賈占鵬 黃亞波

中國船級社質(zhì)量認證有限公司

 

摘要：利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢，采用一發(fā)一收的串列式掃查方式，對B型套筒角焊縫垂直面實施檢測。同時，利用相控陣扇掃的特點，通過優(yōu)化試塊長橫孔尺寸，對主管及角焊縫區(qū)域?qū)嵤�檢測，降低聲束入射角度對回波幅度的影響，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)的油氣管道隨著運行時間的增加和運行環(huán)境的變化，容易出現(xiàn)環(huán)焊縫老化泄漏問題。使用B型套筒對存在安全隱患的焊縫進行補強，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，用超聲檢測方法難以檢測出。本文研究利用串列掃查和脈沖反射相控陣超聲檢測技術(shù)來提高缺陷的檢出率。

圖1 B型套筒環(huán)焊縫模型

1  檢測的重點和難點

1.1  檢測重點

主要檢測區(qū)域可分為三個部分：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  檢測難點

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

圖 2 常規(guī)相控陣超聲檢測圖

脈沖反射法超聲波檢測時，主聲束垂直于缺陷表面時，缺陷波最高。當(dāng)存在傾角時，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，回波波高為1；當(dāng)聲波入射角為2.5°時，波幅下降到0.1；當(dāng)傾斜12°時，下降至0.001。此時，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  解決方案及檢測工藝

2.1  套筒側(cè)熔合面檢測工藝

（1）檢測原理。

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

串列掃查：一個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：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行檢測，利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢，在熔合面上不同的深度位置，分別設(shè)置一組串列，進行分區(qū)域檢測。串列的組數(shù)與分區(qū)的數(shù)量對應(yīng)，保證整個熔合面被檢測區(qū)域覆蓋。

（2）試塊設(shè)計及靈敏度調(diào)整。

根據(jù)分區(qū)串列掃查的特點設(shè)計了檢測對比試塊，用于B型套筒側(cè)垂直面檢測靈敏度的調(diào)試。

對比試塊在垂直方向每隔2 mm～3 mm設(shè)置一個直徑為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，以此作為檢測基準(zhǔn)靈敏度，同時每個分區(qū)設(shè)置檢測閘門，滿足檢測區(qū)域的同時，限制其他影響評價的信號出現(xiàn)在檢測圖譜中，設(shè)置每個通道聚焦時要確保主聲束對相鄰反射有一定的覆蓋，以保證對分區(qū)間隙的檢測。

（3）檢測結(jié)果顯示。

檢測結(jié)果以雙面帶狀圖進行顯示，帶狀圖是按照檢測分區(qū)（每個帶狀圖代表一個分區(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)檢測帶狀圖

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

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%滿屏高時為綠色，40%≤波幅高度＜80%滿屏高時為紅色，80%≤波幅高度滿屏高時為黃色。

顏色塊的長短代表信號相對于坡口的位置。顏色塊的長度位于顯示分區(qū)中間時，說明信號剛好位于熔合面位置，此時測量信號在門中的位置，門位值約為0；當(dāng)顏色塊長度小于1/2顯示分區(qū)寬度時，說明信號位于熔合面外靠近探頭一側(cè)，此時測量信號在門中的位置，門位值為負值；當(dāng)顏色塊長度大于1/2顯示分區(qū)寬度時，說明信號位于熔合面內(nèi)遠離探頭一側(cè)，此時測量信號在門中的位置，門位值為正值。

2.2  主管及焊縫區(qū)域檢測工藝

在主管上檢測采用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，固定一個探頭位置，在探頭不動的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)對主管水平面及整個焊縫區(qū)域的覆蓋（圖 4）。

圖 4 主管側(cè)及焊縫區(qū)域的檢測原理

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

3  檢測工藝實施及驗證

3.1  檢測器材

儀器: 采用64/128 超聲波相控陣檢測儀，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)進行相控陣檢測。針對B型套筒的結(jié)構(gòu)特點，專門設(shè)計檢測工裝（圖 5），配合專門開發(fā)的軟件，可以實現(xiàn)一次掃查同時采集兩個探頭的數(shù)據(jù)，大大提高了檢測效率。

圖 5 檢測工裝

3.2  檢測結(jié)果對比

（1）B型套筒垂直面。

為了驗證缺陷的檢出效果，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模擬未熔合缺陷。儀器設(shè)備對比試塊上調(diào)試校準(zhǔn)后在專用模擬試塊上進行了檢測（圖 6）。

圖 6 套筒側(cè)模擬試塊檢測圖譜

現(xiàn)場檢測圖譜中：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，缺陷長度約15 mm；缺陷二在圖譜中主要顯示通道為4、5、6三個通道，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，缺陷長度約15 mm。

（2）主管水平面及焊縫區(qū)。

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

圖 7 主管側(cè)模擬試塊檢測圖譜

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，可以實現(xiàn)對主管側(cè)水平面及焊縫區(qū)域的檢測。檢測工藝在模擬試塊上得到了較好的驗證，滿足標(biāo)準(zhǔn)中工藝驗證的要求。

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)檢測技術(shù)可以很好的實現(xiàn)對垂直面的檢測，檢測效果較好，可滿足工程現(xiàn)場檢測的要求。

（2）采用相控陣扇形掃查技術(shù)，利用優(yōu)化后的檢測試塊進行靈敏度校準(zhǔn)，可以實現(xiàn)對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)場檢測的要求。使用專用的掃查裝置及檢測分析軟件，掃查數(shù)據(jù)可記錄并保存，后續(xù)可以重復(fù)對數(shù)據(jù)進行分析。

作者簡介：賈占鵬，1983年生，高級工程師，中國船級社質(zhì)量認證有限公司無損檢測業(yè)務(wù)負責(zé)人，中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會工委會委員，全自動超聲波檢測（AUT）考委成員，特種設(shè)備無損檢測機構(gòu)鑒定評審員，中石油、國家管網(wǎng)無損檢測專家。聯(lián)系方式：13550305288，jiazhanpeng@163.com。