管座角焊縫PAUT檢測試塊設計

摘要：油氣工藝管線的管座多采用小徑厚壁的特殊形貌結構，進行PAUT檢測時需要嚴格進行靈敏度校準和工藝驗證，才能保證檢測結果準確性和可靠性。目前沒有標準明確地規定管座角焊縫PAUT校準和工藝驗證所需的對比試塊和模擬試塊，因此針對油氣工藝管線管座角焊縫的特殊性，通過對管座尺寸、檢測工藝、信號干擾、缺陷類型、缺陷尺寸等因素進行理論和實用性分析，首次提出并設計了一套管座角焊縫專用對比試塊和模擬試塊設計規則。設計出的專用對比試塊成功消除了體積信號干擾，滿足了小管徑、大角度、高深度的校準需求；模擬試塊能夠完成不同缺陷類型的工藝的驗證。試塊應用效果良好，填補了管座PAUT試塊設計的空白，為PAUT檢測適用性和管座角焊縫無損檢測自動化發展提供了支持。

關鍵詞：管座角焊縫；相控陣超聲檢測（PAUT）；對比試塊設計；模擬試塊設計

中圖分類號：TG115.28"""""""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.011

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0073-08

PAUT Block Design for Fillet Weld of Pipe Seat

Abstract：The prevalent utilization of small-diameter thick -walled pipe seats of oil and gas process pipelines requires rigorous sensitivity calibration and process validation during PAUT detection. However， no standardized regulations have been defined to reference test blocks and simulated test blocks for the accuracy and reliability of results. In this work， considering the particularity size， detection surface， detection technology， signal interference， defect type and size， we designed a set of rules by theoretical and practical analysis for the first time. The reference test block we designed successfully eliminated interference signal of volume reflection and achieved the calibration of PAUT requirements. The simulated test block successfully passed process verification. Both of the blocks demonstrated a favorable application effect. This work provides a technical support for the design of PAUT blocks and the development of automation for non-destructive testing.

Key words：pipe seat fillet welds；phased array ultrasonic testing （PAUT）；reference test block design；simulated test block design

油氣管道建設對于焊接質量要求越來越高，無損檢測技術能夠保障管道焊接質量，減少事故發生，在管道建設中發揮著重要作用[1-2]。無損檢測即非破壞性檢測，在對檢測工件的使用性能不產生影響的前提下，利用聲、光、電、磁、熱等物理原理對其進行檢測[3-4]。常用的焊縫表面和近表面缺陷檢測方法有PT（Penetrant testing，滲透檢測）、ET（Edd current testing，渦流檢測）、MT（Magnetic particle testing，磁粉檢測）、UT（Ultrasonic testing，超聲檢測）等，內部缺陷檢測方法有UT、RT（Radiographic testing，射線檢測）等[5-8]。油氣管道對接環焊縫的無損檢測技術已逐步向著自動化方向發展，衍生出AUT（Automated ultrasonic testing，全自動超聲波檢測）、PAUT（Phased-array ultrasonic testing，相控陣超聲檢測）、DR（Digital radiography，數字射線成像檢測）等檢測方法[9-13]，然而工藝管線的管座角焊縫目前采用MT和PT，二者僅能檢測出焊縫表面和近表面的缺陷[5-6，14]。工件內部缺陷具有隱蔽性和潛在危險性，是影響焊縫質量、運行安全的致命因素，因此對于角焊縫內部缺陷的檢測至關重要[15-16]。PAUT相較于與AUT和DR，對于工件形貌和檢測環境的要求更低，適用面更廣，成為管座角焊縫無損檢測的趨勢[17-20]。

