金屬管道未焊透缺陷定量檢測(cè)方法

陳濤， 楊象岳， 金斌戈， 嚴(yán)挺， 蔣誠(chéng)航， 李偉忠

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 杭州 310051)

0 前言

管道作為一種廣泛應(yīng)用于石化、電力、燃?xì)獾戎匾I(yè)和民生領(lǐng)域的特種設(shè)備常被用于輸送石油、天然氣、成品油等能源類易燃、易爆介質(zhì)。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)雙碳目標(biāo)的提出[1-2]，同時(shí)湖北十堰、遼寧沈陽(yáng)等地相繼發(fā)生管道爆炸事故，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此管道的安全備受社會(huì)各界和科研人員關(guān)注[3-8]。

壓力管道大多采用現(xiàn)場(chǎng)焊接的形式組裝，由于早期壓力管道現(xiàn)場(chǎng)施工不規(guī)范，致使壓力管道的焊接接頭內(nèi)部存在各種缺陷，其中以未焊透缺陷為主。綜合考慮停產(chǎn)返修的高昂成本和管道帶缺陷運(yùn)行的可行性，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》[9]和GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》[10]，根據(jù)缺陷的類型和特征參數(shù)并以一定的流程對(duì)焊接接頭進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)通過(guò)可以免于返修。未焊透缺陷是目前在用金屬管道中最常見(jiàn)的焊接缺陷，按定期檢驗(yàn)規(guī)則對(duì)在用管道的定期檢驗(yàn)中因?yàn)樵擃惾毕輰?dǎo)致不合格的情況非常普遍，在進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)時(shí)，缺陷特征參數(shù)定量的準(zhǔn)確度直接影響了評(píng)價(jià)結(jié)論的準(zhǔn)確性[11]。

作為2種可記錄式的無(wú)損檢測(cè)方法，數(shù)字射線和相控陣超聲技術(shù)在定量檢測(cè)方面有一定的優(yōu)勢(shì)[12-15]，近年來(lái)開(kāi)始大量應(yīng)用在壓力管道焊接缺陷檢測(cè)中，借助這兩種方法實(shí)現(xiàn)壓力管道缺陷定量檢測(cè)的工程應(yīng)用具有重要意義，文中針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展應(yīng)用研究，目的是解決壓力管道未焊透缺陷的定量檢測(cè)問(wèn)題，為合于使用評(píng)價(jià)的開(kāi)展提供技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 缺陷定量檢測(cè)方法及原理

數(shù)字射線技術(shù)和相控陣超聲技術(shù)，其技術(shù)的根源仍是射線技術(shù)和超聲技術(shù)，因此繼承了上述2種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并在一定程度上提升了短板，使其在精確定量方面具備能力。在壓力管道的未焊透缺陷檢測(cè)中，以小徑管的缺陷定量難度最大，該次將2種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于小徑管未焊透缺陷檢測(cè)中，以研究其工程應(yīng)用可行性。

1.1 數(shù)字射線技術(shù)

常規(guī)射線檢測(cè)主要原理是以膠片接收射線輻射從而形成成像，通過(guò)膠片上的成像特征判斷其內(nèi)部缺陷性質(zhì)并測(cè)量缺陷尺寸，而數(shù)字射線技術(shù)用成像板代替?zhèn)鹘y(tǒng)射線技術(shù)的膠片從而獲得數(shù)字化圖像，其檢測(cè)系統(tǒng)通常由射線機(jī)、成像板、控制器及操作軟件等組成。

