賈占鵬 黃亞波

中國船級社質(zhì)量認證有限公司

 

摘要：利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢，采用一發(fā)一收的串列式掃查方式，對B型套筒角焊縫垂直面實(shí)施檢測。同時(shí)，利用相控陣扇掃的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化試塊長(cháng)橫孔尺寸，對主管及角焊縫區域實(shí)施檢測，降低聲束入射角度對回波幅度的影響，從而提高缺陷的檢出率。

關(guān)鍵詞：B型套筒；角焊縫；相控陣超聲；串列掃查； 缺陷檢出率

 

早期建設的油氣管道隨著(zhù)運行時(shí)間的增加和運行環(huán)境的變化，容易出現環(huán)焊縫老化泄漏問(wèn)題。使用B型套筒對存在安全隱患的焊縫進(jìn)行補強，可以有效保證其完整性。由于B型套筒環(huán)向角焊縫（圖 1）兩側的厚度不一致，套筒和主管之間存在一定的間隙，套筒側垂直面和主管側水平面的缺陷方向性較強，用超聲檢測方法難以檢測出。本文研究利用串列掃查和脈沖反射相控陣超聲檢測技術(shù)來(lái)提高缺陷的檢出率。

圖1 B型套筒環(huán)焊縫模型

1  檢測的重點(diǎn)和難點(diǎn)

1.1  檢測重點(diǎn)

主要檢測區域可分為三個(gè)部分：第一、套筒側熔合面：主要缺陷為填充材料與套筒垂直坡口面的未熔合；第二、主管側熔合面：主要缺陷為填充材料與主管水平坡口面的未熔合；第三、焊縫填充區及熱影響區，主要缺陷包括氣孔、夾渣、焊縫區的未熔合和焊縫及熱影響區的裂紋等。

1.2  檢測難點(diǎn)

由于焊縫結構的特殊性，射線(xiàn)檢測無(wú)法應用于焊縫內部的缺陷檢測，只能采用超聲波檢測。然而，超聲波檢測只能在管道外部進(jìn)行單面雙側檢測。目前，B型套筒的常規檢測方法是基于脈沖反射原理的相控陣超聲波檢測技術(shù)（圖 2）。

圖 2 常規相控陣超聲檢測圖

脈沖反射法超聲波檢測時(shí)，主聲束垂直于缺陷表面時(shí)，缺陷波最高。當存在傾角時(shí)，缺陷波高隨入射角的增大而急劇下降。當聲波垂直人射時(shí)，回波波高為1；當聲波入射角為2.5°時(shí)，波幅下降到0.1；當傾斜12°時(shí)，下降至0.001。此時(shí)，儀器已無(wú)法檢出缺陷。

在套筒側及主管側熔合區，超聲波束與被檢測面無(wú)法形成接近垂直的角度，反射聲束的主要能量將被反射到其他方向，不能被探頭接收。沿發(fā)射路徑返回被探頭接收的超聲能量較低，因此，這兩個(gè)區域的缺陷檢出率極低，甚至造成漏檢。

2  解決方案及檢測工藝

2.1  套筒側熔合面檢測工藝

（1）檢測原理。

采用相控陣超聲技術(shù)，利用基于串列掃查的分區檢測原理實(shí)施檢測。

串列掃查：一個(gè)相控陣探頭中一組晶片用于發(fā)射，另一組晶片用于接收，解決由于超聲波束與被檢測面角度的原因，反射主要聲能不能被探頭接收的問(wèn)題。

分區檢測：根據B型套筒的厚度使用不少于64晶片的相控陣探頭在套筒上進(jìn)行檢測，利用相控陣的聚焦法則的優(yōu)勢，在熔合面上不同的深度位置，分別設置一組串列，進(jìn)行分區域檢測。串列的組數與分區的數量對應，保證整個(gè)熔合面被檢測區域覆蓋。

（2）試塊設計及靈敏度調整。

根據分區串列掃查的特點(diǎn)設計了檢測對比試塊，用于B型套筒側垂直面檢測靈敏度的調試。

對比試塊在垂直方向每隔2 mm～3 mm設置一個(gè)直徑為2 mm的平底孔，上下表面設置1 mm×1 mm的橫槽，反射體間水平方向相距20 mm。

試塊調試時(shí)將不同分區的平底孔的波幅調整到80%滿(mǎn)屏高，以此作為檢測基準靈敏度，同時(shí)每個(gè)分區設置檢測閘門(mén)，滿(mǎn)足檢測區域的同時(shí)，限制其他影響評價(jià)的信號出現在檢測圖譜中，設置每個(gè)通道聚焦時(shí)要確保主聲束對相鄰反射有一定的覆蓋，以保證對分區間隙的檢測。

（3）檢測結果顯示。

檢測結果以雙面帶狀圖進(jìn)行顯示，帶狀圖是按照檢測分區（每個(gè)帶狀圖代表一個(gè)分區）顯示的帶顏色塊、呈包絡(luò )線(xiàn)的A掃描圖像（圖 3）。

圖 3 分區檢測帶狀圖

雙門(mén)是指波幅門(mén)和時(shí)間門(mén)。每個(gè)分區的聲束分別設置相應的波幅門(mén)和時(shí)間門(mén)。在帶狀圖中，當門(mén)內信號波幅大于或等于5%滿(mǎn)屏高時(shí)將被采集顯示。波幅的高度不同，帶狀圖中的信號包絡(luò )線(xiàn)的長(cháng)度不同。當信號大于或等于20%滿(mǎn)屏高時(shí)，將在帶狀圖中顯示顏色不同、長(cháng)短不同的顏色塊。

