管座角焊縫PAUT檢測(cè)試塊設(shè)計(jì)

摘要：油氣工藝管線的管座多采用小徑厚壁的特殊形貌結(jié)構(gòu)，進(jìn)行PAUT檢測(cè)時(shí)需要嚴(yán)格進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)和工藝驗(yàn)證，才能保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性。目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定管座角焊縫PAUT校準(zhǔn)和工藝驗(yàn)證所需的對(duì)比試塊和模擬試塊，因此針對(duì)油氣工藝管線管座角焊縫的特殊性，通過(guò)對(duì)管座尺寸、檢測(cè)工藝、信號(hào)干擾、缺陷類型、缺陷尺寸等因素進(jìn)行理論和實(shí)用性分析，首次提出并設(shè)計(jì)了一套管座角焊縫專用對(duì)比試塊和模擬試塊設(shè)計(jì)規(guī)則。設(shè)計(jì)出的專用對(duì)比試塊成功消除了體積信號(hào)干擾，滿足了小管徑、大角度、高深度的校準(zhǔn)需求；模擬試塊能夠完成不同缺陷類型的工藝的驗(yàn)證。試塊應(yīng)用效果良好，填補(bǔ)了管座PAUT試塊設(shè)計(jì)的空白，為PAUT檢測(cè)適用性和管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展提供了支持。

關(guān)鍵詞：管座角焊縫；相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）；對(duì)比試塊設(shè)計(jì)；模擬試塊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG115.28"""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.011

文章編號(hào)：1006-0316 （2025） 01-0073-08

PAUT Block Design for Fillet Weld of Pipe Seat

Abstract：The prevalent utilization of small-diameter thick -walled pipe seats of oil and gas process pipelines requires rigorous sensitivity calibration and process validation during PAUT detection. However， no standardized regulations have been defined to reference test blocks and simulated test blocks for the accuracy and reliability of results. In this work， considering the particularity size， detection surface， detection technology， signal interference， defect type and size， we designed a set of rules by theoretical and practical analysis for the first time. The reference test block we designed successfully eliminated interference signal of volume reflection and achieved the calibration of PAUT requirements. The simulated test block successfully passed process verification. Both of the blocks demonstrated a favorable application effect. This work provides a technical support for the design of PAUT blocks and the development of automation for non-destructive testing.

Key words：pipe seat fillet welds；phased array ultrasonic testing （PAUT）；reference test block design；simulated test block design

油氣管道建設(shè)對(duì)于焊接質(zhì)量要求越來(lái)越高，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠保障管道焊接質(zhì)量，減少事故發(fā)生，在管道建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。無(wú)損檢測(cè)即非破壞性檢測(cè)，在對(duì)檢測(cè)工件的使用性能不產(chǎn)生影響的前提下，利用聲、光、電、磁、熱等物理原理對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[3-4]。常用的焊縫表面和近表面缺陷檢測(cè)方法有PT（Penetrant testing，滲透檢測(cè)）、ET（Edd current testing，渦流檢測(cè)）、MT（Magnetic particle testing，磁粉檢測(cè)）、UT（Ultrasonic testing，超聲檢測(cè)）等，內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法有UT、RT（Radiographic testing，射線檢測(cè)）等[5-8]。油氣管道對(duì)接環(huán)焊縫的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已逐步向著自動(dòng)化方向發(fā)展，衍生出AUT（Automated ultrasonic testing，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)）、PAUT（Phased-array ultrasonic testing，相控陣超聲檢測(cè)）、DR（Digital radiography，數(shù)字射線成像檢測(cè)）等檢測(cè)方法[9-13]，然而工藝管線的管座角焊縫目前采用MT和PT，二者僅能檢測(cè)出焊縫表面和近表面的缺陷[5-6，14]。工件內(nèi)部缺陷具有隱蔽性和潛在危險(xiǎn)性，是影響焊縫質(zhì)量、運(yùn)行安全的致命因素，因此對(duì)于角焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)至關(guān)重要[15-16]。PAUT相較于與AUT和DR，對(duì)于工件形貌和檢測(cè)環(huán)境的要求更低，適用面更廣，成為管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)的趨勢(shì)[17-20]。