管座作為一種補強型管件，其厚度與壓力等級、支管厚度等因素息息相關，涉及的厚度范圍跨度較大[21-22]。在近場區范圍內的超聲波可以看成是平面波，其聲壓不隨距離而變化，但當管座厚度較大時，由于超聲波會發生散射衰減和吸收衰減，其聲壓隨傳播距離增大而減小[23]。超聲波在管座角焊縫內部傳播時聲壓變化復雜，需要通過對比試塊進行靈敏度調整以及缺陷定量分析[24]。此外，管座的厚度范圍跨度越大，聲程范圍越大，PAUT檢測和分析難度越高[25]。為了保證檢測結果的準確性和可靠性，通常會用一個已知特性的、含有多種類缺陷的模擬試塊進行工藝的驗證[26]。目前沒有標準明確地規定油氣管道站場管座角焊縫PAUT檢測需使用的對比試塊和模擬試塊，管道建設期最常用的檢測標準有NB/T 47013.15和SY/T 4109，標準中也沒有明確地對油氣管道管座這種特殊工件的檢測說明，因此，本文基于管道PAUT檢測的對比試塊和模擬試塊的實際應用及研制需求背景下，針對管座角焊縫設計一套PAUT檢測專用的檢測試塊，為管座角焊縫無損檢測自動化發展提供支持。

1 專用對比試塊設計

對比試塊的材料物理性能參數，如聲速、聲衰減系數等盡可能與被檢測工件相同或相近，且含有意義明確的參考反射體（人工缺陷）[27]。油氣管道行業超聲對比試塊種類繁多，NB/T 47013.15和SY/T 4109標準中對于曲面工件可選用的RB-C和SGB-PA系列試塊，二者深度檢測范圍較小且大角度的超聲波對于兩種試塊中高深度橫通孔識別能力比較弱[28-31]，因此對于厚度范圍跨度較大的管座角焊縫，上述試塊不能滿足檢測需求。

與RB-C和SGB-PA系列試塊相似，管座角焊縫專用對比試塊同樣發揮檢測校準和缺陷當量尺寸評價的作用[25]。為滿足橫波聲速校準的需求，設計兩個半徑分別為R25 mm和R50 mm的90°圓弧，通過計算回波時間差來確定橫波聲速。考慮到機械加工、安全性、小角度檢測時垂直聲束的影響等因素，在小圓弧上做60°倒角設計[32]，如圖1（a）所示。此外，考慮到管座PAUT檢測方案，檢測面為管座側和主管側雙側。對于管座側檢測來說，油氣管道工藝管線的管座外徑一般小于DN 500 mm，對比試塊上下表面需設計為曲面，曲率半徑設計為被檢工件表面曲率半徑的0.9～1.1倍[31]。當檢測面為主管側時，由于主管與管座連接面為馬鞍形，如圖1（b）所示，若使用曲面楔塊更容易造成耦合不良，因此選用平楔塊進行PAUT檢測，對比試塊上下表面設計為平面。

油氣管道站場和儲氣庫均采用安放式管座，壓力等級分為Sch10、STD、XS、Sch160、XXS等，不同壓力等級下對應的管座尺寸差異較大，最高厚度能達到45.2 mm[22]。根據PAUT檢測工藝的需求，選擇一次波反射法進行檢測，最深校準孔深度宜大于或等于2.2T[30]，因此對比試塊中參考反射體的深度約100 mm。為了節約成本、增加試塊便攜性和適用范圍，常規試塊通常采用雙側深度及一次回波設計的理念。如圖2（a）所示，對于高度為45 mm的試塊中的一個參考反射體來說，能夠進行四個不同深度的靈敏度校準。然而，當檢測面為曲面時，非聚焦探頭的超聲波在曲界面上進行一次波反射會產生聚焦（圖2b）。PAUT聚焦探頭回波聲壓計算更為復雜，回波發散性更嚴重（圖2c）。因此，為了得到更好的校準效果，管座角焊縫專用對比試塊設計參考反射體最深距離為100 mm，試塊高度設計為110 mm。