為了視覺(jué)直觀(guān)，在帶狀圖中用顏色（可以自行在系統中設置）代表波幅。通常20%≤波幅高度＜40%滿(mǎn)屏高時(shí)為綠色，40%≤波幅高度＜80%滿(mǎn)屏高時(shí)為紅色，80%≤波幅高度滿(mǎn)屏高時(shí)為黃色。

顏色塊的長(cháng)短代表信號相對于坡口的位置。顏色塊的長(cháng)度位于顯示分區中間時(shí)，說(shuō)明信號剛好位于熔合面位置，此時(shí)測量信號在門(mén)中的位置，門(mén)位值約為0；當顏色塊長(cháng)度小于1/2顯示分區寬度時(shí)，說(shuō)明信號位于熔合面外靠近探頭一側，此時(shí)測量信號在門(mén)中的位置，門(mén)位值為負值；當顏色塊長(cháng)度大于1/2顯示分區寬度時(shí)，說(shuō)明信號位于熔合面內遠離探頭一側，此時(shí)測量信號在門(mén)中的位置，門(mén)位值為正值。

2.2  主管及焊縫區域檢測工藝

在主管上檢測采用32陣源相控陣探頭，使用相控陣扇掃，利用相控陣角度偏轉的特點(diǎn)，固定一個(gè)探頭位置，在探頭不動(dòng)的情況下也能夠實(shí)現對主管水平面及整個(gè)焊縫區域的覆蓋（圖 4）。

圖 4 主管側及焊縫區域的檢測原理

為了減少聲束入射角度對回波幅度的影響，對現有PAUT試塊進(jìn)行了修改，將直徑為2mm的長(cháng)橫孔修改為直徑為0.5mm的長(cháng)橫孔，在保證信噪比的前提下提高了檢測的靈敏度。

3  檢測工藝實(shí)施及驗證

3.1  檢測器材

儀器: 采用64/128 超聲波相控陣檢測儀，探頭: 5L32-0.6x10相控陣一維線(xiàn)陣探頭7.5L64-1.0x10相控陣一維線(xiàn)陣探頭。

B型套筒角焊縫采用雙側掃查的方式，即從B套、主管母材側進(jìn)行相控陣檢測。針對B型套筒的結構特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)設計檢測工裝（圖 5），配合專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的軟件，可以實(shí)現一次掃查同時(shí)采集兩個(gè)探頭的數據，大大提高了檢測效率。

圖 5 檢測工裝

3.2  檢測結果對比

（1）B型套筒垂直面。

為了驗證缺陷的檢出效果，加工制作了帶有模擬缺陷的試塊，試塊中沿著(zhù)套筒側熔合面分別加工了不同深度的三個(gè)模擬未熔合缺陷。儀器設備對比試塊上調試校準后在專(zhuān)用模擬試塊上進(jìn)行了檢測（圖 6）。

圖 6 套筒側模擬試塊檢測圖譜

現場(chǎng)檢測圖譜中：缺陷一在圖譜中主要顯示通道為1和2通道，說(shuō)明該缺陷位于套筒側熔合區近表面，自身高度大于分區高度3 mm，缺陷長(cháng)度約15 mm；缺陷二在圖譜中主要顯示通道為4、5、6三個(gè)通道，說(shuō)明該缺陷位于套筒側熔合區中間部位，自身高度大于分區高度6 mm，缺陷長(cháng)度約15 mm；缺陷三在圖譜中主要顯示通道為8和根部槽通道，說(shuō)明該缺陷位于套筒側熔合區下表面，自身高度小于分區高度3 mm，缺陷長(cháng)度約15 mm。

（2）主管水平面及焊縫區。

主管側檢測模擬試塊中在水平面加工了3個(gè)不同尺寸的模擬未熔合缺陷，在焊縫區加工裂紋、夾渣、氣孔三個(gè)不同類(lèi)型的缺陷（圖 7）。

圖 7 主管側模擬試塊檢測圖譜

從以上圖譜中可以看到，模擬試塊中的缺陷在圖譜中均有顯示，通過(guò)優(yōu)化試塊反射體尺寸，可以實(shí)現對主管側水平面及焊縫區域的檢測。檢測工藝在模擬試塊上得到了較好的驗證，滿(mǎn)足標準中工藝驗證的要求。

4  結論

（1）由于焊縫的結構形式特殊，利用常規超聲波及相控陣技術(shù)對B型套筒垂直面及主管水平面的未熔合缺陷檢出率很低，甚至無(wú)法檢出。采用基于串列掃查的分區檢測技術(shù)可以很好的實(shí)現對垂直面的檢測，檢測效果較好，可滿(mǎn)足工程現場(chǎng)檢測的要求。

（2）采用相控陣扇形掃查技術(shù)，利用優(yōu)化后的檢測試塊進(jìn)行靈敏度校準，可以實(shí)現對主管水平面及焊縫區的覆蓋，缺陷檢出率較高，可滿(mǎn)足工程現場(chǎng)檢測的要求。使用專(zhuān)用的掃查裝置及檢測分析軟件，掃查數據可記錄并保存，后續可以重復對數據進(jìn)行分析。

作者簡(jiǎn)介：賈占鵬，1983年生，高級工程師，中國船級社質(zhì)量認證有限公司無(wú)損檢測業(yè)務(wù)負責人，中國特種設備檢驗協(xié)會(huì )工委會(huì )委員，全自動(dòng)超聲波檢測（AUT）考委成員，特種設備無(wú)損檢測機構鑒定評審員，中石油、國家管網(wǎng)無(wú)損檢測專(zhuān)家。聯(lián)系方式：13550305288，jiazhanpeng@163.com。