不等厚對接焊縫PAUT檢測缺陷的深度測定

王紅雷

摘? 要：超聲相控陣技術（PAUT）檢測厚板側削斜的不等厚對接焊縫時，一定角度范圍的波束入射到斜面上時會使反射波的角度產生變化，造成缺陷波的位置隨著入射在斜面的位置而變化，導致缺陷在儀器上顯示深度與實際深度產生較大的偏差，影響缺陷定位及返修。上述不等厚對接焊縫PAUT檢測深度測定的難點問題。本文結合馬贊（Marjan）項目對兩種削斜方式的不等厚對接焊縫的對比驗證試塊在斜面上的反射規律進行了分析，總結出了不等厚對接焊縫PAUT檢測深度測定的實用方法。

關鍵詞：PAUT檢測;不等厚對接焊縫;深度測定

相控陣超聲檢測（PAUT）是基于惠更斯原理，通過切換激發晶片或調整晶片激發延遲時間，實現超聲波束的聚焦和偏轉，從而對待檢工件進行多位置、多角度、多焦點、全覆蓋檢測的一種檢測方法[1]。相對于傳統的射線檢測和手動超聲檢測，相控陣超聲檢測因其所需掃查范圍小、檢測效率高、 直觀、可靠性較高等優點而越來越受到重視[2]。目前PAUT檢測技術已被廣泛應用于產品對接焊縫的檢測。

在工作中發現，PAUT檢測對不等厚焊縫中存在缺陷的深度測定存在一些難題。不等厚鋼板焊接時，為了優化接頭形式，使焊縫受力均勻，厚板側通常機加工成單側或雙側斜面使斜面端側與薄板同厚，然后進行焊接。采用超聲相控陣技術（PAUT）檢測不等厚對接焊縫時，一定角度范圍的波束入射到斜面上時會使反射波的角度產生變化，造成缺陷波的位置隨著入射在斜面的位置而變化，導致缺陷在儀器上顯示深度與實際深度產生偏差，影響缺陷定位及返修。

本文研究涉及的是沙特阿美正在建造的位于沙特阿拉伯灣的海上石油平臺（馬贊（Marjan）項目），該平臺為沙特阿美今年開展的規模最大的上游開發項目。馬贊項目核心平臺之一的氣體壓縮平臺（GCP）模塊由青島武船與麥克德莫特的合資公司QMW承建。按照設計要求，需采用PAUT技術對該模塊主要受力結構中的大量不等厚板的對接焊縫進行內部質量控制。青島武麥（QMW）在濟寧瑞祥磨具定制了19件不等厚板對比驗證試塊，其中包括15個單側削斜試塊和4個雙側削斜試塊，用來驗證PAUT檢測技術對不等厚板焊縫檢測的可靠性。下面選擇兩種典型的不同削斜方式的對比驗證試塊，采用PAUT技術對試塊中人工缺陷深度的測量進行探討，總結出PAUT技術對不等厚對接焊縫中缺陷深度測定的實用性方法。

1上表面對齊，下表面厚板側削斜的不等厚對接焊縫

對比驗證試塊的結構形式及人工缺陷信息如圖1所示。該試塊是由20mm和40mm厚度的碳鋼對接而成，厚板側單面按照厚度差的1：4削斜。采用單面雙側的掃查方式對焊縫進行全覆蓋掃查，PAUT掃查覆蓋示意圖見圖2.對于這種不等厚對接焊縫，采用OmniPC 數據分析軟件分別選擇不同的測深方法對人工缺陷進行測深來驗證方法的可靠性。

使用一次波檢測時，波束均未經過底面反射，不存在波束角度改變的情況，通過調整角度指針找到4號缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度。從薄板側一次波檢出缺陷顯示深度DA=17.84mm，與設計缺陷深度17.5mm基本一致，如圖3所示;厚板側一次波檢出缺陷顯示深度DA=17.75mm，與設計缺陷深度17.5mm基本一致，如圖4所示。經上述測量對比后可以驗證，當測量缺陷深度的波束不受削斜影響時，通過調整角度指針找到缺陷最高波直接讀出缺陷深度真實可靠。

使用二次波在薄板側檢測時，波束經過底面一次反射，由于薄板側上下表面平行，反射波束角度不改變。在薄板側使用二次波測量檢出的缺陷深度，通過調整角度指針找到1號缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度DA為2.67mm，如圖5所示。該測量深度與設計的表面刻槽缺陷深度2.5mm一致性較好。

