賈占鵬 黃亞波

中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證有限公司

摘要：利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢(shì)，采用一發(fā)一收的串列式掃查方式，對(duì)B型套筒角焊縫垂直面實(shí)施檢測(cè)。同時(shí)，利用相控陣扇掃的特點(diǎn)，通過優(yōu)化試塊長(zhǎng)橫孔尺寸，對(duì)主管及角焊縫區(qū)域?qū)嵤�檢測(cè)，降低聲束入射角度對(duì)回波幅度的影響，從而提高缺陷的檢出率。

關(guān)鍵詞：B型套筒；角焊縫；相控陣超聲；串列掃查； 缺陷檢出率

早期建設(shè)的油氣管道隨著運(yùn)行時(shí)間的增加和運(yùn)行環(huán)境的變化，容易出現(xiàn)環(huán)焊縫老化泄漏問題。使用B型套筒對(duì)存在安全隱患的焊縫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，可以有效保證其完整性。由于B型套筒環(huán)向角焊縫（圖 1）兩側(cè)的厚度不一致，套筒和主管之間存在一定的間隙，套筒側(cè)垂直面和主管側(cè)水平面的缺陷方向性較強(qiáng)，用超聲檢測(cè)方法難以檢測(cè)出。本文研究利用串列掃查和脈沖反射相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)來提高缺陷的檢出率。

圖1 B型套筒環(huán)焊縫模型

1  檢測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

1.1  檢測(cè)重點(diǎn)

主要檢測(cè)區(qū)域可分為三個(gè)部分：第一、套筒側(cè)熔合面：主要缺陷為填充材料與套筒垂直坡口面的未熔合；第二、主管側(cè)熔合面：主要缺陷為填充材料與主管水平坡口面的未熔合；第三、焊縫填充區(qū)及熱影響區(qū)，主要缺陷包括氣孔、夾渣、焊縫區(qū)的未熔合和焊縫及熱影響區(qū)的裂紋等。

1.2  檢測(cè)難點(diǎn)

由于焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性，射線檢測(cè)無法應(yīng)用于焊縫內(nèi)部的缺陷檢測(cè)，只能采用超聲波檢測(cè)。然而，超聲波檢測(cè)只能在管道外部進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)。目前，B型套筒的常規(guī)檢測(cè)方法是基于脈沖反射原理的相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)（圖 2）。

圖 2 常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)圖

脈沖反射法超聲波檢測(cè)時(shí)，主聲束垂直于缺陷表面時(shí)，缺陷波最高。當(dāng)存在傾角時(shí)，缺陷波高隨入射角的增大而急劇下降。當(dāng)聲波垂直人射時(shí)，回波波高為1；當(dāng)聲波入射角為2.5°時(shí)，波幅下降到0.1；當(dāng)傾斜12°時(shí)，下降至0.001。此時(shí)，儀器已無法檢出缺陷。

在套筒側(cè)及主管側(cè)熔合區(qū)，超聲波束與被檢測(cè)面無法形成接近垂直的角度，反射聲束的主要能量將被反射到其他方向，不能被探頭接收。沿發(fā)射路徑返回被探頭接收的超聲能量較低，因此，這兩個(gè)區(qū)域的缺陷檢出率極低，甚至造成漏檢。

2  解決方案及檢測(cè)工藝

2.1  套筒側(cè)熔合面檢測(cè)工藝

（1）檢測(cè)原理。

采用相控陣超聲技術(shù)，利用基于串列掃查的分區(qū)檢測(cè)原理實(shí)施檢測(cè)。

串列掃查：一個(gè)相控陣探頭中一組晶片用于發(fā)射，另一組晶片用于接收，解決由于超聲波束與被檢測(cè)面角度的原因，反射主要聲能不能被探頭接收的問題。

分區(qū)檢測(cè)：根據(jù)B型套筒的厚度使用不少于64晶片的相控陣探頭在套筒上進(jìn)行檢測(cè)，利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢(shì)，在熔合面上不同的深度位置，分別設(shè)置一組串列，進(jìn)行分區(qū)域檢測(cè)。串列的組數(shù)與分區(qū)的數(shù)量對(duì)應(yīng)，保證整個(gè)熔合面被檢測(cè)區(qū)域覆蓋。

