安放式管座角焊縫相控陣檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

洪振朋

（撫順市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧撫順 113006）

0 引言

某企業(yè)熱高分氣與混氫油換熱器接管與管箱的安放式管座角焊縫需進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，材料為12Cr2Mo1，氬弧+手工焊接，接管厚度70+6.5 mm。12Cr2Mo1 為低合金耐熱鋼，具有良好的耐高溫和抗氫性能，主要用于制造加氫裝置的反應(yīng)器和熱交換器等設(shè)備，12Cr2Mo1 中的鉻元素和鉬元素能顯著提高鋼的淬硬性，在一定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區(qū)內(nèi)可能形成對(duì)冷裂敏感的顯微組織[1]。含有大量的Cr、Mo 等強(qiáng)碳化物形成元素，使接頭的過(guò)熱區(qū)具有不同程度的再熱裂紋敏感性，在350～550 ℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，當(dāng)有害殘余金屬總含量超過(guò)容許極限時(shí)，將發(fā)生漸進(jìn)的脆變現(xiàn)象。

1 焊縫結(jié)構(gòu)形式對(duì)射線檢測(cè)的影響

焊縫為安放式結(jié)構(gòu)，接管厚度70+6.5 mm，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。射線檢測(cè)適用于厚度較薄的工件，不適宜檢驗(yàn)較厚工件。板太厚，射線照相絕對(duì)靈敏度下降，小尺寸缺陷以及一些面積型缺陷漏檢的可能性增大。射線檢測(cè)適宜檢測(cè)對(duì)接焊縫，檢測(cè)角焊縫效果較差。檢測(cè)角焊縫底片布置比較困難，不能與焊縫完全貼合，使得底片的黑度變化大，底片質(zhì)量差，檢測(cè)靈敏度低。

圖1 安放式接管焊縫結(jié)構(gòu)

射線檢測(cè)工藝的制定：

（1）安放式管座角焊縫射線檢測(cè)內(nèi)透法。如圖2 所示，射線源在內(nèi)，在外壁貼片，因工件較厚70+6.5 mm（斜向厚度91.3+6.5 mm，射線實(shí)際穿透厚度），需采用γ 射線源，如采用中心曝光需計(jì)算允許最小焦距（70 mm 對(duì)應(yīng)258 mm；91.3 mm 對(duì)應(yīng)308 mm），最小焦距不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需采用小焦點(diǎn)γ 射線源（定制1 mm 焦點(diǎn)尺寸γ 射線源）；如采用內(nèi)壁偏心曝光，需增加檢測(cè)次數(shù)，同時(shí)采用C4 以上膠片。

圖2 內(nèi)透法示意

不良影響：γ 射線源檢測(cè)降低檢測(cè)靈敏度，特別是鉻鉬鋼的微小延遲裂紋幾乎無(wú)法檢出；外壁貼片無(wú)法緊貼焊縫，幾何不清晰度增加，使得本就極難發(fā)現(xiàn)的裂紋在底片上的投影更加模糊；因射線方向只能與坡口方向平行，故兩側(cè)的坡口未熔合無(wú)法檢出。

（2）安放式管座角焊縫射線檢測(cè)外透法。如圖3 所示，射線源在外壁，在內(nèi)壁貼片，X 射線機(jī)難以達(dá)到理想的透照角度，故仍需采用γ 射線源（或直線加速），C4類(lèi)以上膠片。

圖3 外透法示意

不良影響：需一張一張透照，檢測(cè)效率低；因射線方向只能與坡口方向平行（如采用直線加速器透照，方向調(diào)整更加困難），故無(wú)法檢出兩側(cè)的坡口未熔合；γ 射線源檢測(cè)或直線加速器檢查測(cè)，檢測(cè)靈敏度降低，特別是鉻鉬鋼的微小延遲裂紋幾乎無(wú)法檢出。

