基于幾種常用超聲方法的承壓設備對接焊縫檢測比對

沈建民 張子健 許波 吳家喜 胡健 張小龍 柴軍輝

摘要：脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣等幾種常用超聲方法是承壓設備對接焊縫埋藏缺陷檢測的有效手段，其適用范圍、檢測靈敏度、分辨率、缺陷定量精度等方面存在眾多差異。針對這些差異性，首先通過闡述檢測原理比較幾種方法的不同及其優缺點，其次針對43 mm厚的對接焊縫模擬試板進行檢測比對，并分析結果，明確幾種方法的適用情況，為今后承壓設備對接焊縫埋藏缺陷的檢測提供了一定的技術參考。

關鍵詞：對接焊縫;脈沖反射法超聲檢測;衍射時差法超聲檢測;超聲相控陣檢測

中圖分類號：TH142 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0075-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.14

0 ? ?前言

特種設備領域的承壓設備主要包含鍋爐、壓力管道和壓力容器，目前國內大型石油化工企業成套裝置內壓力容器和壓力管道數量眾多，在設備制造和連續長周期運行過程中，壓力容器和壓力管道的對接焊縫會產生各類缺陷，主要包括未焊透、未熔合、夾渣、氣孔和裂紋[1]。在制造階段中，GB 150.4-2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》和GB/T20801.5-2020《壓力管道規范 工業管道 第5部分：檢驗與試驗》規定了對于埋藏缺陷的檢測方法和比例，此處提及的超聲檢測方法包括：衍射時差法超聲檢測（TOFD）、可記錄的脈沖反射法和不可記錄的脈沖反射法;在役定期檢驗過程中，TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和TSG D7005-2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》中規定了采用超聲方法檢測埋藏缺陷。

目前使用較為廣泛的幾種超聲檢測方法主要有脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規線陣超聲相控陣、全聚焦超聲相控陣，這幾種超聲檢測方法在使用過程中存在眾多差異，適用范圍和檢測側重點也不同。文中采用這幾種常用聲學方法，并結合標準要求，設計了43 mm厚對接焊縫模擬試塊，并比對檢測結果，分析總結每種方法的特點與適用性，為今后承壓設備制造和使用過程中的埋藏缺陷檢測提供一定的技術支撐。

1 檢測方法與原理

1.1 脈沖反射法超聲檢測（A超）

（1）檢測原理。

超聲波探頭產生的脈沖波進入到工件中，以一定的方向和速度向前傳播，當遇到兩側聲阻抗存在差異的界面時，部分聲波被反射并被檢測設備接收和顯示，通過分析聲波幅度和位置等信息，評估是否存在缺陷及其大小、位置等。主要方法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法，其中對接焊縫檢測使用較多的是缺陷回波法，通過傳播時間對缺陷定位，通過回波幅度對缺陷定量[2]。

（2）優點。

穿透能力強，可對較大厚度范圍內的試件內部缺陷進行檢測;缺陷定位較準確;對面積型缺陷的檢出率較高;檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環境無害，現場使用較為方便。

（3）局限性。

難以對缺陷進行精確的定性、定量，尤其是缺陷測高;對具有復雜形狀或不規則外形的試件進行超聲檢測困難;材質、晶粒度等對檢測有較大影響;檢測結果顯示不直觀且無直接見證記錄;對人員技術要求較高。

1.2 衍射時差法超聲檢測（TOFD）

（1）檢測原理。

衍射時差法超聲檢測是通過超聲波與缺陷相互作用所產生的衍射波來評價對接焊縫焊接質量的超聲檢測方法，通常選用縱波斜探頭，采用一發一收模式。此方法一般將探頭分布于焊縫兩側，在工件無缺陷部位，發射超聲脈沖后，首先到達接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會接收到缺陷處產生的衍射波。掃查方式分為非平行掃查、平行掃查和偏置非平行掃查[3]。

（2）優點。

缺陷的衍射信號與缺陷的方向無關，缺陷檢出率高;覆蓋范圍大;缺陷自身高度測量精確;實時成像，可儲存分析;定量不依賴于缺陷的回波幅度。

（3）局限性。

存在掃查面盲區和底面盲區，需采用有效手段進行補充檢測;衍射波信號較弱，容易被噪聲干擾;焊縫中下部缺陷容易被夸大，對于數據分析能力要求較高。

1.3 常規線陣超聲相控陣（PAUT）

（1）檢測原理。

常規線陣超聲相控陣技術通過控制換能器陣列中各陣元激勵脈沖的時間延遲，改變各陣元發射聲波到達物體內某點時的相位關系，就可實現聚焦點和聲束方位的變化，從而進行掃描成像。通過設置掃查角度范圍、聚焦深度和焦點尺寸等參數，在一定程度上克服了A超由于聲束的方向性導致的在缺陷檢出和定量上的限制，其中波束偏轉和波束聚焦都是基于波的疊加和干涉以及惠更斯原理[4]。