（2）試塊設(shè)計(jì)及靈敏度調(diào)整。

根據(jù)分區(qū)串列掃查的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了檢測(cè)對(duì)比試塊，用于B型套筒側(cè)垂直面檢測(cè)靈敏度的調(diào)試。

對(duì)比試塊在垂直方向每隔2 mm～3 mm設(shè)置一個(gè)直徑為2 mm的平底孔，上下表面設(shè)置1 mm×1 mm的橫槽，反射體間水平方向相距20 mm。

試塊調(diào)試時(shí)將不同分區(qū)的平底孔的波幅調(diào)整到80%滿屏高，以此作為檢測(cè)基準(zhǔn)靈敏度，同時(shí)每個(gè)分區(qū)設(shè)置檢測(cè)閘門，滿足檢測(cè)區(qū)域的同時(shí)，限制其他影響評(píng)價(jià)的信號(hào)出現(xiàn)在檢測(cè)圖譜中，設(shè)置每個(gè)通道聚焦時(shí)要確保主聲束對(duì)相鄰反射有一定的覆蓋，以保證對(duì)分區(qū)間隙的檢測(cè)。

（3）檢測(cè)結(jié)果顯示。

檢測(cè)結(jié)果以雙面帶狀圖進(jìn)行顯示，帶狀圖是按照檢測(cè)分區(qū)（每個(gè)帶狀圖代表一個(gè)分區(qū)）顯示的帶顏色塊、呈包絡(luò)線的A掃描圖像（圖 3）。

圖 3 分區(qū)檢測(cè)帶狀圖

雙門是指波幅門和時(shí)間門。每個(gè)分區(qū)的聲束分別設(shè)置相應(yīng)的波幅門和時(shí)間門。在帶狀圖中，當(dāng)門內(nèi)信號(hào)波幅大于或等于5%滿屏高時(shí)將被采集顯示。波幅的高度不同，帶狀圖中的信號(hào)包絡(luò)線的長(zhǎng)度不同。當(dāng)信號(hào)大于或等于20%滿屏高時(shí)，將在帶狀圖中顯示顏色不同、長(zhǎng)短不同的顏色塊。

為了視覺直觀，在帶狀圖中用顏色（可以自行在系統(tǒng)中設(shè)置）代表波幅。通常20%≤波幅高度＜40%滿屏高時(shí)為綠色，40%≤波幅高度＜80%滿屏高時(shí)為紅色，80%≤波幅高度滿屏高時(shí)為黃色。

顏色塊的長(zhǎng)短代表信號(hào)相對(duì)于坡口的位置。顏色塊的長(zhǎng)度位于顯示分區(qū)中間時(shí)，說明信號(hào)剛好位于熔合面位置，此時(shí)測(cè)量信號(hào)在門中的位置，門位值約為0；當(dāng)顏色塊長(zhǎng)度小于1/2顯示分區(qū)寬度時(shí)，說明信號(hào)位于熔合面外靠近探頭一側(cè)，此時(shí)測(cè)量信號(hào)在門中的位置，門位值為負(fù)值；當(dāng)顏色塊長(zhǎng)度大于1/2顯示分區(qū)寬度時(shí)，說明信號(hào)位于熔合面內(nèi)遠(yuǎn)離探頭一側(cè)，此時(shí)測(cè)量信號(hào)在門中的位置，門位值為正值。

2.2  主管及焊縫區(qū)域檢測(cè)工藝

在主管上檢測(cè)采用32陣源相控陣探頭，使用相控陣扇掃，利用相控陣角度偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，固定一個(gè)探頭位置，在探頭不動(dòng)的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主管水平面及整個(gè)焊縫區(qū)域的覆蓋（圖 4）。

圖 4 主管側(cè)及焊縫區(qū)域的檢測(cè)原理

為了減少聲束入射角度對(duì)回波幅度的影響，對(duì)現(xiàn)有PAUT試塊進(jìn)行了修改，將直徑為2mm的長(zhǎng)橫孔修改為直徑為0.5mm的長(zhǎng)橫孔，在保證信噪比的前提下提高了檢測(cè)的靈敏度。

