(武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，武漢 430014)

0 引言

球罐是一種大型鋼制壓力容器，主要用于貯存易燃易爆、有毒有害等高危害性介質(zhì)，在企業(yè)中通常設(shè)立單獨(dú)的球罐區(qū)域。球罐對(duì)接焊縫失效是其主要危險(xiǎn)源之一，焊縫開(kāi)裂可導(dǎo)致物料泄漏進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸等連鎖反應(yīng)，造成嚴(yán)重后果。

在對(duì)球罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，球罐對(duì)接焊縫的無(wú)損檢測(cè)是重要環(huán)節(jié)，缺陷性質(zhì)及尺寸直接影響球罐安全狀況等級(jí)[1]。目前對(duì)球罐對(duì)接焊縫中缺陷檢測(cè)方法主要采用射線檢測(cè)(RT)、A型超聲波以及衍射時(shí)差超聲檢測(cè)(TOFD)技術(shù)。這3種檢測(cè)技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：射線檢測(cè)結(jié)果直觀、可判別缺陷性質(zhì)，但受厚度限制且無(wú)法確定缺陷深度及自身高度；超聲波穿透能力強(qiáng)、對(duì)面狀缺陷敏感，但人為操作影響較大，檢測(cè)結(jié)果不直觀，較難判定缺陷性質(zhì)；TOFD技術(shù)能夠確定缺陷的長(zhǎng)度、深度及自身高度，檢測(cè)結(jié)果較為直觀，但存在近表面及表面盲區(qū)，較難確定缺陷性質(zhì)[2]。這3種檢測(cè)方法的局限性一定程度上降低了工作效率。

近幾年，隨著軟硬件技術(shù)提升，相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)越發(fā)成熟，其工作方式是在不移動(dòng)探頭的情況下，僅通過(guò)軟件控制探頭晶片激發(fā)順序，即可獲得聲束最優(yōu)偏轉(zhuǎn)角度及聚焦深度，提高檢測(cè)分辨力及位置針對(duì)性，還可從不同投影方向生成S，B，C，D等4種掃描圖譜。這些特點(diǎn)使相控陣技術(shù)具有更高的缺陷檢出率、測(cè)量精度以及檢測(cè)可靠性[3-5]。

本文選取球罐對(duì)接焊縫中常見(jiàn)的體積狀和面狀性質(zhì)的缺陷(夾渣和裂紋)各一例，在試板上預(yù)埋這兩種性質(zhì)的自然缺陷，采用相控陣超聲技術(shù)對(duì)其檢測(cè)，分析兩種缺陷的成像特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際球罐檢驗(yàn)中的應(yīng)用案例，對(duì)球罐對(duì)接焊縫中裂紋、夾渣相控陣識(shí)譜技術(shù)進(jìn)行探討。

1 模擬試板相控陣檢測(cè)

1.1 模擬試板制作

針對(duì)不同體積的球罐，共制作3種不同厚度的模擬試板，試板的結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)、厚度、焊接坡口型式等與實(shí)際檢測(cè)的球罐相同或相近，每塊試板中均包含縱向裂紋(縱裂)及條狀?yuàn)A渣(條渣)的自然缺陷，通過(guò)焊接控制所定向產(chǎn)生的自然缺陷(相同性質(zhì)的缺陷，其自身尺寸不一致)[6]，每種缺陷數(shù)量1～2個(gè)不等(見(jiàn)表1)。

1.2 儀器與探頭

試驗(yàn)選用便攜式多功能相控陣檢測(cè)儀(型號(hào)HSPA20)及其相配備的編碼器、探頭型號(hào)為5L32-1.0×13一維線陣、楔塊物理角度為55°，掃查方式為沿線掃查+扇掃描。

表1 模擬試板厚度、材料、坡口型式及試板尺寸

1.3 靈敏度

依據(jù)GB/T 32563—2016《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》以及參照NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，選用CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)探頭，選用CSK-ⅡA-1，CSK-ⅡA-2對(duì)比試塊制作曲線，靈敏度參照A型超聲波。

1.4 缺陷數(shù)據(jù)對(duì)比

(a)TOFD檢測(cè)

(b)射線檢測(cè)

(c)相控陣超聲檢測(cè)

目前，檢測(cè)方法中射線測(cè)長(zhǎng)、TOFD測(cè)高可信度較高，故本試驗(yàn)采用這兩種方法與相控陣進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比，驗(yàn)證相控陣的準(zhǔn)確性與有效性。相控陣超聲波在測(cè)量尺寸時(shí)，參照A型超聲波采用半波法、端點(diǎn)半波法及絕對(duì)靈敏度法[2]。圖1～3分別示出每塊試板的3種檢測(cè)方法圖像，表2～4分別列出每塊試板3種檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