確定高度之后需要設計試塊的長度。使用CIVA軟件對側邊距50 mm和100 mm的深度為60 mm的反射體分別進行模擬仿真分析，探頭選用AM 5 MHz探頭，PAUT扇掃角度為40°～70°，激發晶片數為16。圖3（a）（b）為側邊距50mm仿真示意圖，可以看出參考反射體能夠有效檢出，底面反射信號明顯。圖3（d）（e）為側邊距100 mm仿真示意圖，結果與50 mm的相似。圖3（c）（f）分別為不同側邊距在實際檢測過程中的B掃圖，從圖中可以看出，側邊距為50 mm時側邊、端角等體積信號對于檢測和校準的干擾較大，側邊距為100 mm時，校準過程幾乎沒有受到體積信號的干擾，能夠滿足高深度、大角度的校準需求。

此外，與仿真結果不同，底面對實際校準過程影響并不大。因此，參考反射體與對比試塊雙側壁的距離設計為100 mm，試塊的總長設計為450 mm。

在設計對比試塊參考反射體之前需要確定管座角焊縫中可能存在的缺陷。常見的焊接缺陷有未熔合、未焊透、裂紋、氣孔、夾渣等[1-4]，這類缺陷具有點狀面積型反射體的特點，同時考慮管座角焊縫中缺陷的自然分布屬性及復雜性，一般選用不同深度分布的平底孔用于縱波直入射，不同角度的平底孔用于不同角度的橫波斜入射，可選用不同深度的橫通孔用于多角度入射[27，29]。管座角焊縫PAUT檢測采用扇掃深度聚焦，因此選用橫通孔作為對比試塊的參考反射體。對于不同壓力等級的安放式管座，其深度分布見圖4（a）所示，綜合考慮概率分布、反射體間相互干擾和試塊總高度，可設計反射體深度為10 mm、20 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、90 mm、100 mm。為了得到更穩定可靠的超聲回波信號，橫孔的直徑需大于1.5倍超聲波波長，設計2 mm橫孔足以滿足管座角焊縫檢測和校準需求。試塊最終的3D建模如圖4（b）所示。

2 專用模擬試塊設計

模擬試塊的設計和制備難度要遠遠高于對比試塊，對比試塊具有通用性，而不同檢測工藝所需的模擬試塊均有所差異。目前沒有任何標準規定管座角焊縫模擬試塊的設計原則和設計流程。

模擬試塊主要用于工藝驗證，其材料、聲學特性、外形結構、厚度和表面條件應盡可能地與被檢工件相同或相近，因此在設計模擬試塊前需要對被檢工件進行全方位調研和統計。油氣工藝管線使用的管座類型較多，以西三中三個站場為例，現場調研到共有DN150 mm×50 mm、DN700 mm×100 mm、DN1200 mm×150 mm等17種不同尺寸的管座，模擬試塊設計應包含所有尺寸的工件。在保證成本和檢測效率的前提下應盡可能地增加人工反射體數量，基數越大，工藝驗證效果越好。

管座角焊縫PAUT檢測面分為主管側和管座側，如圖1（b）所示，缺陷設計時應考慮雙側制作。與對比試塊不同，可以采用焊接方法制備管座角焊縫中可能存在的未熔合、未焊透、裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，試塊設計需要考慮不同類型的缺陷可能存在的概率、深度分布、高度分布、距離分布等因素，分別進行缺陷種類、數量、高度、深度、位置等設計。

圖5（a）為不同缺陷種類設計的人工反射體占比，對于厚壁管座角焊縫來說，雙側未熔合與未焊透出現的概率較高，裂紋出現的概率較低[18-21，25]，因此通過出現的概率來設計人工反射體數量。