（2）優點。

具有較高檢測效率，可在不移動或少移動探頭的情況下進行快速線掃查或扇形掃查，免去了鋸齒形掃查;可設置聲束角度，通過設定多個檢測角度，可以對復雜形狀設備和在役設備進行檢測;可以對所要關注的部位進行聚焦掃查，適用于現場大規模快速檢測。

（3）局限性。

扇掃過程中需要采用一次反射波進行表面掃查，檢測設備較為昂貴，對于不同規格的管道需要設置不同掃查工裝。

1.4 全聚焦超聲相控陣（TFM）

（1）檢測原理。

全聚焦相控陣檢測過程主要包括兩個部分：全矩陣數據采集（FMC）和全聚焦成像算法（TFM）。全矩陣數據采集原理如下：假定相控陣探頭具有n個陣元，依次激發每一個陣元，所有陣元接收回波信號并儲存，按照此規律依次激發所有陣元，直到最后一個陣元被激發，并被所有陣元接收，最后采集得到n×n列時域超聲回波信號，因為被采集數據可看作存儲在一個n行n列的矩陣中，所以稱之為全矩陣數據采集。全聚焦成像算法原理如下：針對所檢測區域設定一個自定義成像區，得到任意一點P（x，y）到任意一對晶片組合（M，N）的聲程分別為：SM，P為探頭晶片M到P點的聲程，SP，N為P點到探頭晶片N的聲程，以成像區中的聲程數據為依據，對FMC數據進行相干疊加處理，獲得表征該點信息的幅值I （x，y）=f （FMC，SM，P，SP，N），采用該算法得到自定義成像區內每點的成像，最終得到各點能量高度聚焦的效果[5]。

（2）優點。

全聚焦超聲相控陣最大的優點是可實現檢測范圍的實時全部聚焦，具有較高信噪比、成像分辨率和檢出率，尤其針對于小缺陷，測量精度較高，對于焊縫裂紋定性和定量具有較高的準確性。

（3）局限性。

首先檢測設備較為昂貴，其次檢測速度比常規線陣相控陣慢，存儲數據較大，對于設備要求較高，一般不用于大批量對接焊縫掃查，通常用于缺陷精確定量。

2 檢測結果及討論

2.1 模擬試板

針對承壓設備對接焊縫的常見缺陷進行設計，尤其是危害性較大的表面裂紋和埋藏裂紋，加工了43 mm厚對接焊縫模擬試塊，如表1、圖1所示。

2.2 檢測工藝

2.2.1 脈沖反射法超聲檢測

檢測工藝如表2所示。

2.2.2 衍射時差法超聲檢測

檢測工藝如表3所示。

2.2.3 常規線陣超聲相控陣

本次檢測所用設備是以色列ISONIC 2009相控陣檢測儀器，探頭為16晶片的線陣橫波探頭，頻率4 MHz，楔塊角度36°，折射中心角度55°。相控陣檢測主要參數如下：掃查方式為沿線掃查+扇掃描，記錄模式為編碼器，編碼器步進1 mm，扇掃范圍32°～75°，角度步進1°，聚焦深度43 mm，聲速5 900 m/s，評定線靈敏度為φ2×60-14 dB，掃查靈敏度為φ2×60-8 dB，檢測面為雙面單側，掃查速度≤30 mm/s，耦合補償為3 dB。

2.2.4 全聚焦超聲相控陣

全聚焦相控陣檢測采用M2M公司的GEKKO攜式相控陣探傷儀，探頭參數如下：64晶片線陣探頭，頻率10 MHz，晶片中心距0.3 mm，長度19.15 mm，寬度8 mm，楔塊角度36°。檢測主要參數如下：采用輪式編碼器，步進1 mm，全聚焦的波型模式為TT（橫波-橫波），全聚焦范圍寬度40 mm，高度45 mm，分辨率5.5采樣點/mm，基準增益為75 dB，掃查增益為6 dB。

