碳鋼材料PAUT檢測中的缺陷測高影響因素

王雪臣，劉貴吉，唐旭東，王九方，牛立志

(海洋石油工程股份有限公司， 青島 266520)

相控陣超聲檢測(PAUT)已廣泛應用于海洋石油平臺的焊縫檢測中，對壓力管線焊縫進行PAUT檢測時，項目要求按照標準ASME B31.3-2020 《工藝管道規范》 附錄R進行驗收。這就需要對表面和內部缺陷高度hF進行準確定量[1]，表面和內部缺陷高度如圖1所示(圖中TW為焊縫公稱厚度，lF為缺陷長度，SF為缺陷距表面距離)。然而，PAUT對缺陷高度測量的準確性存在受多種因素影響的問題，為此，以典型的自身高度為2 mm缺陷為例，探究了聲束聚焦深度、探頭角度、檢驗聲程等參數對碳鋼材料PAUT檢測中缺陷測高的影響。

圖1 表面和內部缺陷高度示意

1 缺陷高度測量方法

1.1 表面缺陷驗收

表面缺陷驗收標準如表1所示，此表翻譯引用ASME B31.3-2020附錄R表R308.1。缺陷的高度和長度共同關系到返修與否，由表1可知，即使缺陷高度變化較小，允許的長度仍會有較大變化。所以缺陷高度測量應盡量減少誤差，以接近實際尺寸，避免出現結果誤判的情況。

表1 表面缺陷驗收標準(ASME)

1.2 缺陷高度測量

ASME B31.3-2020附錄R中PAUT檢測標準執行美國機械工程師協會(ASME)鍋爐與壓力容器規范第V卷第四章的要求，缺陷高度測量方法執行該標準中SE 2700章節的要求。SE 2700章節中第12.4.2節給出了使用-6 dB法進行高度測量的方法，缺陷高度測量結果示例如圖2所示。

圖2 缺陷高度測量結果示例

測量時首先通過扇形掃描視圖中找到缺陷的最高波幅，向上移動角度指針，使回波高度降低至最高波幅的一半，該位置即為缺陷的上端點；同理，向下移動角度指針，使回波高度降低至最高波幅的一半，該位置即為缺陷的下端點；上下端點的深度差(此時藍色和紅色測量光標之間的距離)則為缺陷的高度值。

2 缺陷測高影響因素

在實際檢測過程中發現，使用第1章所述方法進行測量葉得到的測量值與缺陷實際尺寸有著較大的偏差，通常比實際尺寸偏大，并且不同聚焦法則下的偏差程度不一致。

通過大量的PAUT數據分析得知，諸多因素均有可能影響缺陷高度的測量精確度，如探頭頻率、晶片的數量和尺寸、聚焦位置、聲束角度、缺陷聲程、評定方法、聲束寬度等，文章討論的檢測對象為海洋工程常用碳鋼管線焊縫，探頭頻率等參數變化較小，所以主要對以下4個影響因素進行研究分析：① 聚焦位置的影響[2];② 聲束角度的影響；③ 缺陷聲程的影響；④ 評定方法的影響。

3 PAUT設備和試塊的選擇

3.1 儀器和探頭的選擇

試驗采用奧林巴斯X3型相控陣超聲檢測設備和5L32-A31型探頭(楔塊為SA31-N55S型)，檢測設備實物如圖3所示。

圖3 檢測設備實物

3.2 試塊的選擇

為方便、全面地判別不同角度、聲程的影響，結合海洋石油天然氣平臺建造過程中常見缺陷的特點，選用ASTM E2491附錄A2中的波束偏轉試塊對PAUT系統進行校驗，聲程恒定式偏轉試塊結構及反射體信息如圖4所示，單一平面式偏轉試塊結構及反射體信息如圖5所示。試塊中橫通孔的孔徑即為缺陷的實際高度。