2 相控陣檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種以脈沖反射法為物理基礎(chǔ)的可成像、可記錄的超聲波檢測(cè)技術(shù)，是采用多陣元的陣列換能器，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)控制陣列中各陣元發(fā)射超聲波的時(shí)間來(lái)控制各陣元的聲束在聲場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)、聚焦，或控制接收陣列換能器中各陣元接收回波信號(hào)的時(shí)間，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、聚焦成像檢測(cè)的一種檢測(cè)技術(shù)[2]。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)、厚度編輯不同的聚焦法則，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的最優(yōu)檢測(cè)效果。相控陣檢測(cè)適合于厚度大的工件檢測(cè)，可對(duì)不同厚度分區(qū)檢測(cè)，針對(duì)此焊縫，相控陣可模擬實(shí)際坡口形式，采用多角度對(duì)焊縫檢測(cè)，相控陣為可記錄超聲檢測(cè)技術(shù)符合設(shè)計(jì)圖紙要求[3]。且此產(chǎn)品為材料鉻鉬鋼，易產(chǎn)生裂紋缺陷，而相控陣超聲檢測(cè)對(duì)危害性面積型缺陷（裂紋、未熔合、未焊透）的檢出率高[4]，有利于消除重大安全隱患并減少不必要的返修工作，提高設(shè)備（管道）的本質(zhì)安全。

3 相控陣檢測(cè)工藝

（1）工件信息。接管厚度t=70+6.5 mm，焊縫坡口傾角為50°，內(nèi)壁為堆焊層，焊縫根部無(wú)堆焊，待檢測(cè)合格后堆焊。容器類(lèi)別為三類(lèi)壓力容器，按GB 151—2011《壓力容器》和TSG 16—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》設(shè)計(jì)，相關(guān)檢測(cè)應(yīng)執(zhí)行NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備尤損檢測(cè)》。

（2）檢測(cè)方法確定。采用可記錄超聲檢測(cè)方法，在NB/T 47013—2015 中有兩種，衍射波時(shí)差法超聲檢測(cè)不適用該焊接接頭；相控陣超聲檢測(cè)符合該焊接接頭。

（3）技術(shù)等級(jí)合格級(jí)別確定。設(shè)計(jì)圖紙中未明確檢測(cè)技術(shù)等級(jí)和合格級(jí)別，查GB 151—2011 和TSG 16—2016 中規(guī)定超聲檢測(cè)應(yīng)符合技術(shù)等級(jí)B 級(jí)，合格級(jí)別Ⅰ級(jí)。NB/T 4013.15—2021相控陣超聲檢測(cè)中B 級(jí)要求。

（4）檢測(cè)面選擇。采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)安放式管座角焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)面位置選擇見(jiàn)圖4。圖中：A 檢測(cè)面采用扇掃斜入射一次波和二次波檢測(cè)，采用二次波時(shí)應(yīng)考慮內(nèi)壁堆焊層，采用模擬試塊驗(yàn)證或?qū)Ρ仍噳K上相同堆焊層制作曲線；B 檢測(cè)面采用扇掃斜入射一次波檢測(cè)；C 檢測(cè)面采用扇掃直入射檢測(cè)。

圖4 相控陣超聲檢測(cè)中檢測(cè)面位置

（5）檢測(cè)設(shè)備及相關(guān)配件選擇。設(shè)備選擇：奧林巴斯X3；探頭選擇：5L32×0.6-10；楔塊選擇：55°曲率600，55°曲率400，0°楔塊；標(biāo)準(zhǔn)試塊：A/B 型相控陣試塊，CSK-ⅠA；對(duì)比試塊：PRB-Ⅱ，PRB-Ⅳ。

（6）焊縫模型建立。選取TKY 焊縫模型，如無(wú)法調(diào)節(jié)至與實(shí)際相同，則采用CAD 導(dǎo)入。

（7）檢測(cè)區(qū)域。檢測(cè)區(qū)域?qū)挾葹楹缚p本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各5 mm，高度為工件厚度加上焊縫余高。