管座作為一種補(bǔ)強(qiáng)型管件，其厚度與壓力等級(jí)、支管厚度等因素息息相關(guān)，涉及的厚度范圍跨度較大[21-22]。在近場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的超聲波可以看成是平面波，其聲壓不隨距離而變化，但當(dāng)管座厚度較大時(shí)，由于超聲波會(huì)發(fā)生散射衰減和吸收衰減，其聲壓隨傳播距離增大而減小[23]。超聲波在管座角焊縫內(nèi)部傳播時(shí)聲壓變化復(fù)雜，需要通過(guò)對(duì)比試塊進(jìn)行靈敏度調(diào)整以及缺陷定量分析[24]。此外，管座的厚度范圍跨度越大，聲程范圍越大，PAUT檢測(cè)和分析難度越高[25]。為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，通常會(huì)用一個(gè)已知特性的、含有多種類缺陷的模擬試塊進(jìn)行工藝的驗(yàn)證[26]。目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定油氣管道站場(chǎng)管座角焊縫PAUT檢測(cè)需使用的對(duì)比試塊和模擬試塊，管道建設(shè)期最常用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有NB/T 47013.15和SY/T 4109，標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有明確地對(duì)油氣管道管座這種特殊工件的檢測(cè)說(shuō)明，因此，本文基于管道PAUT檢測(cè)的對(duì)比試塊和模擬試塊的實(shí)際應(yīng)用及研制需求背景下，針對(duì)管座角焊縫設(shè)計(jì)一套PAUT檢測(cè)專用的檢測(cè)試塊，為管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展提供支持。

1 專用對(duì)比試塊設(shè)計(jì)

對(duì)比試塊的材料物理性能參數(shù)，如聲速、聲衰減系數(shù)等盡可能與被檢測(cè)工件相同或相近，且含有意義明確的參考反射體（人工缺陷）[27]。油氣管道行業(yè)超聲對(duì)比試塊種類繁多，NB/T 47013.15和SY/T 4109標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于曲面工件可選用的RB-C和SGB-PA系列試塊，二者深度檢測(cè)范圍較小且大角度的超聲波對(duì)于兩種試塊中高深度橫通孔識(shí)別能力比較弱[28-31]，因此對(duì)于厚度范圍跨度較大的管座角焊縫，上述試塊不能滿足檢測(cè)需求。

與RB-C和SGB-PA系列試塊相似，管座角焊縫專用對(duì)比試塊同樣發(fā)揮檢測(cè)校準(zhǔn)和缺陷當(dāng)量尺寸評(píng)價(jià)的作用[25]。為滿足橫波聲速校準(zhǔn)的需求，設(shè)計(jì)兩個(gè)半徑分別為R25 mm和R50 mm的90°圓弧，通過(guò)計(jì)算回波時(shí)間差來(lái)確定橫波聲速。考慮到機(jī)械加工、安全性、小角度檢測(cè)時(shí)垂直聲束的影響等因素，在小圓弧上做60°倒角設(shè)計(jì)[32]，如圖1（a）所示。此外，考慮到管座PAUT檢測(cè)方案，檢測(cè)面為管座側(cè)和主管側(cè)雙側(cè)。對(duì)于管座側(cè)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，油氣管道工藝管線的管座外徑一般小于DN 500 mm，對(duì)比試塊上下表面需設(shè)計(jì)為曲面，曲率半徑設(shè)計(jì)為被檢工件表面曲率半徑的0.9～1.1倍[31]。當(dāng)檢測(cè)面為主管側(cè)時(shí)，由于主管與管座連接面為馬鞍形，如圖1（b）所示，若使用曲面楔塊更容易造成耦合不良，因此選用平楔塊進(jìn)行PAUT檢測(cè)，對(duì)比試塊上下表面設(shè)計(jì)為平面。

