水利工程中金屬焊縫缺陷的超聲檢測方法比較研究

王光旭，李維樹，譚 新

(長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010)

0 引 言

水利工程的金屬結構在設計安裝過程中，焊接部位難以避免地會存在一些在標準允許范圍內的缺陷[1]。這些缺陷在水利工程金屬結構的運行階段由于載荷變化、外界腐蝕等原因會發生演變，最終形成超標缺陷，給水利工程帶來安全隱患[2]。水利工程金屬結構中的焊縫類型主要為T形角焊縫、對接焊縫、管道環向焊縫、管道軸向焊縫，其中對接焊縫較為常見，如鋼閘門翼板對接焊縫、腹板對接焊縫、面板對接焊縫以及吊耳板對接焊縫等，且多數為一類焊縫。以上各類焊縫中缺陷的精準檢測與精細識別，對水利工程的安全運行和科學管理具有重要意義。采用常規手段識別金屬結構焊接缺陷存在諸多問題，現行的檢測方法、檢測技術和安全評估體系尚不完善，亦存在各自的局限性，有待進一步探索、研究、改進和完善[3]。通常采用的超聲波、磁粉、滲透及射線探傷方法均存在各自的弊端，而相控陣[4]、紅外探傷、衍射時差法(Time of Flight Diffraction, TOFD)檢測[5]等先進技術的應用尚處于起步階段。這些檢測技術是精確探測微缺陷的重要手段，目前在我國水電工程中的應用并不普遍。

針對上述問題，本文對比了常規超聲檢測技術、超聲相控陣技術、TOFD對水利工程金屬結構焊接缺陷的識別能力，分析了各種缺陷在超聲無損探傷技術中的特征顯示，以便為其在水利工程金屬結構焊縫缺陷識別中的應用提供依據。

1 試驗材料

本試驗所用試塊為300 mm×300 mm×20 mm的Q235B焊接缺陷試塊，中間以一條V形坡口對接焊縫連接。焊縫中預埋水利工程金屬結構焊接件中常見的典型缺陷，缺陷包括坡口未熔合、根部未焊透、氣孔、橫向裂紋以及縱向裂紋。其中氣孔屬點狀缺陷，裂紋屬面積型缺陷(試塊A)，如圖1所示。坡口未熔合、根部未焊透屬體積型缺陷(試塊 B)，如圖2所示。圖1、2中單位為mm。由射線檢測確定的各缺陷空間尺寸，如表1所示。表1中起始位置為缺陷左端距試塊左端距離，長度為平行于焊縫軸線的長度，深度為缺陷上端點距焊縫表面距離。

圖1 焊接缺陷試塊A(Q235B)Fig.1 Weld defect sample A (Q235B)

圖2 焊接缺陷試塊B(Q235B)Fig.2 Weld defect sample B (Q235B)

表1 試塊焊縫缺陷空間尺寸Table 1 The dimensions of weld defect samples

2 試驗方法

2.1 常規超聲檢測

檢測設備為HS600數字超聲波探傷儀，選用探頭：5P9×9K2.5，試塊：標準試塊CSK-I A、對比試塊CSK-ⅡA-1，耦合劑為機油。按NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[6]規定的B級檢測等級實施檢測，按圖2中從左至右方向進行掃查。

為檢測縱向缺陷，斜探頭垂直于焊縫中心線放置在檢測面上，作鋸齒型掃查，如圖3所示。探頭前后移動的范圍應保證掃查到全部焊接接頭截面，在保持探頭垂直焊縫作前后移動的同時，作 10°～15°的左右轉動。

圖3 超聲波探頭的鋸齒型掃查Fig.3 Sawtooth scanning of ultrasonic probe

為觀察缺陷動態波形和區分缺陷信號或偽缺陷信號，確定缺陷的位置、方向和形狀，采用前后、左右、轉角、環繞等四種探頭基本掃查方式，如圖4所示。

圖4 四種基本掃查方法Fig.4 Four basic scanning methods

2.2 TOFD檢測

檢測設備為奧林巴斯Omniscan SX探傷儀，探頭：5 MHz、φ3 mm，楔塊：70°有機玻璃，耦合劑為機油。檢測區域為焊縫本身及熔合線兩側各10 mm。按NB/T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測 超聲衍射時差檢測》[7]規定的B級檢測等級實施檢測。

由于板厚為20 mm，故采用單通道檢測，時間窗口的起始位置設置為直通波到達接收探頭前0.5 μs以上，時間窗口終止位置設置為工件底面的一次轉換波形后0.5 μs以上。同時將直通波和底面反射波的時間間隔所反映的厚度校準為20 mm。在試板母材區域將直通波的波高設置為滿屏刻度的60%，即為檢測靈敏度。調整編碼器的“分辨率”(每步進1 mm的數據采集次數)為37 步·mm-1。由于底面盲區小于規范要求的數值，因此試驗只進行非平行掃查。

