在役管道環焊縫的相控陣超聲檢測思考探究

關向國

（中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

不銹鋼管道焊接為當下海上平臺管線生產的重要工藝之一，Cr-Ni奧氏體不銹鋼是常用的制造材質，這種材料的導線性偏差，線膨脹系數相對較高，焊接階段會形成較大的焊接應力、若焊材質量不達標、工藝不規范等，則會增加晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷的發生率。因為奧氏體焊縫自身處于一種晶粒粗大的柱狀晶組織，當有超聲波穿入焊縫內時，會在晶粒直徑、柱狀晶組織作用下出現彈性各向異性，進而滋生出聲速、散射衰減量增加等情況[1]。故而，采用常規超聲技術檢測不銹鋼管道環焊縫時取得的效果并不理想。

超聲相控陣檢測利用計算機軟件控制聲束角度、聚集距離等，可以采用單個多晶片相控陣探頭從多個角度檢測同個部位的焊縫發生情況，在檢測幾何外形復雜的焊縫方面也表現出良好效能，機動性、靈活性均較高，利用計算機設備采集處理信號和數據，能更直觀的呈現出超聲檢測結果。

1 相控陣檢測的原理分析

該項檢測技術應用多陣元換能器去激發與接收超聲波束,控制換能器陣列內各個陣元發射(接收)脈沖的拖延時間，調整聲波抵達物體中某點的相位關系，進而掃描、偏轉、聚焦超聲波波束，應用結合使用機械和電子掃描得方法達到多方式成像。既往已經有大量的實踐中表明，相控陣超聲技術能同時呈現出多組A、S、B、C掃描的組合式視圖[2]。在具體檢測實踐中，能夠協助工作人員直接觀察到C掃描下的成像情況，為數據信息實現可視化觀察、分析過程創造了便利條件。在多組視圖的協助下去更客觀的判斷信息的實際特征，為后期解讀缺欠性質提供更可靠的支持。

2 超聲相控陣檢測不銹鋼管道環焊縫

2.1 選擇適宜的相控陣探頭

既往有很多報道證實，即便是在熱處理過程中，奧氏體不銹鋼自身也不會出現相變、晶粒細化現象。不銹鋼各向異性是影響橫波檢測過程的主要因素，在焊縫內其聲束還會出現不同程度偏轉，進而形成一些與缺陷相似度較高的偽信號。故而，實踐中

應用縱波探頭開展檢測活動時，應盡可能的提升聲束的穿透性，并配合使用雙晶探頭去進一步減輕噪聲信號形成的干擾。

2.2 完善超聲相控陣參數的設置

參數設置直接影響著檢測空間及對比度分辨率的主要因素之一，工作人員要重視分析和歸納各項參數在檢測過程及檢測結果內各自的影響規律，以此為據，完善設置各項參數的規則和方法。超聲相控陣參數基本上是用通道增幅、采樣頻次級位數、帶能濾波、平滑化及電壓等構成脈沖寬度100-1000ns區間中改變時，掃查圖呈現，脈沖寬度偏大或偏小時均不能獲得較好的檢測結果，故而要科學選用脈沖寬度。在半聲程聚集模式下，勾畫脈沖寬度-同波幅值一信噪比曲線圖，認真觀察曲線的走勢，不難發現當脈沖寬度在450-500ns范圍中取值時，目標孔和波幅值均會達到峰值，而現在其他寬度下，均會呈現出先增后減的改變趨勢，噪聲幅數值的改變也遵照以上規律[3]。故而，在采用相控陣超聲波檢測管道焊縫時，建議將脈沖寬度調整到陣列探頭主頻率周期的50%上下，并確保同波幅值、信噪比均能符合現行規范要求。

3 相控陣具體檢測工藝

選擇Omniscan MX2 超聲波相控檢測儀開展檢測工作，為其配備了5MHz,64晶片探頭與SA12-N60L楔塊。已知選定的不銹鋼管道材料共包括4 處缺陷，一處是x軸位 26.02、y 軸位0mm位置的長度達到35.4mm、高度是15mm的周向內表面缺陷；兩個是內表面缺陷，其中一個x 軸位61.40、y 軸位0mm 處的長度是10mm、高10mm，另一個x軸位280.05°、y 軸位-5.0mm 處對應的長度40mm、高度值19.5mm，一個是周向埋藏缺陷，x軸位302.28°、y 軸位 0mm 處的長48mm、高15mm。檢測前依照工件真實狀況仿真模擬聲場，生成縱波大角度S掃。為了能將管道中流動液體對超聲波傳輸過程形成的影響降到最低，決定在檢測范疇布設成縱波一倍板厚，忽視縱波二次波及波形轉變形成的影響。聚焦法檢測時同步激發16晶片，選用第49晶片作為目標檢測晶片，誘導聲束向前方移動過程，此時形成的扇掃描角度范疇是40°~75°。因為管道焊縫自身有不規則性，為了能減縮盲區，要使楔塊盡量臨近焊縫邊緣，現實檢測楔塊和焊縫邊界間隔控制在3mm[4]。

利用大角度縱波對管道焊縫進行全體積覆蓋式掃描檢查，但在以上過程中焊縫表層形成了檢測盲區，實測得盲區深度3mm~4mm。爬波最大的作用是能完整的檢出焊縫表面缺陷，故而擬定用爬波去檢測盲區，當表層深度達到6mm~8mm時，爬波檢測均能取得較好的效果。對于本工件而言，檢測時爬波探頭和焊縫邊界相距3mm。