圖4 聲程恒定式偏轉試塊結構及反射體信息

圖5 單一平面式偏轉試塊結構及反射體信息

圖6 基于6組聚焦法則的橫通孔高度測量結果

4 對比試驗

按照第2章討論的4項影響因素進行對比試驗[3]。所有試驗均使用線性掃查，聚焦法則使用32個晶片，一次激發8個晶片。通過對比孔徑和PAUT的實測高度的方式來分析各項影響因素。

4.1 聚焦深度的影響

設置45°線性掃描，聚焦深度分別為10，15，20，25，30，35 mm，分別測量圖5中深度為25 mm的橫通孔高度，其結果如圖6所示。

對上述6組PAUT數據進行分析，按照-6 dB的高度測量方法進行測量，結果如表2所示。

通過表2可以看出，測量值是實際值的兩倍以上，精確度較差。不同聚焦深度間實測數據偏差較小，這主要是因為深度25 mm處已經超過近場區，超過了理論最大聚焦范圍。所以試驗中聚焦深度的設置并非造成實測值和實際值偏差過大的主要因素。

表2 不同聚焦深度下的橫通孔高度測量值

4.2 探頭角度的影響

分別設置3組聚焦法則(45°、60°和70°線掃)，3組法則均設置為非聚焦模式，除角度不一致外其他參數均相同。采用3組法則對圖4中聲程恒定式偏轉試塊的一組φ2 mm橫通孔進行檢測，不同角度下橫通孔的高度測量結果如圖7所示。

圖7 不同角度下橫通孔高度測量結果

對上述3組PAUT數據進行分析，按照-6 dB的高度測量方法進行測量，結果如表3所示。

表3 不同掃查角度下的橫通孔高度測量值

通過上述3組法則的檢測結果比較可知，角度越小，測量高度精確度越高。其主要原因為小角度聲束寬度小，聲束能量較為集中，缺陷定量相對準確。

4.3 檢測聲程的影響

設置2組聚焦法則(45°和60°線掃)，2組法則均設置為非聚焦模式，除角度不一致外其他參數均相同。以圖5試塊中豎直面橫通孔作為目標反射體，分別以2組法則的小聲程和大聲程進行橫通孔高度測量,測量結果如圖8所示。

圖8 不同角度、不同聲程下的橫通孔高度測量結果

對上述3組PAUT數據進行分析，按-6 dB高度測量方法進行測量，結果如表4所示。

表4 不同角度、不同聲程下的橫通孔高度測量值

分析上述試驗結果可以發現，無論以哪種角度去測量缺陷高度，聲程越小高度測量值越接近實際值。其主要原因是聲程越小，聲束能量越集中，測量偏差越小。

4.4 評定方法的影響

由上述3組試驗可知，當使用-6 dB法進行高度測量時，其測量結果均遠大于實際尺寸。因此按4.2節中的掃查參數使用-2 dB法進行高度測量，測量結果如圖9所示。

圖9 -2 dB法的橫通孔高度測量結果

對上述3組PAUT數據進行分析，對比-2 dB測量方法與-6 dB測量方法的檢測結果，其結果如表5所示。

表5 不同掃查角度下-6 dB法和-2 dB法的橫通孔高度測量值

分析可知，相比-6 dB法，-2 dB法對缺陷高度的測量結果更接近實際值，但從表5中仍可以看出小角度測量時比大角度測量時的精確度要高。

5 結語

在海洋石油天然氣平臺建造過程中，高度為2 mm的缺陷具有較強的代表性，為此，以φ2 mm橫通孔為研究對象，進行一系列的對比試驗，試驗結果表明，PAUT技術在測量缺陷高度值時，聚焦深度對其影響較小，缺陷檢出角度、檢測聲程、測量方法對高度測量影響較大；其中角度和聲程可歸結為聲束寬度的影響，聲束寬度越小，能量越集中，精確度越高；同時，-2 dB法比-6 dB法的精確度要高。在制定掃查工藝和缺陷評定時，可適當考慮上述因素的影響，提高PAUT測高的精度。

本文獲“2022 Evident杯超聲檢測技術優秀論文評選”活動優勝獎。