油氣管道站場(chǎng)和儲(chǔ)氣庫(kù)均采用安放式管座，壓力等級(jí)分為Sch10、STD、XS、Sch160、XXS等，不同壓力等級(jí)下對(duì)應(yīng)的管座尺寸差異較大，最高厚度能達(dá)到45.2 mm[22]。根據(jù)PAUT檢測(cè)工藝的需求，選擇一次波反射法進(jìn)行檢測(cè)，最深校準(zhǔn)孔深度宜大于或等于2.2T[30]，因此對(duì)比試塊中參考反射體的深度約100 mm。為了節(jié)約成本、增加試塊便攜性和適用范圍，常規(guī)試塊通常采用雙側(cè)深度及一次回波設(shè)計(jì)的理念。如圖2（a）所示，對(duì)于高度為45 mm的試塊中的一個(gè)參考反射體來(lái)說(shuō)，能夠進(jìn)行四個(gè)不同深度的靈敏度校準(zhǔn)。然而，當(dāng)檢測(cè)面為曲面時(shí)，非聚焦探頭的超聲波在曲界面上進(jìn)行一次波反射會(huì)產(chǎn)生聚焦（圖2b）。PAUT聚焦探頭回波聲壓計(jì)算更為復(fù)雜，回波發(fā)散性更嚴(yán)重（圖2c）。因此，為了得到更好的校準(zhǔn)效果，管座角焊縫專用對(duì)比試塊設(shè)計(jì)參考反射體最深距離為100 mm，試塊高度設(shè)計(jì)為110 mm。

確定高度之后需要設(shè)計(jì)試塊的長(zhǎng)度。使用CIVA軟件對(duì)側(cè)邊距50 mm和100 mm的深度為60 mm的反射體分別進(jìn)行模擬仿真分析，探頭選用AM 5 MHz探頭，PAUT扇掃角度為40°～70°，激發(fā)晶片數(shù)為16。圖3（a）（b）為側(cè)邊距50mm仿真示意圖，可以看出參考反射體能夠有效檢出，底面反射信號(hào)明顯。圖3（d）（e）為側(cè)邊距100 mm仿真示意圖，結(jié)果與50 mm的相似。圖3（c）（f）分別為不同側(cè)邊距在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的B掃圖，從圖中可以看出，側(cè)邊距為50 mm時(shí)側(cè)邊、端角等體積信號(hào)對(duì)于檢測(cè)和校準(zhǔn)的干擾較大，側(cè)邊距為100 mm時(shí)，校準(zhǔn)過(guò)程幾乎沒(méi)有受到體積信號(hào)的干擾，能夠滿足高深度、大角度的校準(zhǔn)需求。

此外，與仿真結(jié)果不同，底面對(duì)實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程影響并不大。因此，參考反射體與對(duì)比試塊雙側(cè)壁的距離設(shè)計(jì)為100 mm，試塊的總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為450 mm。

在設(shè)計(jì)對(duì)比試塊參考反射體之前需要確定管座角焊縫中可能存在的缺陷。常見(jiàn)的焊接缺陷有未熔合、未焊透、裂紋、氣孔、夾渣等[1-4]，這類缺陷具有點(diǎn)狀面積型反射體的特點(diǎn)，同時(shí)考慮管座角焊縫中缺陷的自然分布屬性及復(fù)雜性，一般選用不同深度分布的平底孔用于縱波直入射，不同角度的平底孔用于不同角度的橫波斜入射，可選用不同深度的橫通孔用于多角度入射[27，29]。管座角焊縫PAUT檢測(cè)采用扇掃深度聚焦，因此選用橫通孔作為對(duì)比試塊的參考反射體。對(duì)于不同壓力等級(jí)的安放式管座，其深度分布見(jiàn)圖4（a）所示，綜合考慮概率分布、反射體間相互干擾和試塊總高度，可設(shè)計(jì)反射體深度為10 mm、20 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、90 mm、100 mm。為了得到更穩(wěn)定可靠的超聲回波信號(hào)，橫孔的直徑需大于1.5倍超聲波波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)2 mm橫孔足以滿足管座角焊縫檢測(cè)和校準(zhǔn)需求。試塊最終的3D建模如圖4（b）所示。

