葉浩輝

(中海石油寧波大榭石化有限公司儲運二部，浙江 寧波 315812)

1 前言

我國國土廣袤，油氣資源分布不均勻，因此，在油氣運輸時，必須采用長距離、大范圍的管道運輸，由于實際生產(chǎn)中，無法實現(xiàn)一根管道運輸油氣的形式[1]。因此，需將多段管道通過焊接的方式進行連接。焊接作為一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬的制造工藝，焊接件的質量取決于焊接工藝和焊接手段，一旦焊接過程中出現(xiàn)位裂紋、未焊透、氣孔等缺陷，將會嚴重影響焊接件的使用壽命，嚴重時會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。

因此，作為整個管道系統(tǒng)性能最為薄弱環(huán)節(jié)的焊縫，其質量直接關系到整個系統(tǒng)的安全運行。但目前的傳統(tǒng)檢測方法在檢測效率方面，都難以滿足日益變化的檢測需求[2]；隨著超聲無損評價的興起，焊縫對定量超聲無損檢測方法具有強烈的需求，而考慮到焊縫的具體特點，相控陣超聲因其聲束柔性可控，檢測精度高等特點成為了焊縫定量無損檢測的最為有效手段之一。

2 油氣管道焊縫缺陷基本情況

焊縫中的缺陷是影響油氣管道焊縫質量的主要因素，下面介紹幾種油氣管道焊縫中的常見缺陷類型：

(1)裂紋：裂紋是一種常見的比較嚴重的面積型缺陷，它是由于在焊接應力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結合力遭到破壞形成新界面并產(chǎn)生縫隙。裂紋可能出現(xiàn)在工件的表面，也可能出現(xiàn)在工件的內(nèi)部。

圖1 油氣管道焊縫裂紋缺陷

(2)氣孔：氣孔是一種點狀缺陷。它的形成主要是由于在冷卻焊接材料的過程中，氣體未能及時排出，從而在焊縫中產(chǎn)生較為明顯的孔穴。

圖2 油氣管道焊縫氣孔缺陷

(3)未焊透：未焊透是指被焊金屬沒有徹底熔入到焊縫的根部。未焊透缺陷會導致焊縫的有效截面積銳減，造成應力集中，從而降低了整體的強度和使用壽命，同時未焊透容易誘發(fā)其他的缺陷，例如裂紋缺陷等。

圖3 油氣管道焊縫未焊透缺陷

(4)未熔合：未熔合是指焊道與焊道之間未徹底熔入一起。根據(jù)未熔合發(fā)生的部位可以分為坡口未熔合、根部未熔合等。

圖4 油氣管道焊縫未融合缺陷

3 相控陣超聲檢測基礎

目前超聲檢測正在往無損檢測評價的方向持續(xù)發(fā)展，而相控陣以其聲束可控、成像多樣性等多種獨特優(yōu)勢，成為了當下超聲檢測研究的熱點。

根據(jù)惠更斯原理，相控陣超聲聲場空間內(nèi)某一點的聲壓是所有相控陣換能器陣列單元在該點產(chǎn)生的聲壓疊加的結果，這里的疊加包括幅值和相位的疊加。在相控陣超聲波束的合成與控制中，我們通過控制相控陣換能器陣元發(fā)射頻率與相位差，利用波的干涉原理來實現(xiàn)波束的聚焦與偏轉[3]。如圖5所示，通過改變部分陣元組的脈沖激勵順序或者延遲時間，使聲場中某些位置的振動得到加強或者減弱，實現(xiàn)相控陣超聲波束的偏轉與聚焦，改變相控陣換能器發(fā)射的波束覆蓋范圍。

圖5 相控陣超聲的偏轉聚焦

4 面向油氣管道焊縫的相控陣超聲檢測

4.1 油氣管道焊縫相控陣超聲檢測基礎

若采用單一探頭對油氣管道焊縫進行相控陣超聲檢測，由于超聲波束的擴散角以及聲波在被檢件內(nèi)部散射的緣故，容易引起超聲回波信號較弱，導致漏檢現(xiàn)象。而單純的通過提高激勵電壓的方式來增強超聲回波信號，容易導致噪聲信號與有用信號混雜，無法觀測檢測檢測結果。

根據(jù)以上背景應運而生的相控陣超聲檢測，是根據(jù)油氣管道的壁厚、坡口類型以及焊接填充次數(shù)將焊縫分成多個區(qū)域，采用獨立聚焦探頭對各個區(qū)域進行檢測，并通過拉取時間門和幅度門來獲取指定范圍的超聲回波信號[4]；在此基礎上，采用顏色映射機制表示對應的超聲回波信號的位置信息，用坐標表示幅值信息。

圖6 相控陣超聲掃查原理示意圖

4.2 相控陣超聲檢測結果的顏色表征

在檢測前，人為地將焊縫劃分為幾個分區(qū)區(qū)域，針對各個分區(qū)區(qū)域的評價標準不同。其次，通過拉取時間門和波幅門內(nèi)的信息來實現(xiàn)表征相對位置信息和幅值信息。波幅門信息為時間門和波幅門共同劃定時間范圍內(nèi)回波幅值的指定值，它表征了缺陷區(qū)域內(nèi)是否存在缺陷以及缺陷的當量大小[5]。這一信息使用顏色來表示，具體描述如下：幅值低于10%的信號一般為噪聲信號，直接忽略，認為幅值為0；幅值在10%-40%之間的，用綠色塊表示；幅值在40%-80%之間的，用紅色塊表示，并計入帶狀圖內(nèi)的幅值曲線；幅值超過80%的信號用黃色塊表示，并計入帶狀圖內(nèi)的幅值曲線。通過利用人眼對不同顏色的敏感性不同，設置了相應的顏色，可以方便檢測人員識別檢測區(qū)域內(nèi)是否有回波幅值超過指定的閾值。圖7所示為不同位置、幅值下時間門和波幅門信息的示意圖，圖8所示為檢測過程中某一分區(qū)帶狀圖。

5 結束語

油氣管道在各個領域具有廣泛的應用，而焊縫作為整個管道系統(tǒng)性能最為薄弱的環(huán)節(jié)，其質量保障尤為重要。通過相控陣超聲檢測來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工檢測和射線檢測，檢測更加柔性、安全以及可靠，極大地提高了焊縫的檢測效率和準確性，同時也保證了定量評價結果的準確性，是油氣管道焊縫質量保障的重要手段。

圖7 時間門和波幅門信息表征示意圖

圖8 實際檢測中某一分區(qū)帶狀圖