流量計焊縫超聲檢測模擬軟件的開發與應用

夏 尚，童良懷,王 濤，慎哲恒

(衢州市特種設備檢驗中心, 衢州 324000)

2016年8月11日，當陽市馬店矸石發電有限責任公司熱電聯產項目在試生產過程中，2號鍋爐高壓主蒸汽管道上的“焊接式長徑噴嘴流量計”裂爆，造成22人死亡，4人重傷，直接經濟損失約2 313萬元。調查表明，該起事故主要是由噴嘴流量計焊縫裂爆引起的。流量計內部承受高溫高壓蒸汽，但流量計未被列入《特種設備目錄》，所以其不受特種設備相關部門的監管，而流量計制造行業的研究方向主要集中在計量的準確性上，對于焊接性能方面的研究并不多，特別是在焊縫檢測環節，少有報道研究。

1 流量計結構及焊縫常見缺陷

噴嘴流量計一般由兩個采用對接焊接連接的環室短節及噴嘴組成，環室短節及焊縫材料為低合金耐熱鋼，流量計結構示意如圖1所示。由于流量計兩環室短節較厚，在焊接時容易產生未焊透缺陷，當陽事故發生的原因就是焊接接頭存在未焊透缺陷，其最薄處的焊縫有效厚度僅有2 mm，承載能力遠遠不能滿足設計要求。衢州市特種設備檢驗中心項目研究人員對該市5家熱電企業使用的20余臺流量計進行了調研，并采用射線、超聲、金相檢測后發現，大部分流量計焊縫都存在未焊透，少部分還存在裂紋、未熔合、非金屬夾雜物等缺陷。項目研究人員經過調研發現，一般流量計制造企業在制造過程中不對焊縫內部進行檢測，采用的焊接工藝也沒有經過焊接工藝評定。焊縫力學性能試驗結果表明，流量計焊縫韌性極差，容易產生焊接缺陷。且流量計實際服役于高溫高壓環境中，材料易裂化，所以對焊縫內部進行檢測非常有必要。

圖1 流量計結構示意

2 A型脈沖超聲波技術的檢測難點

由于流量計中噴嘴結構的存在，所以無法采用射線對其焊縫進行檢測。為了驗證超聲檢測的可行性，研究人員首先采用A型脈沖超聲檢測，同時將流量計沿軸向進行八等分切割，并移除噴嘴后用射線對焊縫進行檢測復核，復核結果顯示兩種檢測結果基本一致，故可以采用A型脈沖超聲檢測技術對流量計焊縫進行內部檢測，但由于流量計內部結構特殊(見圖2)，對其進行超聲檢測存在以下難點[1]。

(1) 超聲檢測時，探頭只能在環室短接處拖動掃查，但環室短接長度L1過短，如果只選用一個探頭，L1無法滿足NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》 規定的最短探頭移動區的要求；同時通氣腔L2阻擋了二次波向上傳輸的路線。

(2) 通氣腔、噴嘴、焊縫、環室短接之間存在著3處空隙區(見圖2紅圈處)，超聲波聲束無法穿越空隙區并到達焊縫內部。

圖2 流量計焊接接頭結構示意

綜上所述，由于結構特殊，流量計內部的超聲波聲束傳播路線非常復雜，往往一個探頭的掃查范圍無法覆蓋整個焊縫厚度，所以需要選用幾個不同K值的探頭來組合使用，一般大K值探頭的一次波掃查焊縫下部，小K值探頭的二次波掃查焊縫上部。

3 常規探頭的模擬分析方法

為了篩選出能夠覆蓋整個焊縫厚度的探頭K值組合，以往檢測人員采用三角函數計算、AutoCAD繪圖等人工方式進行計算[2]。檢測人員繪制流量計結構，再計算出若干個探頭的焊縫掃查范圍，掃查范圍疊加后若能覆蓋整個焊縫厚度，即代表該組探頭適用。對每一種不同規格的流量計、不同K值的探頭都需要單獨計算，計算量龐大，容易產生誤差，計算出的探頭組合可能并不是缺陷檢出率最高的組合。

4 流量計焊縫超聲檢測模擬分析軟件

4.1 軟件的開發

為了使流量計焊縫的超聲檢測結果更加直觀、高效、準確，免去人工計算探頭組合的繁瑣和誤差，研究人員以人工三角函數計算為原理，借助計算機的運算能力，開發出了“流量計焊縫超聲檢測模擬分析軟件”，該軟件采用Visual Studio 2013 64位、QT 5.6.0 32位、Inno Setup 5.5.4 32位為開發工具，以C++為開發語言，搭建VS2013+QT5.6.0的開發環境，通過VS自身創建QT項目功能創建了原始的空白界面，系統版本號等固定信息存儲在mysetting.ini文件中，另外創建了CGlobal.cpp和CGlobal.h來存儲全局變量，以便不同頁面模塊間傳遞數據。由于默認的標題欄不夠美觀，所以添加了長條形gif動態圖片為標題欄底圖，并單獨制作放大、縮小、退出等操作按鈕。為了將操作界面與繪制界面耦合，單獨新建了繪圖MyPad界面，作為Scanner界面的子界面，參數設置等都在Scanner主界面上。之后通過重寫paintEvent(QPaintEvent *event)的方法，在MyPad界面上繪制圖形[3]。