圖5（b）為人工反射體高度分布，同樣通過出現的概率來采用正態分布的方法進行設計，為了驗證小缺陷檢測能力，設計高度均不高于2.5 mm。

考慮到管座角焊縫PAUT檢測工藝，檢測過程中采用雙側檢測，因此人工反射體除未焊透外在主管側和管座側平均分布，如圖5（c）所示。

圖5（d）為人工反射體深度分布散點圖，T為工件厚度，除了未焊透缺陷（在1.0T深度）外，近似平均分布不同深度的人工反射體。同時，考慮到工件弧度，適當在不同點位設計不同種類的人工反射體（如0點、3點、6點、9點）。以上述調研的17種管座為例，本次設計了22個模擬試塊，共104個人工反射體。

3 試塊應用

使用ZETEC TOPAZ 64設備、AM 5MHz探頭在管座角焊縫專用對比試塊上進行靈敏度校準，如圖6（a）所示，在模擬試塊上進行檢測，如圖6（b）所示。

聲速校準如圖7（a）所示，使用一次回波與二次回波進行材料聲速測量，計算聲程差。進行楔塊延遲校準時，需要記錄各個角度聲束在圓弧面的最大反射信號，如圖7（b）所示。圖7（c）80 mm深的反射體的校準圖。同樣大小的缺陷埋深越深時，回波信號越低，此時需要將聲束在不同位置的檢測靈敏度校準至同一基準，通過回波信號判斷缺陷尺寸信息，即TCG校準。從實驗結果可以看出，聲速與楔塊延遲與工件和探頭材料特性幾乎一致，同時，專用對比試塊能夠滿足小管徑、高深度的TCG校準需求，且大角度檢測效果佳，能夠適用管座角焊縫PAUT檢測需求。

模擬試塊檢測結果見圖8。圖8（a）為根部未焊透缺陷，通常易與體積信號混淆，單獨在扇掃、A掃視圖中很難識別，主要關注B掃、C掃視圖，并結合扇掃、A掃綜合判定。圖8（b）和（c）為裂紋缺陷，扇掃、B掃、C掃視圖呈不規則點狀堆積且上下跨度較大，A掃也呈不規則鋸齒狀，最高波不明顯，缺陷衍射信號強，總體來說形貌特征特征比較明顯。

圖8（d）和（e）為未熔合、氣孔和夾渣缺陷，三者示意圖相似，扇掃、B掃、C掃視圖呈長條狀，A掃呈狹長狀，缺陷分析中很難區分未熔合、單個氣孔和夾渣缺陷。因此，缺陷評判過程中可以將這種單條、多條缺陷定義為點狀缺陷、線狀缺陷和密集缺陷。

模擬試塊檢測結果與人工反射體對比見圖9。在實際PAUT檢測中，很難區分根部未熔合和根部未焊透，因此檢測結果中未焊透數量比人工反射體多，其中包含了根部區未熔合。實際檢出缺陷115個，104個人工模擬缺陷全部檢出，同時檢出11個模擬焊縫制備過程中產生的自然缺陷。從實驗結果可看出，模擬試塊檢測效果良好，管座角焊縫PAUT檢測工藝適用。

4 結論

本文通過對管座角焊縫形貌特征、PAUT檢測工藝、缺陷種類和尺寸等方面的研究，首次提出并設計了一套管座角焊縫專用對比試塊和模擬試塊設計方法：

（1）對比試塊應考慮管座壓力等級、厚度、信號干擾和PAUT檢測工藝需求，需設計平面和曲面的兩種對比試塊；對比試塊總長設計為450 mm、總高為110 mm；需滿足橫波聲速校準、橫波多角度斜入射的需求。

（2）模擬試塊設計應考慮PAUT檢測工藝需求，應包含所有尺寸的工件；應綜合考慮成本、效率、出現概率、檢測面來確定人工反射體數量；高度可采用正態分布。

通過上述規則設計的對比試塊和模擬試塊成功完成了PAUT校準和檢測，檢測效果良好，填補了管座PAUT試塊設計的空白，為PAUT檢測適用性和管座角焊縫無損檢測自動化發展提供了支持。

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