（8）聚焦法則設(shè)置。A 檢測(cè)面：一次波，扇掃角度范圍40°～75°，聚焦距離70 mm，偏離焊縫中心距離S 值，焊縫寬度1/2；二次波扇掃角度范圍35°～65°，聚焦距離140 mm，偏離焊縫中心距離S 值100 mm；角度步進(jìn)1°。B 檢測(cè)面：一次波，扇掃角度范圍40°～75°，聚焦距離70 mm，偏離焊縫中心距離S 值，外焊縫寬度1/2；角度步進(jìn)1°。C 檢測(cè)面：扇掃角度范圍，-10°～40°，聚焦距離215 mm+外焊縫寬度，距離端頭距離70+外焊縫寬度；角度步進(jìn)1°。

（9）曲線制作。A 檢測(cè)面：一次波選取30 mm、50 mm、70 mm 三個(gè)反射體制作TCG 曲線；二次波選取90 mm、110 mm、130 mm 三個(gè)反射體制作TCG曲線；B 檢測(cè)面：一次波選取30 mm、50 mm、70 mm三個(gè)反射體制作TCG 曲線；C 檢測(cè)面：選取190 mm、240 mm、290 mm 三個(gè)反射體制作TCG 曲線。

（10）靈敏度確定。評(píng)定線Φ2-14 dB；定量線Φ2-8 dB；判廢線Φ2+2 dB。

4 工藝驗(yàn)證

應(yīng)采用專(zhuān)用對(duì)比試塊或模擬試塊驗(yàn)證，應(yīng)能夠清楚地顯示試塊中所有的缺陷，測(cè)量的參考反射體或缺陷尺寸偏差值在允許范圍之內(nèi)。

（1）掃查方式：A 檢測(cè)面縱向垂直掃查+扇形掃查；B 檢測(cè)面縱向垂直掃查+扇形掃查；C 檢測(cè)面縱向垂直掃查+扇形掃查。

（2）掃查設(shè)置：掃查步進(jìn)1.5 mm，掃查覆蓋大于20 mm，編碼器應(yīng)校準(zhǔn)，誤差小于1%。覆蓋以及漏檢區(qū)域：上述檢測(cè)方法無(wú)漏檢區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)100%全覆蓋。

（3）注意事項(xiàng)：C 檢測(cè)面檢測(cè)區(qū)域內(nèi)堆焊層能盡可能修磨平，A 檢測(cè)面內(nèi)壁堆焊層如能修磨平為最好，如不能需采用對(duì)比試塊堆焊的方式制作曲線。橫向缺陷檢測(cè)：可采用手工超聲波按NB/T 47013.3 檢測(cè)。

5 檢測(cè)結(jié)果分析

相控陣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 相控陣檢測(cè)結(jié)果

安放式管座角焊縫相控陣檢測(cè)缺陷見(jiàn)圖5。其他檢測(cè)位置有一些點(diǎn)狀缺陷可忽略不計(jì)，不一一列出，見(jiàn)圖6。

圖5 安放式管座角焊縫相控陣檢測(cè)缺陷

圖6 安放式管座角焊縫相控陣檢測(cè)可忽略缺陷

射線檢測(cè)每道口共檢測(cè)16 張底片，未發(fā)現(xiàn)缺陷；相控陣每道口分4 段檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷1 處。針對(duì)此焊縫，相控陣檢測(cè)缺陷檢出率高于射線檢測(cè)。

6 結(jié)論

相控陣檢測(cè)無(wú)輻射，可與施工交叉作業(yè)，縮短產(chǎn)品檢測(cè)工期，檢測(cè)效率高，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保；相控陣檢測(cè)針對(duì)厚壁工件，缺陷檢出率高于射線檢測(cè)；相控陣檢測(cè)可給出缺陷深度、位置、高度等定位信息，射線檢測(cè)無(wú)法確定缺陷深度與自身高度；相控陣檢測(cè)對(duì)裂紋、未熔合、未焊透等面狀危害性缺陷檢測(cè)靈敏度高。