2.3 超聲相控陣檢測

檢測設備為 Omniscan MX2，選用探頭5L64-A12，試塊CSK-ⅡA-1，楔塊SA12-N55S，耦合劑為機油，掃查法配置為扇形掃查，波形設為橫波[8]。實施檢測前，設備的參數設置如表2所示。

表2 Omniscan MX2相控陣檢測系統參數設置Table 2 Parameter setting of Omniscan MX2 phased array detection system

檢測時應保證掃查速度小于或等于最大掃查速度vmax，同時應保證耦合效果和滿足數據采集要求。最大掃查速度為[9]

式中：vmax為最大掃查速度(mm·s-1)；FPR為激發探頭的脈沖重復頻率(Hz)；Δx為設置的掃查步進值(mm)；N為設置的評價信號次數；A為A掃描的次數。

3 結果分析

3.1 常規超聲波檢測結果分析

表3是運用超聲波探傷法對試塊進行無損探傷的結果，5個不同的缺陷處均有顯示信息。從表 3中可知，超聲波檢測對于缺陷水平位置的探測精度較為精確。對于深度位置的探測，試塊上預埋的缺陷探測結果基本上都實現了對深度位置的準確定位，由于儀器和人為操作的原因，存在±2 mm以內的誤差。但是，從表3中可以看出，氣孔和橫向裂紋的顯示信息極為相似，這也是超聲波探傷方法的一個局限性，即難以對缺陷定性，實際工程應用中更多的是根據操作人員經驗以及配合多方向掃查來實現定性的。

表3 超聲波檢測結果Table 3 Ultrasonic inspection results

為了分析缺陷顯示信息中波幅與探測位置的關系，記錄探頭垂直于焊縫中心線時，在缺陷實際位置處各點的超聲回波幅值，兩個試塊中不同缺陷的位置-波幅曲線如圖 5所示。從圖 5中可知，圖5(a)中的氣孔和圖5(b)中的橫向裂紋的位置-波幅曲線極為相似，回波幅度相差也不大。這主要是因為超聲波在做縱向掃查時對聲束軸線上的線性缺陷不敏感，在實際工程檢測中主要是依靠操作人員的經驗以及配合多方向掃查來對缺陷進行定性。對于圖 5(c)～5(e)中具有一定焊縫軸向長度的缺陷，位置-波幅曲線都呈現出相似的規律，即中間位置波幅高，兩端點處波幅低，但又不呈現左右對稱性，這也是檢測出現誤差的原因之一。圖5(d)、圖5(e)中的體積型缺陷的回波幅度高于圖5(c)中的面積型缺陷的回波幅度。

3.2 TOFD檢測結果分析

圖5 超聲波檢測顯示的不同缺陷的位置-波幅曲線Fig.5 Position-amplitude curves of different defects in ultrasonic inspection

圖6 試塊A、B的TOFD圖像Fig.6 TOFD display for Sample A and B

TOFD技術是把一系列A掃數據組合，通過信號處理轉換為TOFD圖像。在圖像中每個獨立的A掃信號成為圖像中很窄的一列，通常一幅TOFD圖像包含了數百個A掃信號，A掃信號的信號幅度在圖像中是以灰度明暗顯示的，通過灰度等級表現幅度大小。圖6是試塊A、B的TOFD圖像，從圖中可以清晰地看出缺陷處灰度的變化。從圖6中可知，氣孔和橫向裂紋在圖中呈現出一種特殊的弧形，產生這種弧形的原因可解釋如下：弧形突起峰的最高點對應的是衍射信號聲程的最小位置，探頭掃描過程中，衍射點相對于探頭位置不斷變化，衍射信號的傳輸時間也不斷變化，當缺陷位于發射和接收探頭的連線中點下方的對稱處時，信號通過發射、接收探頭和與檢測表面的垂直平面，脈沖傳輸時間最短。當探頭偏離這一位置時，無論是平行于焊縫移動(D掃描)，還是垂直于焊縫移動(B掃描)，傳輸時間都會增加。因此，TOFD掃描時，探頭由遠處而來，經過缺陷再離去，衍射信號的傳輸時間先是逐漸減小，然后再逐漸增加，這樣在TOFD圖像中就形成一個弧[10]。縱向裂紋和未熔合的TOFD信號比較相似。有一定高度的內部裂紋和未熔合的信號由上、下尖端衍射波組成，上、下兩個尖端的A掃信號相位相反，這也是判別TOFD圖像中上、下兩個顯示信號是否為同一個缺陷的依據。縱向裂紋和未熔合信號也有一些細微區別：焊接產生的裂紋上、下端點一般不太規則，在深度平面上很少是一條直線；有些裂紋除上、下端點信號外，在兩者之間還存在一些夾雜信號。未熔合與縱向裂紋相比，其上、下端點信號比較規則，在深度平面上基本為直線或曲線，除上、下端點外，其它夾雜信號較少。對于一些無法通過 TOFD信號區分的裂紋和未熔合缺陷，可以利用橫波探頭來幫助區分。試塊B中根部未焊透高度較小，上下尖端信號不夠明顯，且由于根部距探測面較深，圖像中顯示也沒有坡口未熔合那樣明顯與規則，一般是通過顯示深度和A掃信號特征來確定是否為根部未焊透。對于其它下表面開口的根部未焊透，其信號易于識別，有兩個典型的特征：(1) 底面反射波消失或下沉；(2) 僅有上尖端衍射。