2.3 檢測結果

2.3.1 脈沖反射法超聲檢測結果

常規A超檢出了模擬試板中的所有缺陷，統計結果如表4所示。檢測波形如圖2所示。

2.3.2 衍射時差法超聲檢測結果

TOFD檢出了所有缺陷，統計結果如表5所示。TOFD檢測D掃結果如圖3所示。

2.3.3 常規線陣超聲相控陣檢測結果

由于常規線陣相控陣扇掃存在一定范圍的盲區，所以采用單側雙面的方法進行檢測，通過正反兩面的掃查，檢出所有缺陷，統計結果如表6所示。常規線陣相控陣檢測圖譜如圖4所示。

2.3.4 全聚焦超聲相控陣結果

采用全聚焦超聲相控陣從單面單側進行掃查，檢出了所有缺陷，缺陷情況如表7所示。全聚焦超聲相控陣檢測圖譜如圖5所示。

2.4 討論分析

對以上4種常用聲學檢測方法的結果進行匯總比對，重點關注缺陷長度、深度和自身高度的測量結果，如表8所示。

由表8可知：（1）對于缺陷長度的測量，A超由于是基于半波法進行測長，測量精度低于其余三種，TOFD和TFM的測長結果最為接近，考慮到TOFD檢測原理和TFM檢測原理，可認為兩者在缺陷測長方面具有較高的可靠性，PAUT的測長準確性略低于TOFD和TFM;（2）對于非表面開口缺陷深度的測量，仍然是TOFD和TFM兩者的測深結果最為接近，A超的測量精度明顯提高，與TOFD和TFM差距較小，PAUT的結果與A超類似，誤差較小，因此在測深方面，四種聲學技術均具有較高的準確性，但值得注意的是，對于表橫裂紋這類表面開口缺陷，TFM法由于近場區的影響，測量會不準確，需采用單側雙面或者雙面雙側進行掃查，A超測出的是缺陷最高回波處的深度，PAUT采用了單面雙側檢測，TOFD通過測量直通波下沉情況進行判斷，具有較高的準確性;（3）對于缺陷自身高度的測量，雖然NB/T47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》給出了A超缺陷測高方法，但實際應用難度較高，需要較高的操作水平且測量結果易受雜波干擾，所以應用不廣泛，綜合考慮TOFD檢測原理與試板加工預制缺陷情況，認定TOFD測高結果最為接近真實狀況，通過數據比對，可以得出TFM結果與TOFD結果最為接近，但仍需注意近場區的影響，PAUT測量準確性次之，因此在缺陷測高方面，TOFD檢測結果最為可靠，TFM和PAUT檢測結果具有較高的可靠性，A超一般不用于測高。

3 結論

（1）脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、常規線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣都可用于在制或者在役承壓設備對接焊縫埋藏缺陷的檢測。

（2）基于碳鋼材質的中厚板對接焊縫，單從缺陷測長精度方面考慮，首選TFM和TOFD方法，其次是PAUT，最后是A超，但實際應用時需綜合考慮檢驗檢測效率與成本，目前承壓設備定期檢驗中使用較為廣泛且可靠性較高的方法是PAUT，對缺陷精確定量時采用TFM和TOFD方法。

（3）對于缺陷測深和測高，首選是TOFD方法，其次是TFM方法，然后是PAUT，最后是A超。A超只能測定缺陷最高回波處的深度，與實際深度存在一定偏差，若采用TOFD方法，需針對表面盲區和底面軸偏離盲區采取有效的檢測手段進行彌補，會增加一定的工作量，目前承壓設備對接焊縫埋藏缺陷的檢測方法主要是采用PAUT大面積快速掃查，對于需要精確測高的缺陷，采用TOFD或者TFM方法進行定量。

參考文獻：

張子健，吳家喜，張小龍，等.壓力管道對接焊縫典型缺陷的相控陣CIVA仿真與檢測[J]. 無損檢測，2019，41（3）：45-51.

龔浩，鄧志剛. 可記錄脈沖反射法超聲檢測的試用實例[J]. 中國特種設備安全，2013，29（7）：45-46.

楊晶，趙亮，王希. 相控陣和超聲衍射時差法在球罐裂紋檢測中的應用[J]. 無損檢測，2019，41（1）：35-38.

蔡亮，高帥，牛志勇，等. 超聲相控陣技術在壓力容器焊縫無損檢測中的應用[J]. 石油和化工設備，2020，23（11）： 75-77.

強天鵬，楊貴德，杜南開，等. 全聚焦相控陣技術聲場特性初探[J]. 無損檢測，2020，42（1）：1-6.