李 衍,薛飛展
(江蘇太湖鍋爐股份有限公司,無錫 214187)
ASME BPVC(鍋爐壓力容器法規(guī))2009 增補(bǔ)版,在第Ⅴ卷2005 和2006 規(guī)范案例(Code Case)2557和2558的基礎(chǔ)上,又增添了有關(guān)焊縫超聲相控陣(PA)檢測系統(tǒng)特性評價的標(biāo)準(zhǔn)。超聲相控陣扇形掃描(以下簡稱S 掃描)結(jié)合聚焦聲束和線陣列探頭的移動,能獲得功效強(qiáng)大的檢測信息,因而在焊縫檢測方面得到廣泛應(yīng)用。法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對該技術(shù)的確認(rèn)和特定檢測資格評定認(rèn)證的開展,又為鍋爐和壓力容器壓力管道焊縫超聲相控陣檢測的實(shí)際應(yīng)用增添了動力、活力和實(shí)力[1-3]。
相控陣技術(shù)能用于檢測幾何形狀較復(fù)雜的焊接件、可接近性較差的焊縫及異種金屬焊縫。但相控陣超聲檢測的掃描圖像仍然需要一定的識別技能。承壓設(shè)備焊接接頭的相控陣超聲檢測,其缺陷顯示圖像與衍射時差法(TOFD)的黑白條紋圖固然不同,也不同于常規(guī)的A 掃描脈沖波形。通過相控陣圖像特征,判別缺陷性質(zhì)乃至定位、定量,是相控陣超聲檢測診斷技術(shù)的基本功。
筆者結(jié)合ASME 最新標(biāo)準(zhǔn)和國際國內(nèi)應(yīng)用動態(tài),介紹按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的最新要求對承壓設(shè)備焊接接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測時,有關(guān)相控陣S掃描圖像圖譜的識別案例。主要介紹相對于通常X 型坡口雙面焊有相當(dāng)檢測難度的V 型坡口單面焊和T型接頭組合焊中一些典型焊接缺陷的相控陣S 掃描圖像的識別,也包括依據(jù)PA 圖像對焊接缺陷進(jìn)行定位、定量和定向的一些新理念。
相控陣超聲檢測是在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行聲束掃查。通常,相控線陣斜探頭(橫波)檢測的聲束掃查范圍為35°~75°。
圖1表示相控陣超聲探頭聲束掃查焊縫的截面圖。當(dāng)用直射法(即一次波或0.5S波)檢測時,焊縫僅下半部被聲束掃查到;但用底面一次反射法(即二次波或1.0S波)檢測時,聲束就能覆蓋整個焊縫截面。比如,圖示焊縫中的缺陷a,能被二次波檢出,顯示為鏡像a-。在相控陣超聲波探傷儀顯示屏上,使用2.5倍的厚度范圍,整個焊縫體積就能顯示在單一圖像中。
圖1 焊縫超聲相控陣檢測概念圖
以下對V 型坡口單面焊和T 型接頭組合焊兩種典型焊接接頭型式展示了9張典型焊接缺陷的相控陣S掃描圖例。為便于圖像解釋和評定,筆者通過專用軟件,特意添加了相應(yīng)的焊縫探測布置截面圖,繪出了焊接結(jié)構(gòu)和線陣相控探頭(包括線陣斜探頭或線陣直探頭)的布置。S掃描圖加探測布置圖就是焊縫相控陣超聲檢測的讀譜“焦點(diǎn)”。注意,探測布置圖中含有超聲波在被檢焊縫中的聲束傳播路徑(聲路),特別是用一次反射波(即二次波)檢測時,二次波的S 掃描圖像是用一次波在兩倍板厚中的延伸圖像表示的,凡用二次波檢測到的缺陷或焊縫輪廓均用“鏡像”表示。
圖2表示用線陣相控超聲斜探頭探測V 型坡口單面焊縫時所得焊趾裂紋聲像圖。因焊趾裂紋位于探測面一側(cè),該缺陷是是用超聲二次波(或1.0S波)探到的。圖中顯示了被檢焊縫和缺陷的鏡像。裂紋高度是根據(jù)裂紋端角回波與裂紋尖端的衍射信號之間的傳播時間差所對應(yīng)的深度距離測出的。裂紋的相控陣測高指示值為3.6 mm,實(shí)測值為3.8mm,測量誤差-0.2 mm。焊趾裂紋信號的鏡像特征為:端角反射信號波幅強(qiáng),聲像較大,而尖端衍射信號波幅較弱,聲像較小。為準(zhǔn)確測出該表面開口裂紋的自身高度,要特別注意水平光標(biāo)線通過該裂紋尖端衍射聲像中的交點(diǎn)位置(垂直光標(biāo)線為該裂紋在板厚方向的高度延伸線)。
圖2 單面焊焊趾裂紋
圖3是靠近被檢焊縫內(nèi)表面的坡口未熔合的相控陣超聲圖像。該未熔合距內(nèi)表面1.5 mm,自高16mm。圖3(b)為D 掃描圖,其探頭沿焊縫軸線方向移動或作非平行掃查)。由S和D 掃描可得到未熔合的長度、高度和離內(nèi)表面的深度。注意,線陣相控超聲斜探頭在圖示一側(cè)探測時,焊縫根部信號(或稱幾何信號)有可能被該未熔合缺陷信號所掩蓋。若探頭置于焊縫另一側(cè),則缺陷信號和幾何信號圖像均可見。
圖4是靠近被檢焊縫上表面的坡口未熔合用超聲二次波(1.0S波)檢出時的圖像。可見,二次波延伸了一次波的掃描圖像,焊縫和缺陷均反映在鏡像中。
圖5為離上表面1.5mm 的密集氣孔用超聲一次波(0.5S 波)檢出的圖像。該氣孔群尺寸為1.5mm×3 mm×10 mm(用D 掃描測其長度范圍)。圖5(b)中焊根形狀信號的識別,其重要性與常規(guī)A-掃描形狀信號(俗稱假信號)的識別一樣。