3  檢測(cè)工藝實(shí)施及驗(yàn)證

3.1  檢測(cè)器材

儀器: 采用64/128 超聲波相控陣檢測(cè)儀，探頭: 5L32-0.6x10相控陣一維線陣探頭7.5L64-1.0x10相控陣一維線陣探頭。

B型套筒角焊縫采用雙側(cè)掃查的方式，即從B套、主管母材側(cè)進(jìn)行相控陣檢測(cè)。針對(duì)B型套筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)檢測(cè)工裝（圖 5），配合專門開發(fā)的軟件，可以實(shí)現(xiàn)一次掃查同時(shí)采集兩個(gè)探頭的數(shù)據(jù)，大大提高了檢測(cè)效率。

圖 5 檢測(cè)工裝

3.2  檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

（1）B型套筒垂直面。

為了驗(yàn)證缺陷的檢出效果，加工制作了帶有模擬缺陷的試塊，試塊中沿著套筒側(cè)熔合面分別加工了不同深度的三個(gè)模擬未熔合缺陷。儀器設(shè)備對(duì)比試塊上調(diào)試校準(zhǔn)后在專用模擬試塊上進(jìn)行了檢測(cè)（圖 6）。

圖 6 套筒側(cè)模擬試塊檢測(cè)圖譜

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖譜中：缺陷一在圖譜中主要顯示通道為1和2通道，說明該缺陷位于套筒側(cè)熔合區(qū)近表面，自身高度大于分區(qū)高度3 mm，缺陷長(zhǎng)度約15 mm；缺陷二在圖譜中主要顯示通道為4、5、6三個(gè)通道，說明該缺陷位于套筒側(cè)熔合區(qū)中間部位，自身高度大于分區(qū)高度6 mm，缺陷長(zhǎng)度約15 mm；缺陷三在圖譜中主要顯示通道為8和根部槽通道，說明該缺陷位于套筒側(cè)熔合區(qū)下表面，自身高度小于分區(qū)高度3 mm，缺陷長(zhǎng)度約15 mm。

（2）主管水平面及焊縫區(qū)。

主管側(cè)檢測(cè)模擬試塊中在水平面加工了3個(gè)不同尺寸的模擬未熔合缺陷，在焊縫區(qū)加工裂紋、夾渣、氣孔三個(gè)不同類型的缺陷（圖 7）。

圖 7 主管側(cè)模擬試塊檢測(cè)圖譜

從以上圖譜中可以看到，模擬試塊中的缺陷在圖譜中均有顯示，通過優(yōu)化試塊反射體尺寸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主管側(cè)水平面及焊縫區(qū)域的檢測(cè)。檢測(cè)工藝在模擬試塊上得到了較好的驗(yàn)證，滿足標(biāo)準(zhǔn)中工藝驗(yàn)證的要求。

4  結(jié)論

（1）由于焊縫的結(jié)構(gòu)形式特殊，利用常規(guī)超聲波及相控陣技術(shù)對(duì)B型套筒垂直面及主管水平面的未熔合缺陷檢出率很低，甚至無法檢出。采用基于串列掃查的分區(qū)檢測(cè)技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直面的檢測(cè)，檢測(cè)效果較好，可滿足工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。

（2）采用相控陣扇形掃查技術(shù)，利用優(yōu)化后的檢測(cè)試塊進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主管水平面及焊縫區(qū)的覆蓋，缺陷檢出率較高，可滿足工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。使用專用的掃查裝置及檢測(cè)分析軟件，掃查數(shù)據(jù)可記錄并保存，后續(xù)可以重復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

作者簡(jiǎn)介：賈占鵬，1983年生，高級(jí)工程師，中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證有限公司無損檢測(cè)業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人，中國(guó)特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)工委會(huì)委員，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)（AUT）考委成員，特種設(shè)備無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)鑒定評(píng)審員，中石油、國(guó)家管網(wǎng)無損檢測(cè)專家。聯(lián)系方式：13550305288，jiazhanpeng@163.com。