相控陣全聚焦技術應用于某主吸收塔橫向裂紋檢測分析

龔吉春

對某含硫天然氣主吸收塔，采用超聲橫波進行檢測發現大量橫向裂紋，為了對該類缺陷更直觀的成像和檢測，選取兩處采具有代表性位置的橫向裂紋用相控陣全聚焦TFM技術對橫向裂紋進行檢測，然后與缺陷解剖后形態對比，對全聚焦在焊縫檢測上的特點進行分析，為相控陣全聚焦TFM技術應用于帶堆焊層焊縫橫向裂紋檢測提供一種解決辦法。

超聲橫波;橫向裂紋;帶堆焊層焊縫;相控陣全聚焦TFM

1、概述

某天然氣凈化廠主吸收塔在進行定期檢驗過程中，采用超聲橫波檢測主焊縫，發現焊縫內部存在大量超標橫向裂紋，采用磁粉檢測，發現存在表面開口的橫向裂紋，為了對該類缺陷更直觀的成像和檢測，選取兩處采具有代表性位置的橫向裂紋，一處為焊縫內部橫向裂紋，一處為表面開口橫向裂紋，用相控陣全聚焦TFM技術對橫向裂紋進行檢測，然后與缺陷解剖后形態對比，對全聚焦在焊縫檢測上的特點進行分析，為相控陣全聚焦TFM技術應用于帶堆焊層焊縫橫向裂紋檢測提供一種解決辦法。

2、主吸收塔主要技術參數

3、檢測對象及范圍

3.1、主吸收塔焊縫參數

4、全聚焦TFM技術

4.1、全聚焦TFM技術介紹

4.1.1全聚焦工作方式

對于多陣元相控陣探頭，依次激勵每一個晶片激發球形波射入材料，每一次發射后材料中不連續處的反射回波將同時被所有晶片接收。

4.1.2全聚焦數據采集方式FMC

以探頭為4個晶片為例，第1個晶片T1發射信號，4個晶片接收信號;第2個晶片T2發射信號，4個晶片接收信號;第3個晶片T3發射信號，4個晶片接收信號;第4個晶片T4發射信號，4個晶片接收信號;這樣一共得到4×4個信號。此過程被稱為全矩陣捕捉FMC。具體過程見圖3。

4.1.3全聚焦的數據處理方式

（1）以全矩陣捕捉FMC數據采集形成A掃數據為矩陣FMC（4x4）;

（2）自定義一個二維矩形成像區，得到區域中任意一點P（x，y） 到探頭任意一對晶片組合（M，N）的聲程S M，P = 探頭晶片M到成像區中一點P的聲程;SP，N = 成像區中一點P到探頭晶片N的聲程;

（3）以成像區中的聲程數據為依據，結合采集的矩陣數據FMC進行相干處理，根據不同的波型及算法對圖像進行重構，以達到在成像區中各點能量高度聚焦的效果。

4.2、探頭及楔塊選擇

4.2.1線陣探頭

由于一次激發64個晶片，可以聚焦得更深，焦點尺寸更小，分辨力更好，信噪比更高所以通常選用64個晶片，本次選用線陣探頭：5L64-N55S，具體參數如下表：

4.2.2楔塊

通常缺陷與表面呈一定的角度，故選用一定的角度的楔塊，對發現缺陷非常重要，且在頻率相同的情況下，折射橫波波長相對于縱波波長更短，檢測靈敏度更高，故選擇合適角度的楔塊，進行波型轉換和入射角度選擇，本次選用的楔塊形狀及參數見圖2。

4.3、全聚焦設置

4.3.1設置要求

掃查范圍要能覆蓋整個深度范圍，由于全聚焦64陣元的探頭采集的矩陣數據FMC的尺寸很大，通常在10幾個G左右，故分兩個深度范圍0-60mm，40-88mm進行掃查，且兩個范圍有10-20%的重復區域;掃查的長度范圍能覆蓋熱影響區域和焊縫金屬區域。具體的掃查覆蓋范圍見圖3和圖4。

4.3.2覆蓋厚度范圍為0-60mm掃查

4.3.3覆蓋厚度范圍為40-88mm掃查

4.3.4掃查長度和寬度范圍

掃查的長度范圍能覆蓋熱影響區域和焊縫金屬區域，具體是從位置1到位置2，長度為80mm，見圖3和圖4;為了對整個區域進行掃查，從位置1到位置2掃查完后，將探頭向右側移動60mm，繼續掃查相鄰的區域，直到將整個區域覆蓋。

5、全聚焦檢測

5.1、相控陣全聚焦TFM對內部橫向缺陷的檢測

5.1.1全聚焦檢測

采用4.3的設置要求，經相控陣全聚焦TFM檢測，對焊縫內部的一處橫向裂紋進行檢測，缺陷編號為1#，掃查圖像見圖5。具體檢測結果見下表：

5.1.2、解剖結果

解剖發現，裂紋長度50mm，深度在56-83mm之間，分布在焊縫金屬范圍內，裂紋面與筒體內外表面和焊接方向均呈45°夾角，具體形態見圖6。

通過對比，發現全聚焦TFM在檢測內部橫向裂紋圖像與實際形態一致，且檢測數據與實際也很接近。

5.2、相控陣全聚焦TFM對表面開口缺陷的檢測

采用4.3的設置要求，經相控陣全聚焦TFM檢測，對焊縫的一處表面開口橫向裂紋進行檢測，缺陷編號為2#，掃查圖像見圖7。具體檢測結果見下表：

該缺陷為表面開口缺陷，而檢測結果顯示該缺陷離表面2.0mm，故全聚焦檢測也具有一定的盲區，但近表面盲區較小。

6、相控陣全聚焦技術應用于帶堆焊層焊縫檢測總結分析

采用相控陣全聚焦技術，能有效的對焊縫近表面及焊縫內部缺陷進行檢測，檢測精度高，近表面盲區小，同時對缺陷的還原度高，成像直觀，且不受內表面的堆焊層影響。

與常規超聲橫波和相控陣對比，相控陣全聚焦TFM的檢測方式具有以下優勢：

（1）常規超聲橫波和相控陣在檢測帶堆焊層的焊縫時，由于堆焊層會因為晶粒較大而發生不確定的的折射，無法采用一次反射波，對焊縫上部無法檢測，存在很大的盲區，而全聚焦不需要一次反射波就能對整個焊縫區域進行覆蓋;

（2）與常規超聲橫波和相控陣對比，其成像更直觀，對缺陷的細節顯示更精確，還原度更高。

（3）同時相控陣全聚焦也有一定的局限性，如同樣存在表面盲區，但相比之下盲區較小。

參考文獻

[1]NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》

[2]TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》

[3]王悅民、李衍、陳和坤《超聲相控陣檢測技術與應用》

[4]李衍《超聲相控陣全聚焦法成像檢測》.