超聲相控陣自動檢測技術在螺旋焊管生產中的應用*

劉 洋，馬佼佼，王樹祥，趙立華，趙 偉，朱 賀

（1.遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111003；2.陜西省特種設備檢驗檢測研究院，西安 710048）

0 前 言

超聲相控陣技術是一種基于超聲原理的成像檢測技術，始于20 世紀60 年代，來源于雷達電磁波相控陣技術，主要應用于醫學領域。近幾年，隨著電子技術不斷進步和發展，超聲相控陣自動化檢測系統也得到了較快進步，并已逐步應用于鋼管制造領域。超聲相控陣自動探傷系統在直縫鋼管、HFW 鋼管探傷中得到了廣泛使用，并取得了良好效果[1-3]，但在螺旋焊管自動探傷中剛剛起步，鑒于該焊縫檢測區域表面為螺旋線曲率，要保證探頭與鋼管表面的充分耦合，其機械結構設計相對于直縫鋼管要復雜很多，尤其是針對小管徑螺旋焊接鋼管。為了證實超聲相控陣自動檢測技術在螺旋焊管焊縫檢測中的可靠性，本研究以WUT-2438型超聲相控陣自動化檢測系統為例，對其在螺旋焊管探傷檢測中的應用進行分析，以期為螺旋埋弧焊管生產檢測提供參考。

1 檢測試驗

相控陣技術是通過激發電脈沖，使探頭微型陣元產生多束超聲波束，建立聚焦法則，控制每個陣列單元的發射與接收時間來控制波束角度、聚焦深度等，從而實現工件的快速掃描，以達到檢測目的[4-7]。超聲相控陣自動探傷系統是由1組相控陣探頭代替了常規自動超聲探傷系統的2組探頭，探架數量變少，所以機械性能更穩定；由于相控陣探頭聲束是由多個晶片發射的，不僅可以實現精準聚焦，而且能從多角度發射，缺陷探傷準確率更高。

1.1 試驗材料及檢測參數

試驗檢測用樣管為Φ406 mm×6.4 mm 和Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋埋弧焊管，檢測速度為10 m/min。

1.2 參考反射體制作

依據API SPEC 5L《管線鋼管規范》（第46版）[8]及GB/T 9711—2017[9]的要求，對樣管進行取樣。在鋼管內表面焊縫、外表面焊縫及熱影響區處制作參考反射體，除此之外，為了驗證檢測能力，另外各增加一組內外表面焊縫縱向中心刻槽，如圖1 所示。圖1 中，a、b 分別代表焊縫邊緣熱影響區部位的深度為t/2 的Φ6 mm 平底孔，c、d 分別代表內表面焊縫邊緣N5 刻槽，e、i分別代表焊縫中心部位縱向內、外N5刻槽，g、h分別代表外表面焊縫邊緣N5刻槽，f為焊縫中心Φ1.6 mm 通孔（其中：t為鋼管壁厚，N5 表示刻槽深度為鋼管壁厚的5%）。

圖1 樣管參考反射體示意圖

1.3 探頭排布

按照樣管參考反射體進行探頭排布，具體位置如圖2 所示。布置2 組相控陣探頭（圖2中相控陣探頭1 和相控陣探頭2），聲束方向垂直焊縫，平行于焊縫方向移動，用來檢測焊縫縱向缺陷；布置常規A 超探頭2 組（圖2 中1-1、1-2 和2-1、2-2），為斜探頭，進行K 型排布，分別采用一發一收方式檢測焊縫橫向缺陷；布置雙晶直探頭2 組（圖2 中直探頭1和直探頭2），檢測焊縫兩側熱影響區母材分層缺陷[10-13]。

圖2 探頭排布示意圖

采用單面雙側方式，一（奇）次波檢測焊縫下半部分缺陷，對應樣管參考反射體為內中槽、內邊槽、Φ1.6 mm 通孔（下半部）；二（偶）次波檢測焊縫上半部分缺陷，對應樣管參考反射體為外中槽、外邊槽、Φ1.6 mm 通孔（上半部），具體探頭對應的參考反射體見表1。

