相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用

李 陽(yáng)，唐創(chuàng)基，李 男

（1.中國(guó)船級(jí)社，北京 100007；2.中興海陸工程有限公司，東莞 523146；3.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 10007）

在海洋工程領(lǐng)域，對(duì)小口徑管道對(duì)接焊縫一般采用射線技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其存在著以下不足：射線檢測(cè)產(chǎn)生電離輻射危害人體及周?chē)h(huán)境且檢測(cè)周期長(zhǎng)；對(duì)管徑較小的管對(duì)接焊縫需采用雙壁雙投影橢圓成像，為了提高透照的寬容度，常采用較高的射線能量，導(dǎo)致缺陷檢出率低（特別是危害嚴(yán)重的裂紋常發(fā)生漏檢）［1］。

在電力行業(yè)，也常采用常規(guī)A超技術(shù)對(duì)小徑管對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)，但小徑管管壁薄，使用斜探頭，因前沿距離長(zhǎng)，用一次波探傷時(shí)，有時(shí)主聲束掃查不到焊縫根部，如改用三次波，則因探頭發(fā)射的聲束寬，聲束擴(kuò)散，加之小徑管曲率大的影響，造成聲束嚴(yán)重散射，反射回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來(lái)很大的困難，影響到探測(cè)的可靠性；小徑管曲率半徑大，造成探頭接觸面小，曲面耦合損失大，超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射，發(fā)散嚴(yán)重，探傷靈敏度低；小徑管壁薄，超聲橫波聲程短，容易在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)檢測(cè)，對(duì)缺陷判定帶來(lái)很多困難［2］。基于此現(xiàn)狀，筆者介紹了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海洋工程小徑管對(duì)接焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 工藝設(shè)計(jì)及仿真

對(duì)于海洋工程小徑管對(duì)接接頭的檢測(cè)，采用聚焦換能器進(jìn)行檢測(cè)是一種有效的提高信噪比，改善檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的方法。將超聲換能器的聚焦焦點(diǎn)深度設(shè)置在所關(guān)心的檢測(cè)區(qū)域深度，從而對(duì)該深度區(qū)域內(nèi)的超聲信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行改善［3］。

相控陣超聲技術(shù)是對(duì)陣列探頭的不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)施加不同的時(shí)間延遲（發(fā)射電壓幅度）規(guī)則——聚焦法則，通過(guò)波束形成實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)。其可通過(guò)對(duì)儀器參數(shù)設(shè)置的改變而設(shè)置焦點(diǎn)深度，并可以單探頭多角度檢測(cè)，以覆蓋盡可能多的焊縫區(qū)域。

由于海工小徑管具有薄壁、管徑小等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以采用基于相控陣超聲技術(shù)對(duì)海洋工程小徑管的對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)中應(yīng)選用高頻探頭，仿真中所使用的探頭模型為奧林巴斯公司生產(chǎn)的10L32－A1型探頭。在楔塊選擇方面，平面楔塊很難實(shí)現(xiàn)較好的耦合，楔塊的曲率半徑應(yīng)設(shè)計(jì)成與所檢管件的曲率半徑一致，以便最大程度地減少耦合損失。探頭前沿的長(zhǎng)度直接影響到聲束能否完整覆蓋焊縫區(qū)域，為了確保一次波能夠有效覆蓋焊縫根部，應(yīng)選用短前沿楔塊。為保證聲束對(duì)焊縫區(qū)域的完整覆蓋和缺陷的有效檢出，使用法國(guó)原子能機(jī)構(gòu)（CEA）無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)用軟件CIVA進(jìn)行工藝仿真設(shè)計(jì)，得出適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。仿真和檢測(cè)試驗(yàn)均參照GB 11345－89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。管道試件、探頭及楔塊均按實(shí)物1∶1建模。

1.1 聲束覆蓋設(shè)計(jì)

對(duì)壁厚6.5mm，管徑141mm，焊縫外表面寬度20mm，單V型坡口，坡口間隙為6mm的仿真管道模型在楔塊前沿距焊縫中心12mm處采用相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行扇形掃描。使用大角度波束（40°～73°）對(duì)焊縫進(jìn)行覆蓋，使焊縫根部處于一次波檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，焊縫上部區(qū)域主要處于二次波檢測(cè)區(qū)域之中。通過(guò)仿真可以看出，在焊縫單側(cè)掃查時(shí)，由于焊縫上部區(qū)域依靠二次波進(jìn)行覆蓋，當(dāng)存在底面余高時(shí)，由于余高部分形成的二次波方向無(wú)法控制，因此二次波覆蓋區(qū)域?qū)⒈粔嚎s。在本工藝中，為了使所檢管道的焊接接頭有效避免檢測(cè)盲區(qū)，達(dá)到100%的檢測(cè)，使用雙側(cè)掃查以完成對(duì)焊縫的全覆蓋［4］。聲束覆蓋圖如圖1所示。

圖1 聲束覆蓋圖

1.2 缺陷仿真計(jì)算

缺陷添加：根據(jù)所檢海管焊接接頭的結(jié)構(gòu)及聲束覆蓋設(shè)計(jì)，在管道模型中添加了10個(gè)人工缺陷，模擬焊縫中可能出現(xiàn)的缺陷類(lèi)型，見(jiàn)表1，圖2。由于在焊縫左右兩側(cè)的掃查完全對(duì)稱(chēng)，所以缺陷設(shè)置以焊縫右側(cè)掃查為基準(zhǔn)。