通過TOFD圖像數據分析軟件OmniPC-4.2對缺陷顯示信號進行分析，得到的檢測結果如表4所示。從表4中的結果可以看出，TOFD給出的缺陷尺寸信息較為準確，對小尺寸缺陷如氣孔、橫向裂紋的水平長度能夠檢出，但對其自身高度的檢出精度不大。

表4 TOFD檢測試塊A和B中缺陷的結果Table 4 TOFD detection results for defects in Sample A and B

3.3 超聲相控陣檢測結果分析

相控陣檢測結果直觀、圖像可視化，可形成A掃、C掃、S(扇形)掃描，有利于缺陷的識別與定性，數據可存儲、可動態回放分析。根據2.3節檢測方法及相關標準規定分別對試塊A、B進行了超聲相控陣檢測，試塊A、B相控陣檢測結果如圖7所示。

圖7 試塊A、B相控陣檢測圖片Fig.7 Ultrasonic phased array display for Sample A and B

從圖7可以看出，試塊A的相控陣檢測圖像中并沒有明顯的氣孔和橫向裂紋缺陷顯示，這是由于相控陣檢測是平行于焊縫的一維線性掃描，超聲聲束方向平行于橫向裂紋方向，導致相控陣在掃查點狀缺陷或者與超聲聲束平行的缺陷時，檢出率極低。圖像中縱向裂紋缺陷顯示明顯，從圖7中可看出其水平起始位置為238.2 mm，長度19.3 mm。試塊B的相控陣檢測圖像中顯示出兩個缺陷，分別對應坡口未熔合和根部未焊透，根部未焊透缺陷信號較坡口未熔合信號要更為明顯，A掃信號更高，這與TOFD檢測結果正好相反。從圖像中看出坡口未熔合起始位置 54.5 mm，水平長度 29.1 mm，根部未焊透起始位置152.9 mm，水平長度33.8 mm。通過相控陣圖像數據分析軟件 OmniPC-4.2還可獲得缺陷的埋藏深度和自身高度，試塊A、B的相控陣檢測結果如表5所示。

表5 相控陣檢測試塊A和B中缺陷的結果Table 5 Results of ultrasonic phased array detection for defects in Sample A and B

4 結 論

本文運用了3種基于超聲的無損探傷方法對水利工程金屬結構焊縫中常見的缺陷進行檢測。試驗結果表明：

(1) 常規超聲檢測、TOFD檢測均能對 5種缺陷實現缺陷信號顯示，超聲相控陣檢測對氣孔和橫向裂紋的顯示不夠明顯，但對其它3種缺陷的檢出效果較為明顯。

(2) 常規超聲檢測在5種缺陷處均有回波顯示，探測的缺陷信息基本準確。由于常規超聲檢測中對缺陷的測量主要依靠操作人員的定位判讀，所以尺寸誤差較其他兩種方法大，且無法實現圖像的直接顯示與保存，對缺陷的定性困難，精度不高。

(3) TOFD檢測結果圖中，5種缺陷均有顯示，氣孔和橫向裂紋的顯示呈現出一種特殊的弧形，有一定高度的內部裂紋和未熔合的信號由上、下尖端衍射波組成，根部未焊透距探測面較深，上、下尖端信號不夠明顯。在對缺陷起始位置和水平長度的測量上，TOFD檢測較常規超聲檢測精度高。

(4) 相控陣檢測結果直觀，圖像可視化，可形成A掃、C掃、S(扇形)掃描，有利于缺陷的識別與定性等，數據可存儲、可動態回放分析。相控陣檢測可以測量缺陷的埋藏深度、自身高度、長度等，能為水利工程金屬結構的安全評估提供可靠的檢測結果。但是由于相控陣檢測是平行于焊縫的一維線性掃描，超聲聲束方向平行于橫向裂紋方向，導致相控陣在掃查點狀缺陷或者與超聲聲束平行的缺陷時，檢出率較低。

本文通過對比3種不同超聲無損探傷方法對水利工程金屬結構對接焊縫中常見缺陷的探測，分析了各種缺陷在超聲無損探傷技術中的顯示特征以及3種超聲檢測技術的優劣性，對于其在水利工程金屬結構焊縫缺陷識別中的合理應用具有重要意義。