文獻(xiàn)[16]指出，使用數(shù)字射線技術(shù)進(jìn)行金屬焊接接頭的缺陷檢測(cè)時(shí)，在相同射線曝光條件下，隨著射線穿透金屬厚度的減少，在成像圖上相應(yīng)位置的灰度值會(huì)增加，利用這個(gè)原理，可以用未焊透缺陷處射線成像的灰度相對(duì)于母材部位的灰度增加量推算未焊透缺陷的深度尺寸。傳統(tǒng)膠片射線檢測(cè)技術(shù)一般使用底片的對(duì)比度來(lái)推算缺陷的自身高度(對(duì)于未焊透缺陷來(lái)說(shuō)即為缺陷深度)，而在數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)中，受檢工件數(shù)字成像的對(duì)比度也代表了射線穿透金屬厚度差的識(shí)別能力，用ΔT/T(ΔT為可識(shí)別的厚度差，T為透照厚度)的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。在工程上通常利用成像灰度值推算缺陷深度，并且認(rèn)為在顯示器屏幕上觀察到的圖像亮度與射線強(qiáng)成線性關(guān)系[16]，即屏幕的亮度L與射線強(qiáng)度I的關(guān)系可寫(xiě)為：

L=KI

(1)

式中：K為常系數(shù)。被檢工件的對(duì)比度為：

(2)

由式(1)和式(2)可以推導(dǎo)出，對(duì)由小厚度差ΔT引起的亮度對(duì)比度，見(jiàn)式(3)：

(3)

式中：I為透射射線強(qiáng)度；μ為工件物質(zhì)的線衰減系數(shù)；ΔL為ΔT引起的透射射線強(qiáng)度差。

在檢測(cè)中可以選擇合適的曝光參數(shù)，對(duì)缺陷及母材同時(shí)成像，通過(guò)計(jì)算得到缺陷的深度。

1.2 相控陣超聲技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)采用多晶片組合而成的探頭陣列來(lái)進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制晶片陣列中每個(gè)晶片時(shí)間延遲，控制脈沖發(fā)射使波束聚焦到特定的深度，并以一定的角度傳播。其聲束角度、焦柱位置、焦點(diǎn)位置通過(guò)電子控制在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦等功能[17-18]。

與數(shù)字射線技術(shù)不同的是，相控陣超聲技術(shù)在檢測(cè)時(shí)需要用探頭楔塊與工件接觸的方式進(jìn)行檢測(cè)。相控陣超聲技術(shù)對(duì)缺陷深度的定量精度較高，檢測(cè)速度更快，與傳統(tǒng)超聲技術(shù)相比其缺陷信號(hào)的可讀性大大增強(qiáng)，但在缺陷定性方面不如射線技術(shù)直觀可靠。

2 焊接試件及其檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 焊接試件規(guī)格及缺陷尺寸

為便于進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比分析，加工了金屬管道中常見(jiàn)的碳鋼和不銹鋼2種材質(zhì)的焊接試件，每個(gè)焊接試件上預(yù)制了3條環(huán)焊縫，其中均含有未焊透缺陷。碳鋼焊接試件母材牌號(hào)為20鋼，不銹鋼焊接試件母材牌號(hào)為S30408，試件母材的規(guī)格均為φ219 mm×7 mm，其具體的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 焊接試件參數(shù)表

2.2 數(shù)字射線檢測(cè)結(jié)果

采用數(shù)字射線技術(shù)對(duì)2種材質(zhì)的焊接試件進(jìn)行了檢測(cè)，其成像結(jié)果如圖1和圖2所示。從成像結(jié)果來(lái)看，數(shù)字射線技術(shù)可以清晰地得到缺陷的投影形態(tài)，通過(guò)后處理軟件獲取母材及缺陷處某一點(diǎn)的灰度值，進(jìn)一步換算得出缺陷的深度結(jié)果見(jiàn)表2。需要說(shuō)明，深度參數(shù)的測(cè)量結(jié)果是根據(jù)射線成像上讀出的灰度值直接換算得出的，未考慮焊縫余高影響(一般1 mm左右)，其檢測(cè)結(jié)果誤差基本在1.0 mm左右，試驗(yàn)證明，DR技術(shù)測(cè)量得到的缺陷寬度參數(shù)與實(shí)際基本一致,因此這項(xiàng)技術(shù)對(duì)壓力管道未焊透缺陷的定量是可行的。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)使用焊縫檢驗(yàn)尺對(duì)焊縫余高進(jìn)行測(cè)量,從而對(duì)所計(jì)算出的缺陷深度值予以修正。

