǎo)致聲波發(fā)射回探頭的強(qiáng)度小，難以檢出缺陷，為超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在不同探頭位置的應(yīng)用導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果提供參考。建議在對(duì)管道進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，應(yīng)確定好合適的探頭位置，以免出現(xiàn)漏檢；

（3）本文的檢測(cè)結(jié)果中，探頭位置偏離焊縫11 mm 和13 mm 時(shí)，雖然2#缺陷在X 側(cè)未測(cè)出，但是檢測(cè)出了其他缺陷，為明確其他缺陷的種類和尺寸還需對(duì)該管道焊接接頭在X 側(cè)做進(jìn)一步的檢測(cè)。建議后續(xù)研究人員在對(duì)管道進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，至少應(yīng)在管道焊縫上下兩側(cè)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以免對(duì)缺陷的判斷出現(xiàn)重大失誤。