表1 探頭對應參考反射體檢測對照表

1.4 聲束覆蓋

1.4.1 焊縫參數

在螺旋焊管中，焊縫為雙面焊，焊縫尺寸如圖3所示。在進行相控陣自動探傷進行聲速覆蓋設計時，應以實際鋼管焊縫厚度進行參數設置，超聲相控陣自動探傷系統參數設置見表2。

表2 超聲相控陣自動探傷參數設置

圖3 焊縫尺寸示意圖

1.4.2 相控陣探頭及楔塊選擇

根據NB/T 47013 標準要求，結合被檢工件壁厚實際情況，選擇16 或32 陣元探頭和對應的楔塊，具體參數見表3。

表3 相控陣探頭及楔塊參數

對于Φ406 mm 等較大曲率鋼管，檢測時要對相控陣探頭楔塊表面進行研磨，以保證其耦合效果。通過對焊縫形貌、相控陣探頭及楔塊參數的設置，為確保聲束覆蓋范圍，利用相控陣檢測儀的軟件模擬焊縫檢測聲線，仿真結果如圖4 所示。通過圖4 可以看出，檢測過程中超聲波聲束能實現整個焊縫被檢區域的全部覆蓋。根據仿真圖，對應的樣管參考反射體聲束覆蓋如圖5 所示。

圖4 焊縫聲線仿真圖

圖5 樣管參考反射體聲束覆蓋示意圖

2 結果驗證

對兩種規格樣管進行超聲波相控陣自動檢測，檢測速度設置為10 m/min，檢測記錄A型及C 型顯示如圖6 所示（以Φ1 016 mm×17.5 mm 螺旋鋼管為例）。檢測結果顯示，樣管中的人工反射體均能被檢出，檢出率100%，誤報率0%。

圖6 樣管檢測顯示記錄

對以上鋼管分別進行X 射線檢測和超聲相控陣自動檢測，檢測結果見表4。通過檢測結果顯示，超聲相控陣自動檢測系統對X 射線檢測缺陷/缺欠均能有效檢出，尤其對焊縫中的裂紋、未焊透、未熔合等缺陷反射信號比較強烈，在各缺陷/缺欠反射信號波幅最高處，其位置所對應的主聲束角度為41°～70°。由此可見，相對于常規超聲固定探頭角度模式的檢測方式，超聲相控陣檢測覆蓋范圍更廣，檢測靈敏度更高。除此之外，在超聲波相控陣系統檢測17.5 mm 厚壁鋼管過程中，還發現有其他缺陷信號（X 射線檢測時未發現），后經手動超聲波復查，確認為缺陷。事實證實，超聲相控陣檢測相對于常規超聲檢測和厚壁管的X 射線檢測，具有明顯優勢。

表4 鋼管焊縫檢測結果

綜上所述，通過合理設置參數并根據設備獨特聲線進行仿真建模，同時采用精確的焊縫跟蹤系統和穩定的機械結構，可實現對螺旋埋弧焊管超聲相控陣自動檢測，且檢測靈敏度更高。

3 結 論

（1）通過對探頭和楔塊進行參數設置，采用一次波掃查覆蓋內中槽、內邊槽、Φ1.6 mm通孔（下半部），二次波掃查覆蓋外中槽、外邊槽、Φ1.6 mm 通孔（上半部），超聲相控陣檢測系統能實現整個焊縫區域的全部覆蓋。

（2）通過對帶有缺陷的樣管進行常規超聲檢測和X射線檢測對比，超聲相控陣自動檢測不僅檢測靈敏度較高，而且檢出效果較好。

（3）通過對不同壁厚的樣管進行檢測，探傷速度設定為10 m/min，樣管上人工缺陷能全部檢出，使缺陷檢出率及重復性得到有效驗證。