使用二次波在厚板側檢測時，波束經過底面一次反射，由于厚板側下表面進行削斜處理，一次波經過削斜面反射產生的二次波的聲束角度和聲程均發生變化。通過調整角度指針找到3號缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度DA為9.62mm，如圖6所示。該測量深度與設計缺陷的埋藏深度12mm相差2.38mm，偏差較大，證明不可靠，因此不能簡單的通過該方法對缺陷測深。

經過對厚板側掃查數據的波形分析可知，缺陷到上表面的相對位置不變，同一角度的波束經過削斜的反射波到達缺陷和上表面的聲程和路徑相同。因此缺陷的真實深度可通過計算二次波檢出缺陷的反射信號與二次底波（上表面的反射回波）信號之間的相對深度來測定。如圖6所示，在B視圖中紅色參考指針的縱坐標為缺陷的顯示深度U（r）=30.48，綠色測量指針縱坐標顯示上表面反射信號的深度U（m）=42.46，則顯示U（m-r）=11.98mm即為缺陷的真實深度，與設計缺陷深度12.0mm基本一致，驗證了上述理論的可行性。

2 中間對齊，厚板上下等比例削斜的不等厚對接焊縫

對比驗證試塊的結構形式及人工缺陷信息如圖7所示。該試塊是由20mm和60mm厚度的碳鋼對接而成，厚板側雙面按照厚度差的1：4削斜。采用單面雙側的掃查方式對焊縫進行全覆蓋掃查，PAUT掃查覆蓋示意圖見圖8采用與上節相同的測深方法對人工缺陷進行測深來驗證方法的可靠性。

在薄板側檢測時，缺陷深度測定不受削斜面影響。采用一次波檢測，對5號缺陷進行深度測量，如圖9所示，調整角度指針找到缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度DA=17.52mm與設計缺陷深度17mm基本一致;采用二次波檢測，對2號缺陷進行深度測量，如圖10所示，調整角度指針找到缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度DA=4.64mm與設計的表面開槽缺陷深度基本一致。

在厚板側使用一次波檢測時，由于厚板上表面削斜，扇形波束進入到工件后角度范圍產生變化，通過調整角度指針找缺陷最高波直接讀出缺陷的真實深度的方法不再可靠。考慮到覆蓋焊縫部分的一次波透過焊縫后在薄板側平界面反射，反射角度不變。因此，同一角度波束測得的缺陷相對于薄板底面的深度不變。然后用薄板厚度減去這個相對深度就是缺陷距薄板掃查面的真實深度。如圖11所示，扇掃紅色參考指針的縱坐標為5號缺陷的顯示深度U（r）=17.66，綠色測量指針縱坐標顯示深度U（m）=20.81，則相對深度U（m-r）= 3.15mm，薄板的厚度20.0mm減去這個相對深度即為缺陷的真實深度16.85mm，與設計缺陷深度17.0mm基本一致，驗證了本方法測深的可行性。

在厚板側使用二次波檢測時，厚板上表面削斜，入射波不同角度聲束的聲程各不相同。同時，厚板下表面削斜導致一次底波在削斜面反射聲束角度和聲程同樣發生變化，采用2.2所述方法來測量缺陷深度也不可行?？紤]到覆蓋焊縫部分的二次波透過焊縫后在薄板側平界面反射，反射角度不變。因此，可以利用同一角度的一次反射波束測得的缺陷相對于薄板上表面的深度，這個相對深度即為缺陷的真實深度。如圖12所示，扇掃紅色參考指針的縱坐標為3號缺陷的顯示深度U（r）=25.10，綠色測量指針縱坐標顯示深度U（m）=35.79，則相對深度U（m-r）=10.69mm，即為缺陷的真實深度10.69mm，與設計缺陷深度10.0mm基本一致，驗證了本方法測深的可行性。

3 結束語

綜上所述，不等厚對接焊縫PAUT檢測深度測定的主要難點是：超聲波在削斜面上產生的反射信號的聲束角度和聲程發生變化，造成儀器上顯示的缺陷深度不是缺陷的真實深度。我們可以采用以下方法測量缺陷深度：厚板側一次波檢測時，測得同一角度波束的缺陷反射信號與薄板底面反射信號的相對深度值，然后再用薄板厚度與之相減，便可得到缺陷的真實深度;厚板側二次波檢測時測得同一角度波束的缺陷反射信號與薄板上表面反射信號的相對深度值，即為缺陷的真是深度。該方法在工作中簡便實用，很好的解決了此類結構中針對缺陷深度測定的困難。

參考文獻：

[1]? 黃晶.超聲波相控陣理論及其在海洋平臺結構焊縫缺陷檢測中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2005.

[2]李守彬，夏中杰，孔晨光，等.相控陣超聲檢測技術在核電廠不等厚對接環焊縫檢測中的應用[J].壓力容器.2020.