全焊接球閥主焊縫超聲相控陣成像檢測(cè)技術(shù)工藝研究

王樂(lè)超，劉貴超，李文艷

（渤海卡麥龍流體控制設(shè)備(天津)有限公司，天津 300280）

1 概述

全焊接球閥主要用于油氣田、長(zhǎng)輸管線等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)油、氣等介質(zhì)的截?cái)嗪徒油üδ埽情L(zhǎng)距離、高壓輸油、輸氣管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。近年來(lái)，隨著石油、天然氣長(zhǎng)輸管線、儲(chǔ)氣庫(kù)的長(zhǎng)足發(fā)展。作為該領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于油氣管道建設(shè)對(duì)運(yùn)行高安全、可靠性的特殊要求，對(duì)其也提出了非常苛刻的要求，其產(chǎn)品需具有較高的可靠性、密封性和強(qiáng)度性能，保證球閥投入使用后可連續(xù)運(yùn)行30年以上。全焊接球閥主焊縫的焊接質(zhì)量關(guān)乎產(chǎn)品的強(qiáng)度和密封性能，必須采用有效的檢測(cè)手段保證焊縫的可靠性和安全性。

超聲相控陣成像檢測(cè)技術(shù)可通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，系統(tǒng)生成、顯示不同方向投影的高質(zhì)量圖像。相控陣檢測(cè)使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器，通過(guò)使電子系統(tǒng)控制陣列中的各個(gè)晶片按照一定延時(shí)法則發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。不僅大大提高檢測(cè)范圍聲束覆蓋，同時(shí)可提高缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確性和檢出率。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的高速、高效、適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以及能實(shí)時(shí)成像等優(yōu)點(diǎn)在全焊接球閥產(chǎn)品檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用中成為閥門行業(yè)制造領(lǐng)域的迫切需求。

2 超聲相控陣成像檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

對(duì)于全焊接球閥焊縫及母材的超聲波檢測(cè)可以采用相控陣超聲波檢測(cè)，與傳統(tǒng)脈沖反射法相比較可以體現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢測(cè)速度快、效率高、重復(fù)性高。

（2）缺陷定位準(zhǔn)確、方便，圖像可呈現(xiàn)S（扇面）、B（橫斷面）、C（水平面）、D（側(cè)面）型顯示標(biāo)繪精確、成像直觀。

（3）電子配置、探頭性能強(qiáng)、可以應(yīng)用復(fù)雜檢測(cè)；

（4）檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析、保存。

（5）可以拓展全聚焦檢測(cè)技術(shù)。

利用相控陣超聲波檢測(cè)全焊接球閥焊縫具有很大優(yōu)勢(shì)，因小規(guī)格高壓全焊接球閥，結(jié)構(gòu)形式受限，焊縫兩側(cè)沒(méi)有足夠的檢測(cè)空間，采用常規(guī)脈沖反射法檢測(cè)，需要把焊縫余高打磨或機(jī)加工平整光滑后（圖1），使用直、斜探頭，單面單側(cè)掃查，因掃查空間受限，探頭掃查距離不足，即使采用45°、60°、70°橫波斜探頭掃查，聲束也無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，對(duì)于焊縫中某些特定位置及特殊危害性缺陷，如焊縫側(cè)壁及層間未熔合缺陷具有較大的漏檢可能性，同時(shí)檢測(cè)效率很低。

圖1 常規(guī)超聲波檢測(cè)焊縫余高應(yīng)處理平整

采用相控陣檢測(cè)，只需要合理編制檢測(cè)工藝，優(yōu)化掃查方式，可不用打磨焊縫余高（圖2）。提高檢測(cè)效率。利用聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。不僅增大檢測(cè)范圍，同時(shí)可提高缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確性和檢出率。

圖2 相控陣檢測(cè)無(wú)需處理焊縫余高

3 超聲相控陣成像檢測(cè)技術(shù)工藝方法

（1）檢測(cè)部位（4英寸Class600全焊接球閥）：閥體與閥端環(huán)向?qū)雍缚p（手工電弧焊），壁厚25mm,母材A350LF2,V型坡口。

（2）檢測(cè)時(shí)機(jī):焊后24h。

（3）執(zhí)行及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47013.15-2021,檢測(cè)等級(jí)B級(jí)，檢測(cè)比例100%。