(a)TOFD檢測(cè)

(b)射線檢測(cè)

(c)相控陣檢測(cè)

表2 1#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對(duì)比mm

(a)TOFD檢測(cè)

(b)射線檢測(cè)

(c)相控陣檢測(cè)

表3 2#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對(duì)比mm

表4 3#試板TOFD/RT/PAUT數(shù)據(jù)對(duì)比表 mm

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 裂紋

2.1.1 圖譜分析

裂紋是典型的面狀缺陷，裂紋的形貌、延展方向、尺寸大小等因素直接影響相控陣成像效果。從B掃和C掃描圖像中可以清楚地看到，該條裂紋單面雙側(cè)掃查出的圖像差異很大，聲束入射角度受裂紋取向影響造成影像缺失，并且在長(zhǎng)度和深度方向上存在多個(gè)回波高點(diǎn)，圖譜上顏色深淺變化(見(jiàn)圖4)。

在S掃描圖像上觀察裂紋缺陷時(shí)，在移動(dòng)角度線的同時(shí)，可在A掃描圖像中看到該角度下的A型脈沖反射回波形貌，當(dāng)移動(dòng)到裂紋深度方向下端點(diǎn)時(shí)，在緊貼主聲束旁會(huì)有端點(diǎn)衍射回波顯示ΔDW[2]，并且在S掃描上主反射波周?chē)奥暢谭较蛏洗嬖谖⑷醯难苌洳ㄐ盘?hào)，如圖5所示。

在檢測(cè)表面及近表面裂紋時(shí)，相控陣成像同樣受表面余高等結(jié)構(gòu)回波的影響，結(jié)構(gòu)回波與缺陷成像疊加覆蓋，難以區(qū)分識(shí)別。當(dāng)采用單面雙側(cè)檢測(cè)下表面裂紋時(shí)，結(jié)構(gòu)回波應(yīng)位于二次波成像區(qū)，但對(duì)于近表面裂紋，尤其當(dāng)裂紋自身高度超過(guò)余高一定量時(shí)，B掃圖譜上一次波與二次波同時(shí)顯示。相比于傳統(tǒng)A型超聲檢測(cè)下近表面來(lái)說(shuō)，這是相控陣的優(yōu)勢(shì)。上表面裂紋由于只能被二次波覆蓋，且受下表面余高的影響，導(dǎo)致聲波聲程增加，使缺陷定位不準(zhǔn)，需從內(nèi)表面或用其他方法輔助檢測(cè)(見(jiàn)圖6)。

圖4 2#試板中2縱裂單面雙側(cè)B掃和C掃圖譜

圖5 縱向裂紋A超反射波形和S掃圖譜

圖6 3#試板中1縱裂(近下表面)S掃和B掃圖譜

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合圖5，6可以看出，在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)至少采用兩束相互垂直聲束(單面雙側(cè))進(jìn)行掃查，從中選取最優(yōu)圖像及缺陷長(zhǎng)度的有效測(cè)量值；對(duì)端點(diǎn)有明顯衍射波信號(hào)的，可采用端點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)高，對(duì)端點(diǎn)衍射回波不明顯的，采用半波法測(cè)量。從3組試板數(shù)據(jù)得知：PAUT測(cè)長(zhǎng)值與RT差值基本在-3 mm以內(nèi)，且PAUT測(cè)長(zhǎng)普遍偏小，而在1#試板的1縱裂缺陷雙側(cè)測(cè)長(zhǎng)值最大僅為13.5 mm，與RT差值4.5 mm，對(duì)該缺陷測(cè)量時(shí)僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)回波高點(diǎn)，利用半波法自動(dòng)忽略掉部分反射區(qū)，導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)偏小(見(jiàn)圖7),故對(duì)此類裂紋定長(zhǎng)時(shí)，可延至圖像邊界，防止返修不到位。對(duì)于3#試板中的2縱裂缺陷，幾乎很難看清影像(見(jiàn)圖3)，這是厚板射線局限性導(dǎo)致的。PAUT測(cè)量深度時(shí)，與TOFD誤差在2 mm以內(nèi)；測(cè)量自身高度時(shí)，PAUT一次波缺陷盡可能采用端點(diǎn)衍射回波差值，二次波缺陷大多取上下端點(diǎn)半波所在位置的差值，從數(shù)據(jù)中可看出與TOFD出入較大，僅能作為參考。