根據(jù)仿真軟件中的A掃描視圖得出模擬缺陷回波幅度及其與φ3橫孔回波幅度比較的波幅差計(jì)算結(jié)果，如表2，3所示。左、右側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置的C掃描示意圖如圖3，4所示。

由表2，3及圖3，4可知：由于焊縫上部區(qū)域由二次波進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于同側(cè)坡口位置的未熔合類(lèi)型缺陷檢測(cè)效果很好，但對(duì)于對(duì)側(cè)坡口位置的未熔合類(lèi)型缺陷，由于在仿真中采用平面矩形模擬未熔合類(lèi)缺陷及該模型在焊縫中角度走向的原因，導(dǎo)致反射回波波幅較低。

表1 模擬缺陷列表

圖2 不同類(lèi)型缺陷添加示意圖

表2 焊縫右側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果

圖3 右側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

表3 焊縫左側(cè)掃查模擬缺陷計(jì)算結(jié)果

圖4 左側(cè)掃查對(duì)接焊縫中不同位置缺陷的C掃描圖

對(duì)于在探頭對(duì)側(cè)的焊趾裂紋可以檢出，但由于在仿真計(jì)算中未進(jìn)行管件的上表面反射信號(hào)的計(jì)算，所以反射回波波幅較低，可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

其他類(lèi)型缺陷均可有效檢出。因此，由仿真結(jié)果可以得出：使用雙側(cè)掃查，能夠達(dá)到完全覆蓋整個(gè)焊縫的要求，且對(duì)焊縫各向缺陷均可有效檢出。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

管道試樣來(lái)源于某在建海洋深水鉆井船，其直徑為141mm，壁厚為6.5mm，材質(zhì)為A106B，單V型坡口，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接。管道視圖如圖5所示。

選用OLYMPUS相控陣超聲主機(jī)：Focus LT（64／128）配置檢測(cè)系統(tǒng)。Focus LT（64／128）擁有64個(gè)獨(dú)立的發(fā)射及接收通道。

圖5 試樣尺寸

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)，特別制作了短前沿楔塊，以便最大限度地利用波束，保證對(duì)焊縫的完整覆蓋。

開(kāi)發(fā)了小徑管專(zhuān)用掃查架，該掃查器磁性輪吸力適中，運(yùn)行平穩(wěn)，可以有效保證探頭距焊縫中心線距離恒定；磁性輪和探頭、編碼器的相對(duì)位置及距離可調(diào)，可滿足不同結(jié)構(gòu)對(duì)接管件的掃查需求。掃查裝置如圖6所示。

圖6 管道相控陣超聲檢測(cè)掃查裝置

按照仿真工藝及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海管試樣進(jìn)行了相控陣超聲及射線檢測(cè)。圖7～10為相控陣超聲檢測(cè)圖像，圖11～12為射線底片。表4為相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表4及圖7～12可知：

圖7 相控陣超聲檢測(cè)C掃描圖

（1）射線檢測(cè)只能顯示缺陷的長(zhǎng)度，而相控陣超聲檢測(cè)不但可以顯示缺陷的長(zhǎng)度，還可以顯示缺陷的埋藏深度。由于相控陣超聲檢測(cè)采用高精度編碼器記錄檢測(cè)長(zhǎng)度，所以其可以對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果與射線所檢缺陷一一對(duì)應(yīng)，缺陷檢出率不低于射線檢測(cè)。

（2）相控陣超聲檢出的缺陷長(zhǎng)度要大于射線檢測(cè)得出的缺陷長(zhǎng)度，這是因?yàn)橄嗫仃嚦暣嬖诼暿鴶U(kuò)散且其測(cè)量的是缺陷的弧長(zhǎng)，而射線檢測(cè)測(cè)量的是缺陷的弦長(zhǎng)。

表4 相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)

（3）相控陣超聲可以對(duì)體積型缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)，并給出體積型缺陷的埋藏深度。但對(duì)于缺陷的具體類(lèi)型無(wú)法精確判別。射線檢測(cè)可以精確的判別出體積型缺陷的類(lèi)型（對(duì)于密集氣孔而言，可以精確地測(cè)量氣孔的個(gè)數(shù)），但無(wú)法給出缺陷的埋藏深度。

（4）相控陣超聲通過(guò)缺陷的埋藏位置及其距楔塊前沿的距離，可以對(duì)根部缺陷做出準(zhǔn)確的判斷。

3 結(jié)論

（1）對(duì)比常規(guī)A超而言，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以使用單個(gè)探頭以多個(gè)角度檢測(cè)焊縫，提高了小徑管對(duì)接焊縫的缺陷檢出率。

（2）使用特制的相控陣曲面楔塊可以有效改善耦合效果，提高信噪比。

（3）使用專(zhuān)用掃查架配合相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)極大地提高了檢測(cè)的速度且無(wú)輻射污染。

（4）相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能實(shí)時(shí)輸出A、B、C和S掃描顯示，數(shù)據(jù)分析直觀，且能完整保存小徑管焊縫檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以離線分析，便于監(jiān)督檢查。

［1］胡海燕，鄔冠華，吳偉，等.射線檢測(cè)小徑管的靈敏度對(duì)比試驗(yàn)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31（7）：569－571.

［2］牟彥春，金南輝.電站鍋爐小徑管對(duì)接接頭超聲檢測(cè)靈敏度補(bǔ)償量的確定［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（10）：814－821.

［3］詹湘琳.超聲相控陣油氣管道環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)技術(shù)的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

［4］李衍.焊縫超聲相控陣扇形掃查的覆蓋范圍［J］.無(wú)損檢測(cè)，2011，35（4）：1－6.