（4）儀器：PHASCAN II相控陣檢測(cè)儀器。

（5）探頭、楔塊、耦合劑：D10系列7.5S16-0.5×10，探頭頻率（7.5MHz），楔塊：D10系列SD10-N60S,鋼中折射角度（60°SW），掃描角度（45～75°）。應(yīng)采用曲率適合的凸面楔塊并進(jìn)行適當(dāng)修磨，保證楔塊與被檢工件接觸面的間隙小于0.5mm，耦合劑采用甘油，為保證耦合效果。

（6）儀器、探頭及其組合性能確認(rèn)：

每年至少對(duì)檢測(cè)儀器和探頭組合性能中的垂直線性、水平線性、衰減器精度、組合頻率、扇掃成像橫向縱向分辨力、扇掃角度范圍及分辨力進(jìn)行校準(zhǔn)并記錄，按照NB/T47013.15-2021 4.2.2.3.1 表1執(zhí)行。

表1 檢測(cè)儀器和探頭組合性能的測(cè)試方法及合格要求

（7）校準(zhǔn)試塊：CSK-IA、B型相控陣試塊。

（8）模擬試塊：采用與球閥實(shí)際焊接同規(guī)格、同材質(zhì)、同焊接工藝制造的模擬試件，并加工人工當(dāng)量缺陷（外徑掃查靈敏度調(diào)整利用人工制造φ2mm橫通孔。內(nèi)徑掃查靈敏度調(diào)整利用表面2mm深開(kāi)槽）,詳見(jiàn)圖3。

圖3 模擬試塊

（9）靈敏度及儀器設(shè)置：采用TCG法（時(shí)間增益修正）進(jìn)行靈敏度設(shè)置，評(píng)定線φ2-16dB,定量線φ2-10dB，判廢線φ2-4dB【1】，確保聲束覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，確定聚焦距離、重復(fù)頻率、探頭掃查點(diǎn)距焊縫距離、掃查速度等參數(shù)，利用掃描及偏轉(zhuǎn)特性，可以在探頭不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的掃查，激發(fā)多角度聲束對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行較大面積覆蓋掃查，從而提高檢測(cè)效率及缺陷檢出率，如圖4所示。

圖4 測(cè)量方法

（10）掃查面：

①主焊縫兩側(cè)掃查（橫波斜入射）；

②球閥內(nèi)徑面（橫波斜入射）；

③主焊縫45°斜面（縱波垂直入射），詳見(jiàn)圖5。

圖5 工件掃查

（11）掃查方式：縱向平行線掃查+扇掃描。

采用此掃查工藝超聲波聲束軸線與焊道軸線相互垂直，有利于檢出如側(cè)壁未熔合、裂紋等面積型危害缺陷。

（12）掃查工裝：為保證探頭在球閥內(nèi)通徑面掃查耦合穩(wěn)定，設(shè)計(jì)專用掃查工裝，在特定規(guī)程的管上開(kāi)孔、限位槽、刻度，用來(lái)夾持探頭，掃查時(shí)按指定刻度放入球閥內(nèi)通徑檢測(cè)面，涂抹耦合劑并勻速旋轉(zhuǎn)，從而保證耦合效果，詳見(jiàn)圖6。

圖6 耦合方式

（13）缺陷評(píng)定和質(zhì)量分級(jí)。

凡判定為裂紋、未熔合、密集缺陷且缺陷顯示為Ⅲ級(jí)（不合格）。檢測(cè)質(zhì)量等級(jí)I級(jí)合格。按照NB/T47013.15鋼制承壓設(shè)備全熔化II型焊接接頭質(zhì)量分級(jí)方法一，表2執(zhí)行。

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4 超聲相控陣成像檢測(cè)工藝驗(yàn)證與分析

未熔合缺陷是全焊接球閥，埋弧自動(dòng)焊工藝中常見(jiàn)危害性焊接缺陷，由于其缺陷的難檢測(cè)、難觀測(cè)、難避免的特點(diǎn)，作為重點(diǎn)驗(yàn)證和分析。