2.2 夾渣

2.2.1 圖譜分析

夾渣是體積型缺陷，一般是由于雙面焊清根不凈或施焊不規(guī)范導(dǎo)致夾渣殘留，通常分布于焊縫中心及坡口熔合線附近。夾渣在B/C掃描成像均較為完整，形成較為均勻的條狀顯示，中部亮度較高(見(jiàn)圖8)，有長(zhǎng)度且有明顯的自身高度[7]，前后左右微調(diào)相控陣探頭，缺陷圖像上始終能找到最高回波，深度、水平方向大致能保持在一條直線上。在A/S掃描圖像上也可看到圖像顏色由中心向四周階梯式變淺，主聲束周?chē)鸁o(wú)明顯的衍射波信號(hào)(見(jiàn)圖9)。

圖7 1#試板中1縱裂B掃描圖譜

圖8 3#試板中3條渣B掃/C掃圖譜

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

3塊試板PAUT測(cè)長(zhǎng)值均明顯小于RT測(cè)長(zhǎng)值，產(chǎn)生這種誤差的可能性，主要是因?yàn)閷?duì)于僅有一個(gè)回波高點(diǎn)的夾渣，在采用半波法測(cè)長(zhǎng)時(shí)軟件自動(dòng)將兩邊能量較低的反射忽略，不計(jì)入長(zhǎng)度以內(nèi)，產(chǎn)生誤差。但在測(cè)量條狀?yuàn)A渣自身高度、深度值與TOFD測(cè)量值對(duì)比差值在1 mm左右。

圖9 3#試板中3條渣A超反射波形

3 案例分析

對(duì)某化工企業(yè)2 000 m3乙烯球罐對(duì)接焊縫(T=48 mm)進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，在球罐底部T形焊縫縱縫上發(fā)現(xiàn)一處縱向缺陷，測(cè)量數(shù)據(jù)為深度20～25 mm，長(zhǎng)度38.8 mm、自身高度5 mm、距離焊縫中心5 mm。從B掃圖像上可看見(jiàn)缺陷圖譜顏色在深度和長(zhǎng)度方向上不斷變化，存在多個(gè)波峰；在S掃圖像上可觀察到缺陷接近焊縫根部且靠近坡口熔合線部位，此位置也易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂，峰值圖像旁存在部分衍射信號(hào)，綜合分析判定為縱向埋藏裂紋。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)打磨發(fā)現(xiàn)一條實(shí)際長(zhǎng)度40 mm、外表面打磨深度23～28 mm的縱向開(kāi)裂裂紋(見(jiàn)圖10)，在深度、水平方向上裂紋均有轉(zhuǎn)折變向延展。結(jié)合實(shí)際可看出相控陣檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯，其以圖形化方式顯示出缺陷位置，定位清晰，缺陷尺寸測(cè)量較為準(zhǔn)確，檢測(cè)時(shí)可一次掃查全覆蓋[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

相控陣超聲波檢測(cè)采用多角度同時(shí)掃查，可一次性覆蓋整個(gè)焊縫，缺陷當(dāng)量歸一化，圖示直觀，同時(shí)可測(cè)量缺陷的長(zhǎng)度、深度、高度及水平位置，以彌補(bǔ)TOFD檢測(cè)和射線檢測(cè)的局限性；同樣對(duì)條狀裂紋及條狀?yuàn)A渣的相控陣圖像特點(diǎn)給出了參考意見(jiàn)，可以輔助檢測(cè)人員對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定。

(a)縱向裂紋S掃描與B掃描圖像

(b)縱向裂紋現(xiàn)場(chǎng)打磨解剖實(shí)例

但通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，相控陣在測(cè)量缺陷長(zhǎng)度和自身高度時(shí)存在一定的誤差。造成這種誤差的可能性主要有兩種：一是缺陷形貌千變?nèi)f化，而缺陷的走勢(shì)取向和聲束入射角度同時(shí)影響回波能量高低；二是本次試驗(yàn)在采用相控陣定量時(shí)，參照傳統(tǒng)A型超聲的半波法，對(duì)條狀缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏小，尤其對(duì)只存在一個(gè)回波高點(diǎn)的缺陷測(cè)長(zhǎng)時(shí)，儀器軟件默認(rèn)將兩端較低能量自動(dòng)忽略，導(dǎo)致測(cè)長(zhǎng)變小。故筆者建議在實(shí)際檢驗(yàn)球罐對(duì)接焊縫時(shí)，至少進(jìn)行相控陣單面雙側(cè)掃查，對(duì)需要返修的條渣及條狀裂紋長(zhǎng)度根據(jù)相控陣B掃和C掃描圖示適當(dāng)延長(zhǎng)，防止返修不到位。文中僅對(duì)較大尺寸的條狀裂紋及條狀?yuàn)A渣進(jìn)行了相控陣檢測(cè)討論，對(duì)于對(duì)接焊縫中的微裂紋(≤5 mm)和點(diǎn)狀?yuàn)A渣的檢測(cè)特點(diǎn)并未具體說(shuō)明，需做進(jìn)一步研究。