圖6表示焊縫中近表面密集氣孔用超聲二次波檢測圖像。注意掃描鏡像中氣孔群、單面焊根部及蓋面焊角(余高與母材交界部位)的聲成像特征與實(shí)際形態(tài)的對應(yīng)性和特異性。諳悉此特征,將有助于對焊接缺陷相控陣超聲成像的表征、定性和分類。
圖7表示T 型接頭組合焊縫中存在的根部未焊透和翼板側(cè)未熔合的相控陣S 掃描圖像。線陣列縱波直探頭置于翼板側(cè)表面(探頭陣列主動窗長度垂直于腹板端面),加一定范圍的橫向移動,并作一定角度范圍的相控陣S掃描,即可檢出此類焊接接頭中的缺陷(包括根部未焊透、翼板側(cè)未熔合以及焊接裂紋和焊道下裂紋等)。翼板側(cè)S掃描外加縱向D 掃描所得相控陣組合圖像,對上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。另外,還應(yīng)注意缺陷信號圖像與焊縫幾何信號(即表面形狀信號)圖像的識別。
圖8表示T 型接頭中存在的焊道下裂紋用線陣縱波直探頭的相控陣檢測圖像。在圖8(b)所示的S 掃描圖像中,裂紋的自身高度用豎線光標(biāo)測量,而裂紋離翼板底面的深度用橫線光標(biāo)測量。注意用光標(biāo)對缺陷測高測深時,缺陷圖像端點(diǎn)和特征點(diǎn)的截取位置。
由于被檢工件和被檢部位的可接近性受到限制,有時不能將超聲直探頭放在圖8所示翼板平面上用縱波進(jìn)行掃查,而只能在翼板另一面(即靠近組合焊縫和腹板的一面)用斜探頭用橫波進(jìn)行探測。圖9為圖8所示T型接頭中存在的翼板側(cè)焊道下裂紋,在翼板另一面用線陣斜探頭橫波二次波的相控陣檢測原理和S 掃描圖像。對缺陷信號圖像定量測定時,同樣要注意用豎光標(biāo)和橫光標(biāo)對該焊道下裂紋鏡像的測高測深取點(diǎn)問題(圖示裂紋自身高度測量值為8 mm,離探測面深度距離測量值為1.4mm)。
圖10表示T 型接頭組合焊中存在的翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合,在翼板組合焊縫側(cè)表面用線陣斜探頭橫波二次波作相控陣檢測時的S 掃描圖像和相應(yīng)探測布置(包括二次波的傳播聲路)。在掃描鏡像中用橫線光標(biāo)測出的焊趾裂紋高度為6.7mm,而裂紋實(shí)際高度為6.8 mm。與上述圖2中的單面焊焊趾裂紋相控陣掃描圖像相似,T 型接頭組合焊中焊趾裂紋用橫波二次波掃查時,裂紋信號也會出現(xiàn)兩個特征鏡像,即端角反射信號圖像和尖端衍射信號圖像,準(zhǔn)確移動光標(biāo),測取兩特征信號間距,同樣是對T 型接頭焊趾裂紋準(zhǔn)確測高的重要細(xì)節(jié)。
圖10 T 型接頭組合焊焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合
(1)線陣探頭的超聲波相控陣S掃描可作為超聲波成像工具。
(2)相控陣檢測時,焊縫缺陷的S掃描圖像顯示易于判讀評定,缺陷信號和幾何信號圖像較之于常規(guī)的A 掃描脈沖波形,易于分辨。
(3)相控陣S掃描圖像加上含有聲傳播路徑的探測布置圖,是焊縫相控陣檢測讀譜解譜的有效方法。特別是用二次波檢測時,要善于辨別鏡像的實(shí)際位置和形貌特征。
(4)缺陷測深測高可依據(jù)S 掃描圖像進(jìn)行評定,測量時應(yīng)注意垂直和水平光標(biāo)的的截取位置。
(5)S掃描與D 掃描結(jié)合使用,可完善缺陷定量表征信息,獲取缺陷三維數(shù)據(jù)。
(6)若將相控陣掃描數(shù)據(jù)輸入三維圖,并利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件包,即可利用三維相控陣數(shù)據(jù)重建被檢工件中的缺陷形態(tài)。
[1] ASME BPVC(A09)Section V,Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds,Mandatory Appendices IV Phased Array Manual Raster Examination Techniques Using Linear Arrays[S].
[2] ASME SE-2491Standard Guide for Evaluating Per-formance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems[S].
[3] ASME Code Section Ⅴ:Code Cases 2557and 2558[S].
[4] 李 衍.焊縫超聲檢測相控陣參數(shù)與缺陷顯示的相關(guān)性[J].中國特種設(shè)備安全,2009,25(12):37-41.
[5] Ciorau P A.Contribution to phased array ultrasonic inspection of welds.part 1:data plotting for S-and Bscan displays[J].CINDE Journal,2007(5):1-9.
[6] 李 衍.超聲相控陣檢測技術(shù)系列講座[J].無損探傷,2007,31(4):12.