4.2 軟件功能介紹

該軟件能夠根據檢測人員輸入的流量計結構參數實時形成對應圖形，并根據選擇的探頭K值模擬出聲束路線和掃查范圍，最終自動分析出能掃查整個焊縫厚度所需的探頭K值組合，節約了檢測前的準備時間，極大地提高了工作效率。

該軟件操作主頁面分為5大區域，操作主頁面如圖3所示，具體描述如下：1處是流量計結構參數錄入區，在此區域檢測人員可以錄入流量計結構參數，同時左上角會自動顯示與坡口垂直的K值(為之后選擇最優K值做參考)；3處是圖形區，根據錄入的流量計結構參數，該區域能夠展示對應的圖形，并且整個圖形可以通過鼠標上下左右拖動，還可以通過鼠標滾輪放大、縮小畫面。為了方便缺陷定位，以坡口中心線和平臺的交點為零點，鼠標指針處顯示當前鼠標坐標；4處是探頭，在手動計算模式時，可以通過鼠標按住探頭水平左右拖動(L范圍內拖動)，從而實時模擬出超聲波聲束走向和焊縫掃查范圍；2處是智能計算結果區，根據錄入的流量計結構參數和預置探頭參數，選擇智能計算后會在該區域展示推薦的探頭選擇方案。

圖3 軟件操作主頁面

5處右上角功能介紹：

(1) “探頭選擇”下拉框表示可以從“探頭庫”選擇不同規格的探頭，繪圖區域的探頭大小和角度也會隨之變化。為了提高檢出率，探頭排列順序是根據與坡口垂直的K值大小實時調整的。“探頭庫”中最多預置30個探頭，設置探頭的參數包括前沿和K值。

(2) “圖形復位”按鈕在流量計圖形被拖動或放大、縮小后，可以回到最初的狀態。

(3) “智能計算”按鈕可以在當前結構參數和預置探頭的情況下，自動計算可以100%覆蓋焊縫厚度的探頭組合，最多顯示10組結果。

(4) “清除計算”按鈕，可將當前智能計算結果清除，否則會一直顯示當前的覆蓋圖像，無法手動操作。

(5) “截圖”按鈕可以將當前軟件界面截圖，并保存至軟件安裝目錄下的“screenShot”文件夾，可輸出現場檢測的指導圖。

4.3 軟件的檢測案例

檢測人員對某熱電公司流量計進行超聲檢測，利用該軟件手動掃查或智能計算兩種模式，篩選出能夠覆蓋焊縫全厚度的探頭K值組合。

(1) 手動掃查模式。檢測人員首先在軟件上部的“流量計結構參數錄入區”輸入流量計結構參數，圖形區自動展示出對應的圖形，手動點選橘黃色的K1探頭并拖動(只允許在L內拖動)，在拖動過程中被掃查到的焊縫區域會填充相應橘黃色的線條，手動掃查后發現，K1探頭所代表的橘黃色區域無法覆蓋焊縫全厚度；檢測人員繼續選用紅色的K2探頭,以同樣的方式在L內拖動探頭，在拖動過程中被掃查到的焊縫區域會填充相應的紅色線條，同時左上角顯示當前的完成率(即覆蓋率)，如果100%覆蓋焊縫厚度，則會彈出提示“掃查完成”。100%掃查完成示意如圖4所示，經過手動掃查模式分析出選用前沿6.5 mm的K1探頭和前沿6.5 mm的K2探頭組合,即可100%覆蓋焊縫全厚度。

圖4 100%掃查完成示意

(2) 智能計算模式。智能計算模式下不需要檢測人員通過手動拖動探頭完成模擬掃查，軟件會自動模擬鼠標拖動探頭的掃查過程，完成探頭篩選。由于流量計的常見缺陷為根部未焊透和坡口未熔合，考慮此類缺陷的檢出率，智能計算時軟件會優先選擇K1探頭及與坡口角度近似垂直的K值探頭進行自動模擬掃查，如不滿足焊縫覆蓋率，再繼續按探頭列表中的其他探頭進行自動模擬掃查，以確保覆蓋焊縫整個厚度的基礎上,首先選用檢出率較高的K值探頭。智能計算過程中無法操作鼠標，需要中途退出則按 “Esc”鍵。智能計算結束后，在“結算結果欄”中會最多顯示10組方案，按所需探頭數量由少到多，從左到右排列(見圖5)。該流量計采用的超聲檢測方案1為選用前沿6.5 mm的K1探頭和前沿6.5 mm的K2探頭，其余還有9組其他方案供選擇。為了方便檢測人員驗證每個探頭的覆蓋情況，檢測人員點擊不同方案，能顯示出對應的覆蓋圖像。

圖5 智能計算結果示意

5 結語

該軟件根據流量計結構參數和探頭K值，利用三角函數原理實時生成對應的焊縫掃查圖像，并根據坡口角度得到檢出率最高的探頭K值組合，實現覆蓋整個焊縫厚度，優化了探頭組合；借助計算機強大的運算能力，幾乎可以瞬時計算出10組探頭組合供檢測人員選用，免去人工計算的繁瑣；只要保證流量計結構參數輸入正確，軟件的計算結果正確率為100%，極大地提高了超聲檢測的準確性。同時，軟件也具有良好的人機界面，無需聯網，硬件要求低，操作直觀簡單，方便檢測人員掌握和使用。

項目組研究人員利用該軟件選用了探頭組合，在流量計的人工缺陷試塊上能夠掃查焊縫整個厚度，進一步驗證了軟件的可靠性，提升了流量計的安全性能，具有很強的工程應用價值。