2 專用模擬試塊設(shè)計(jì)

模擬試塊的設(shè)計(jì)和制備難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比試塊，對(duì)比試塊具有通用性，而不同檢測(cè)工藝所需的模擬試塊均有所差異。目前沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管座角焊縫模擬試塊的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)流程。

模擬試塊主要用于工藝驗(yàn)證，其材料、聲學(xué)特性、外形結(jié)構(gòu)、厚度和表面條件應(yīng)盡可能地與被檢工件相同或相近，因此在設(shè)計(jì)模擬試塊前需要對(duì)被檢工件進(jìn)行全方位調(diào)研和統(tǒng)計(jì)。油氣工藝管線使用的管座類型較多，以西三中三個(gè)站場(chǎng)為例，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研到共有DN150 mm×50 mm、DN700 mm×100 mm、DN1200 mm×150 mm等17種不同尺寸的管座，模擬試塊設(shè)計(jì)應(yīng)包含所有尺寸的工件。在保證成本和檢測(cè)效率的前提下應(yīng)盡可能地增加人工反射體數(shù)量，基數(shù)越大，工藝驗(yàn)證效果越好。

管座角焊縫PAUT檢測(cè)面分為主管側(cè)和管座側(cè)，如圖1（b）所示，缺陷設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮雙側(cè)制作。與對(duì)比試塊不同，可以采用焊接方法制備管座角焊縫中可能存在的未熔合、未焊透、裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，試塊設(shè)計(jì)需要考慮不同類型的缺陷可能存在的概率、深度分布、高度分布、距離分布等因素，分別進(jìn)行缺陷種類、數(shù)量、高度、深度、位置等設(shè)計(jì)。

圖5（a）為不同缺陷種類設(shè)計(jì)的人工反射體占比，對(duì)于厚壁管座角焊縫來(lái)說(shuō)，雙側(cè)未熔合與未焊透出現(xiàn)的概率較高，裂紋出現(xiàn)的概率較低[18-21，25]，因此通過(guò)出現(xiàn)的概率來(lái)設(shè)計(jì)人工反射體數(shù)量。

圖5（b）為人工反射體高度分布，同樣通過(guò)出現(xiàn)的概率來(lái)采用正態(tài)分布的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證小缺陷檢測(cè)能力，設(shè)計(jì)高度均不高于2.5 mm。

考慮到管座角焊縫PAUT檢測(cè)工藝，檢測(cè)過(guò)程中采用雙側(cè)檢測(cè)，因此人工反射體除未焊透外在主管側(cè)和管座側(cè)平均分布，如圖5（c）所示。

圖5（d）為人工反射體深度分布散點(diǎn)圖，T為工件厚度，除了未焊透缺陷（在1.0T深度）外，近似平均分布不同深度的人工反射體。同時(shí)，考慮到工件弧度，適當(dāng)在不同點(diǎn)位設(shè)計(jì)不同種類的人工反射體（如0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)）。以上述調(diào)研的17種管座為例，本次設(shè)計(jì)了22個(gè)模擬試塊，共104個(gè)人工反射體。

3 試塊應(yīng)用

使用ZETEC TOPAZ 64設(shè)備、AM 5MHz探頭在管座角焊縫專用對(duì)比試塊上進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，如圖6（a）所示，在模擬試塊上進(jìn)行檢測(cè)，如圖6（b）所示。