（1）形成機(jī)理：熔化的鐵水會(huì)流到焊絲的前面覆蓋到焊縫或坡口側(cè)壁表面上，由于焊道溫度表面溫度太低，使覆蓋在上面的鐵水來(lái)不及與母材或焊層熔合就已凝固，造成未熔合缺陷。未熔合缺陷產(chǎn)生位置分為層間、側(cè)壁、根部未熔合，屬于面積型缺陷，缺陷形態(tài)在焊縫中呈特定角度，由于小規(guī)格球閥檢測(cè)空間受限，常規(guī)脈沖反射法檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查，容易導(dǎo)致漏檢，如果檢測(cè)不到，會(huì)對(duì)整個(gè)球閥設(shè)備質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

（2）未熔合對(duì)設(shè)備的危害性：缺陷減小焊縫有效承載強(qiáng)度，且在球閥設(shè)備使用過(guò)程中，未熔合缺陷邊緣處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，會(huì)在其邊緣處向外擴(kuò)展形成裂紋，有導(dǎo)致整個(gè)焊縫的開(kāi)裂的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。由于此缺陷形狀細(xì)長(zhǎng)、呈一定角度、顏色呈金屬色等特點(diǎn)（見(jiàn)圖7），返修人員肉眼很難觀察到，只有在返修過(guò)程中多次滲透檢測(cè)確認(rèn)或擴(kuò)大返修范圍、角度，方可觀測(cè)出缺陷形態(tài)，但此做法不僅效率低，同時(shí)存在由于過(guò)度返修導(dǎo)致的焊縫局部材質(zhì)強(qiáng)度受損的隱患。建議推薦采用高效、精準(zhǔn)、高質(zhì)量成像的相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用，可有效解決以上難題。

圖7

圖7上兩組圖片為：坡口（側(cè)壁）未熔合缺陷，打磨發(fā)現(xiàn)，此缺陷很難用肉眼發(fā)現(xiàn)，因缺陷為面積型（存在高度約5mm長(zhǎng)度約40mm，但厚度很小約1~2mm），并且平行焊縫、近似垂直母材和焊縫表面。打磨并觀察缺陷，需要擴(kuò)大返修范圍同時(shí)對(duì)打磨人員水平要求高。

（3）超聲相控陣成像檢測(cè)工藝驗(yàn)證。

針對(duì)未熔合缺陷制作焊接試件，焊接試件與球閥焊接工藝、材質(zhì)、坡口形式相同，焊接人員人為制作埋藏層間、側(cè)壁未熔合缺陷。同時(shí)采用射線檢測(cè)確認(rèn)缺陷的類型及位置后，最后使用校準(zhǔn)調(diào)校合格的相控陣設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，采集分析數(shù)據(jù)圖像與底片中缺陷影像進(jìn)行對(duì)比，最終確認(rèn)相控陣檢測(cè)工藝及未熔合缺陷圖像符合標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47013.15-2021）要求，可進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)工作,詳見(jiàn)圖8。

圖8 相控陣檢測(cè)未熔合圖像、射線檢測(cè)未熔合底片影像、焊縫中未熔合缺陷

實(shí)際檢測(cè)工作中相控陣超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷影像，后經(jīng)過(guò)返修處理，可見(jiàn)未熔合缺陷實(shí)物形態(tài)。可利用聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)功能確定缺陷呈現(xiàn)形態(tài)及角度，分析缺陷屬于層間或側(cè)壁未熔合，有利于返修合格和焊接工藝問(wèn)題優(yōu)化，提高焊接合格率，詳見(jiàn)圖9。

圖9 儀器屏幕顯示未熔合缺陷、焊縫中未熔合缺陷

5 結(jié)語(yǔ)

全焊接球閥采用相控陣檢測(cè)技術(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47013.15-2021）要求編制工藝、執(zhí)行檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證及實(shí)際檢測(cè)返修確認(rèn)，缺陷檢出準(zhǔn)確性高，缺陷定性、定量、定位準(zhǔn)確。對(duì)于焊接中常見(jiàn)的未熔合危害性缺陷，利用聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)、掃描的特性，提高聲場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度、回波信號(hào)幅度和信噪比，從而提高缺陷檢出率，提高缺陷深度、長(zhǎng)度的測(cè)量精度，同時(shí)能呈現(xiàn)高質(zhì)量的缺陷影像，檢測(cè)工程師依據(jù)相控陣超聲波檢測(cè)采集的有效數(shù)據(jù)、影像、經(jīng)驗(yàn)，最終評(píng)估缺陷性質(zhì)更為準(zhǔn)確、高效。