4 現場檢測

近些年來，我國各地大范圍修建鋪筑管道，涉及到高山、沼澤等多種復雜地形，因此焊口位置有很大不確定性，鋪建管道時需要進行挖掘作業，現場作業環境十分惡劣，時常出現滲水等狀況，通常采用邊抽水邊檢測的方法進行，因此對檢測操作時間、效率提出較高的要求[5]。

關于焊縫參數的設置，先要設定具體焊接方法與坡口型式，并盡量利用多種方法去探查到焊縫的成形狀況。通過查閱資料發現，現場安裝不銹鋼管道焊縫是手工焊焊縫坡口型式是V 型，實踐中可以結合竣工資料去調整部分焊縫工藝參數。

當地下管道被挖掘出來以后，先要采用適宜方法剔除防腐層，對焊縫表層進行磨平處理，并檢查焊縫表面形態、余高寬度和高度、掃查面光滑度與潔凈度，清除焊接飛濺、鐵屑、油污等這些干擾聲能傳播的雜質，借此方式確保檢測結果的可追溯性和可重復性。探頭移動區應滿足超聲波檢測設計要求的表面狀態,參照檢測工藝具體要求，對探頭與焊縫兩者的間距進行微調整,依照設計規程組裝檢測工裝,隨后便進入到了線性檢測工序中，用相控陣超聲法開展檢測活動,和常規超聲波檢測基本沒有差異，相控陣檢測階段不必前后移動探頭進行鋸齒形掃描檢查，要確保探頭發射的聲束對被檢截面實現整體覆蓋，而后順沿焊縫軸線走向進行縱向移動便能完成檢測任務，整個掃查過程均要密切關注探頭狀態，規避發生走偏情況[6]。以上操作時要配合管道專用型檢測工裝,選用水做耦合劑,管道直徑812mm，檢測操作時間設定為5min,指派專人在檢測現場收集數據信息，并迅速測評出示具體結果，為管道焊縫處理方案的編制提供可靠依據。

實踐中考慮到楔塊和檢測面兩者相接觸形成影響，最后決定將檢測面設定在不等厚焊縫閥門側臺階的上方，臺階處外徑308mm，正式檢測檢驗前加工制造了帶弧度AOD308 mm楔塊，借此方式確保楔塊和檢測面有效貼合。在輔助檢測面上，同樣制造了帶有一定弧度楔塊。

主檢測面探頭處理利用二次波進行檢驗，扇掃角度控制在35°~75°范圍中，角度分辨率1°，聚焦法應用的是投影聚焦，將聚焦線設定在焊縫中心線上。在輔助掃查面上，其參數設置情況如下：扇掃角度40°~75°，角度分辨率1°，聚焦法應用的是深度聚焦FD=45 mm。

針對超聲波掃描檢查時形成的結果，可以采用如下方法保存[7]：①如果采用人工掃查方法時，結果保存是A掃查與扇形掃查圖像；②如果利用編碼器掃查時，則應用三視圖方法去保存最后輸出的結果。

5 比較分析檢測數據

在檢測這條管線的焊口時，探查到某個焊縫射線底片上形成了疑似裂紋信號，為了掌握缺陷的具體性質，決定用相控陣超聲進行復驗。主要流程包括確認焊口位置、挖掘、表面除銹處置、相控陣超聲檢測、數據保存和分析。同個整體分析呈現圖像內A/Y/S三種信號，發現缺欠的信號特點和裂紋的信號特征相吻合，缺欠處和射線底片上缺欠位置等同。通過對比分析以上兩種方法的應用情況，最后將這種材料質量缺陷定義成裂紋。對該焊縫進行割口處置，借此方式解除其后續應用中可能出現的隱患因素。

圖1 是該管線的相控陣超聲檢測A,Y,S掃描圖像，表1是相控陣超聲檢測值與射線檢測底片測評結果[8]。

圖1 超聲檢測掃描圖像

表1 相控陣超聲檢測值與射線檢測底片測評結果統計（單位：mm）

統計定量結果發現，缺陷高度、長度檢測結果誤差分別是-3.8mm~1.5mm、 -1mm~12mm，高度、長度均方根誤差分別1.7mm、3.1mm，和ASMe規范內要求的均方根誤差分別小于3.2mm、6.0mm的標準相吻合[9]。而統計常規超聲檢測結果發現，高度、長度檢測結果誤差分別是-2.5mm~0.8mm、-0.6mm~18mm，均方根誤差分別是1.5mm、 8mm。綜合分析超聲相控陣檢測誤差都符合ASMe規范要求，和常規自動超聲檢測結果形成誤差范圍之間有較高額度相似度，一些缺陷的檢測結果精準度更高。

6 結語

本次課題研究中選用了二維雙晶面陣探頭，選定了深度適宜的楔塊，利用 CIVA專業軟件模擬仿真聲場，對帶有自然缺陷的試塊進行檢測，利用角度楔塊能夠生成大角度縱波聲場的特征，實現對工件焊縫的全面覆蓋掃查，利用多種成像模式合理解讀了超聲信號的特征，為管道缺陷定量、定性分析提供可靠依據，定量誤差能符合 ASMe 規范要求。

和傳統的射線及常規超聲檢測相比較，相控陣超聲檢測有所需掃查范圍窄小、檢測效率高、直觀性強、運行過程可靠等優勢，應用情況備受關注，相信其在將來會有更寬闊的發展前景。