圖1 碳鋼試件數(shù)字射線成像結(jié)果

圖2 不銹鋼試件數(shù)字射線成像結(jié)果

表2 數(shù)字射線檢測(cè)結(jié)果

2.3 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

使用超聲相控陣檢測(cè)儀對(duì)焊接試件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為提高檢測(cè)精度與分辨力，在滿足穿透能力的基礎(chǔ)上選擇了激發(fā)孔徑小的高頻探頭，從而減小探頭聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，使其更易聚焦。所選探頭及楔塊的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 相控陣探頭及楔塊參數(shù)

檢測(cè)工藝方面，采用扇掃橫波斜入射縱向垂直掃查，由于聲束在管道外表面聚焦，采用3次波對(duì)焊接試件的焊縫進(jìn)行檢測(cè)。為避免偏轉(zhuǎn)角過(guò)大導(dǎo)致聲束變形從而影響靈敏度和分辨力，選擇的掃查角度為40°～60°。焊接試件3個(gè)焊接接頭的掃查結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)S掃結(jié)果焊縫中的未焊透缺陷位置被準(zhǔn)確定位，通過(guò)C掃結(jié)果可以判斷缺陷的位置和寬度，通過(guò)D掃結(jié)果確定缺陷的深度，缺陷的定量結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中的結(jié)果看，相控陣超聲在確定未焊透缺陷的深度方面較為準(zhǔn)確，目前相控陣的檢測(cè)儀器主要關(guān)注埋藏缺陷的自身高度、長(zhǎng)度、深度、幅值等參數(shù)，對(duì)于未焊透缺陷寬度和軸向位置的確定則需要在C掃圖中憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。不銹鋼材料由于晶粒組織結(jié)構(gòu)不同，超聲波的穿透能力有較大的衰減，但從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于常見(jiàn)金屬管道的壁厚范圍，其穿透效果和檢測(cè)精度是可以接受的，如在工程中遇到特殊情況，如厚壁管的檢測(cè)，則需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相控陣檢測(cè)的工藝。

3 誤差影響因素分析

每種無(wú)損檢測(cè)方法受其檢測(cè)原理的限制，其定量精度都會(huì)受到各種影響因素的制約。在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)工程應(yīng)用中，追求絕對(duì)的準(zhǔn)確意義不大，而應(yīng)努力尋求一種能夠被簡(jiǎn)便地應(yīng)用于工程實(shí)踐，并獲得可接受精度的檢測(cè)方法和工藝。在此通過(guò)2種無(wú)損檢測(cè)方法的對(duì)比，對(duì)影響其精度的因素進(jìn)行探討。

用傳統(tǒng)膠片成像射線檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)比試塊的方式對(duì)缺陷進(jìn)行定量，文獻(xiàn)[19]中可以使用的射線對(duì)比試塊有2種，其中I型對(duì)比試塊為小徑管環(huán)焊縫專用對(duì)比試塊，該對(duì)比試塊需要根據(jù)被檢測(cè)管道的規(guī)格來(lái)定制，并且只能確定未焊透缺陷是否超過(guò)允許的未焊透缺陷深度，理論上無(wú)法確定深度的具體值；II型對(duì)比試塊為通用槽型對(duì)比試塊，用于對(duì)深度1.5 mm以下的管焊縫焊接缺陷進(jìn)行粗略定量。傳統(tǒng)膠片成像射線檢測(cè)技術(shù)在評(píng)定未焊透缺陷的深度時(shí)，需要依靠評(píng)片人員的肉眼將缺陷灰度與對(duì)比試塊中各槽灰度進(jìn)行對(duì)比，從而估讀出缺陷的深度值，并且此時(shí)估讀出的深度值還受到射線透照傾斜角度、焊縫余高、對(duì)比試塊擺放位置等諸多因素的影響，未焊透深度值的定量誤差有時(shí)會(huì)達(dá)到1～2 mm甚至更大。在日常的檢驗(yàn)中，這種定量是不準(zhǔn)確的，其結(jié)果如直接用于安全評(píng)價(jià)，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

與傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)相比，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：能夠快速獲得高質(zhì)量的射線圖片；安全性高，輻射劑量小；可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速有效的分析，并且在獲得射線數(shù)字成像檢測(cè)圖像后，可以對(duì)數(shù)字圖像做各種灰度變換處理[20-21]。可以使用控制曝光量，通過(guò)對(duì)比絕對(duì)黑度的方法，對(duì)缺陷深度進(jìn)行精確的定量。在相同透照條件下，各模擬缺陷處絕對(duì)灰度值、相對(duì)灰度值與模擬缺陷深度值基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，缺陷中心部位灰度與周圍母材灰度相對(duì)值與環(huán)形缺陷深度成正比，因此在日常檢測(cè)中，可以通過(guò)測(cè)量環(huán)形缺陷中心部位灰度與周圍母材灰度，定量反推環(huán)形缺陷深度。在工程中需要進(jìn)行未焊透缺陷深度值的精確定量時(shí)，可以通過(guò)數(shù)字射線成像讀取未焊透部位與母材部位的絕對(duì)灰度值從而計(jì)算缺陷的深度，并應(yīng)使用焊縫檢驗(yàn)尺測(cè)定焊縫余高，對(duì)計(jì)算出的缺陷深度進(jìn)行修正，以保證定量檢測(cè)結(jié)果的更為準(zhǔn)確。

相控陣超聲技術(shù)在進(jìn)行薄壁管道的檢測(cè)時(shí)，一般要利用3次波進(jìn)行檢測(cè)，雖然可以達(dá)到一定聚焦效果，但是由于經(jīng)過(guò)2次反射，有凹面反射也有凸面反射，使得聲場(chǎng)發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)。另外，相控陣超聲使用-6 dB法進(jìn)行缺陷定量，缺陷的取向、性質(zhì)、表面狀況、形狀都會(huì)影響缺陷回波波幅的高度，從而影響-6 dB法的精度。在對(duì)裂紋、未熔合、未焊透等缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)，由于缺陷端部窄且尖，衍射波信號(hào)較強(qiáng)，可嘗試采用端點(diǎn)衍射法進(jìn)行缺陷深度測(cè)量，該法不受缺陷回波波幅影響，測(cè)量缺陷自身高度準(zhǔn)確性高于相對(duì)靈敏度法，但對(duì)檢測(cè)人員技能和經(jīng)驗(yàn)有較高要求。

4 結(jié)論

(1)數(shù)字射線技術(shù)和相控陣超聲技術(shù)在金屬管道未焊透缺陷特征尺寸的定量檢測(cè)方面,對(duì)于缺陷寬度和深度定量的準(zhǔn)確度均可以滿足在用含缺陷壓力管道焊接接頭安全評(píng)價(jià)的工程需要。

(2)數(shù)字射線技術(shù)在判定缺陷性質(zhì)方面較有優(yōu)勢(shì)，其檢測(cè)方式為非接觸式，可在不拆除外保溫層的情況下對(duì)高溫或深冷管道進(jìn)行在線檢測(cè)，可用于壓力管道的不停車檢驗(yàn)，但其穿透能力會(huì)受到管道內(nèi)部高密度液體介質(zhì)(如有機(jī)熱載體)的影響；相控陣超聲技術(shù)的檢測(cè)方式為接觸式，在檢測(cè)時(shí)其探頭需要與管道表面直接接觸，常溫條件下其檢測(cè)精度不受內(nèi)部介質(zhì)的影響，對(duì)于高溫在線運(yùn)行的管道，需要拆除外保溫層并且配備高溫探頭，并應(yīng)考慮溫度對(duì)波速的影響。

(3)在工程實(shí)際中，檢驗(yàn)檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，綜合考慮2種無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)和短板，合理選擇無(wú)損檢測(cè)方法以獲得可信的檢測(cè)結(jié)果。