聲速校準(zhǔn)如圖7（a）所示，使用一次回波與二次回波進(jìn)行材料聲速測(cè)量，計(jì)算聲程差。進(jìn)行楔塊延遲校準(zhǔn)時(shí)，需要記錄各個(gè)角度聲束在圓弧面的最大反射信號(hào)，如圖7（b）所示。圖7（c）80 mm深的反射體的校準(zhǔn)圖。同樣大小的缺陷埋深越深時(shí)，回波信號(hào)越低，此時(shí)需要將聲束在不同位置的檢測(cè)靈敏度校準(zhǔn)至同一基準(zhǔn)，通過(guò)回波信號(hào)判斷缺陷尺寸信息，即TCG校準(zhǔn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，聲速與楔塊延遲與工件和探頭材料特性幾乎一致，同時(shí)，專用對(duì)比試塊能夠滿足小管徑、高深度的TCG校準(zhǔn)需求，且大角度檢測(cè)效果佳，能夠適用管座角焊縫PAUT檢測(cè)需求。

模擬試塊檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8（a）為根部未焊透缺陷，通常易與體積信號(hào)混淆，單獨(dú)在扇掃、A掃視圖中很難識(shí)別，主要關(guān)注B掃、C掃視圖，并結(jié)合扇掃、A掃綜合判定。圖8（b）和（c）為裂紋缺陷，扇掃、B掃、C掃視圖呈不規(guī)則點(diǎn)狀堆積且上下跨度較大，A掃也呈不規(guī)則鋸齒狀，最高波不明顯，缺陷衍射信號(hào)強(qiáng)，總體來(lái)說(shuō)形貌特征特征比較明顯。

圖8（d）和（e）為未熔合、氣孔和夾渣缺陷，三者示意圖相似，扇掃、B掃、C掃視圖呈長(zhǎng)條狀，A掃呈狹長(zhǎng)狀，缺陷分析中很難區(qū)分未熔合、單個(gè)氣孔和夾渣缺陷。因此，缺陷評(píng)判過(guò)程中可以將這種單條、多條缺陷定義為點(diǎn)狀缺陷、線狀缺陷和密集缺陷。

模擬試塊檢測(cè)結(jié)果與人工反射體對(duì)比見(jiàn)圖9。在實(shí)際PAUT檢測(cè)中，很難區(qū)分根部未熔合和根部未焊透，因此檢測(cè)結(jié)果中未焊透數(shù)量比人工反射體多，其中包含了根部區(qū)未熔合。實(shí)際檢出缺陷115個(gè)，104個(gè)人工模擬缺陷全部檢出，同時(shí)檢出11個(gè)模擬焊縫制備過(guò)程中產(chǎn)生的自然缺陷。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，模擬試塊檢測(cè)效果良好，管座角焊縫PAUT檢測(cè)工藝適用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)管座角焊縫形貌特征、PAUT檢測(cè)工藝、缺陷種類和尺寸等方面的研究，首次提出并設(shè)計(jì)了一套管座角焊縫專用對(duì)比試塊和模擬試塊設(shè)計(jì)方法：

（1）對(duì)比試塊應(yīng)考慮管座壓力等級(jí)、厚度、信號(hào)干擾和PAUT檢測(cè)工藝需求，需設(shè)計(jì)平面和曲面的兩種對(duì)比試塊；對(duì)比試塊總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為450 mm、總高為110 mm；需滿足橫波聲速校準(zhǔn)、橫波多角度斜入射的需求。

（2）模擬試塊設(shè)計(jì)應(yīng)考慮PAUT檢測(cè)工藝需求，應(yīng)包含所有尺寸的工件；應(yīng)綜合考慮成本、效率、出現(xiàn)概率、檢測(cè)面來(lái)確定人工反射體數(shù)量；高度可采用正態(tài)分布。

通過(guò)上述規(guī)則設(shè)計(jì)的對(duì)比試塊和模擬試塊成功完成了PAUT校準(zhǔn)和檢測(cè)，檢測(cè)效果良好，填補(bǔ)了管座PAUT試塊設(shè)計(jì)的空白，為PAUT檢測(cè)適用性和管座角焊縫無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展提供了支持。

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