丁宏波 趙世彬

摘要：傳統(tǒng)無損檢測方式存在效率低、輻射傷害大、檢測期間需停止生產(chǎn)作業(yè)且不環(huán)保等問題。相控陣超聲檢測技術(shù)（PAUT）具有缺陷檢測精度高、效率高、檢測可靠性好、環(huán)保、對生產(chǎn)環(huán)境影響微弱等優(yōu)點(diǎn)。文中舉例說明了相控陣檢測技術(shù)在某乙烯裝置預(yù)脫甲烷塔制造過程中的應(yīng)用，另外對相控陣檢測工藝進(jìn)行了分析并與傳統(tǒng)無損檢測方式進(jìn)行了對比。

關(guān)鍵詞：相控陣超聲檢測;預(yù)脫甲烷塔

前言：近年來，石油化工行業(yè)安全生產(chǎn)形式愈發(fā)嚴(yán)峻，石油化工項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量安全問題顯得格外重要。無損檢測作為石化項(xiàng)目設(shè)備制造的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到石化設(shè)備的質(zhì)量、使用壽命和安全。傳統(tǒng)的射線檢測方法效率低，射線輻射傷害、安全隱患大、不環(huán)保等問題已經(jīng)成為行業(yè)通病。目前，相控陣超聲檢測技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)逐漸從醫(yī)療、軍事、核工業(yè)等領(lǐng)域轉(zhuǎn)向應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。

1 相控陣超聲檢測技術(shù)（PAUT）簡介

相控陣超聲檢測是根據(jù)設(shè)定的延遲法則激發(fā)相控陣各獨(dú)立壓電晶片（陣元），合成聲束并實(shí)現(xiàn)聲束的移動、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接收超聲信號并以圖像形式顯示被檢對象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測技術(shù)。晶片單元是組成相控陣超聲檢測探頭設(shè)備陣列中的獨(dú)立單元。

2 相控陣超聲檢測技術(shù)的基本原理

相控陣超聲檢測掃查類型主要有線性掃查、扇形掃查、動態(tài)深度聚焦。陣列中晶片單元數(shù)量和聚焦法則的選取，對應(yīng)不同的掃查方式，即可對不同形式的焊接接頭內(nèi)部進(jìn)行掃查。

通過軟件系統(tǒng)單獨(dú)控制相控陣探頭中每個晶片的激發(fā)時間，控制產(chǎn)生聲束的角度、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸，再通過線性掃描和扇形掃描，進(jìn)行缺陷的查找、記錄，從而確定缺陷的定位。其中，聚焦焦點(diǎn)的尺寸取決于所用晶片的大小和數(shù)量，聚焦原理圖參見圖

圖中，d未相鄰晶片單元的間距，θ為偏轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為聚焦點(diǎn)，f為中心晶片單元到聚焦點(diǎn)的距離。由三角函數(shù)關(guān)系可得：

OA=id，OF=f

AF2=（OA）2+（OF）2 -2OA·OFsinθ

=（id）2+（f）2 -2idsinθ

因此，第i個晶片單元相對于中心陣元的延時值為：

Ti=f/c{1-[1+（id/f）2-2idsinθ/f]1/2}

其中，c為聲速;

根據(jù)計(jì)算可得到的延時數(shù)值，按計(jì)算式中得到的聚焦法則激發(fā)相控陣各晶片單元，是的發(fā)射出的超聲波通過疊加行程一個新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變換能器的空間排列方式，達(dá)到超聲波聲束偏轉(zhuǎn)和特定位置聚焦的目的。反射波束在接收過程中，按特定的聚焦法則對接收的信號進(jìn)行合成，再將合成的結(jié)果以圖像的形式直觀顯現(xiàn)，這就實(shí)現(xiàn)了超聲波聲束的動態(tài)聚焦，從而展現(xiàn)缺陷位置的尺寸和深度定位。

2.1 相控陣超聲檢測技術(shù)的適用范圍

相控陣超聲檢測技術(shù)適用于：簡單形狀部件 （板、管、圓柱體等）、復(fù)雜形狀部件（葉片、多臺階軸、螺柱等）、小徑薄壁管對接接頭、一般板、管對接接頭、正交角接接頭、非正交角接接頭、粗晶材料及異種鋼焊接接頭、長輸管道對接接頭（多通道分區(qū)聚焦技術(shù)）以及其他適用情況。

2.2 相控陣超聲檢測技術(shù)特點(diǎn)及局限

可實(shí)時實(shí)現(xiàn)彩色成像，立體展示缺陷位置便于缺陷的發(fā)現(xiàn)和判斷;

可實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動態(tài)深度對焦，同時具備寬波束、多焦點(diǎn)的特性，檢測速度快，效率高;

適用范圍廣，基本可覆蓋工件壁厚4-200mm的焊接接頭檢測;

檢測靈活性好，可實(shí)現(xiàn)其他常規(guī)檢測技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的功能，如對設(shè)備、管道復(fù)雜位置的檢測，對特殊結(jié)構(gòu)工件的檢測等;

容易檢測出不同形式、不同深度的缺陷，缺陷檢出率高，定量、定位準(zhǔn)確率高;

掃查裝置操作簡單，便于作業(yè)人員操作和維護(hù);

檢測結(jié)果直觀，受人為因素影響小，檢測影像數(shù)據(jù)資料便于存儲和調(diào)取;

可在任意時段實(shí)施，對作業(yè)環(huán)境要求低，可極大提高無損檢測效率;

對生產(chǎn)現(xiàn)場和作業(yè)人員無危害，安全環(huán)保。

檢測薄壁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件時需要和對象建模和聲場仿真緊密結(jié)合，對工藝制訂和檢測實(shí)施者以及檢測設(shè)備的要求均較高;

實(shí)際操作與工藝一致性要求高，一般宜配合使用機(jī)械掃查裝置。

2.3 相控陣超聲（PAUT）與射線（RT）相比較的技術(shù)特點(diǎn)

（1）相對射線檢測，相控陣超聲檢測對危害性面積型缺陷（裂紋、未熔合、未焊透）檢出率高，對非危害性的小尺寸體積型缺陷（氣孔、夾渣）檢出率略低。有利于消除重大安全隱患并減少不必要的返修工作，提高特種設(shè)備本質(zhì)安全。

（2）相對射線檢測無法提供缺陷的深度和自身高度信息，相控陣超聲檢測可精確測定缺陷的深度及自身高度尺寸，對缺陷的判定更全面。

（3）射線檢測以底片影像的方式直觀顯示材料內(nèi)部缺陷投影狀態(tài)，相控陣超聲檢測以檢測圖譜的方式顯示材料內(nèi)部缺陷存在狀態(tài)，均具有類似直觀可記錄特點(diǎn)。

（4）射線檢測的主要優(yōu)點(diǎn)之一在于缺陷定性較為直觀準(zhǔn)確，相控陣超聲檢測以聲場的方式顯示缺陷狀態(tài)，缺陷的定性準(zhǔn)確度與檢測工藝及技術(shù)人員水平有較大關(guān)聯(lián)性，通過優(yōu)化檢測工藝并輔以經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測技術(shù)人員可提升至與射線檢測相近水平。

（5）設(shè)備制造過程中采用相控陣超聲檢測，因其安全無輻射，不需要隔離或防護(hù)，可以與附近區(qū)域同時開展各項(xiàng)工作，有效保障設(shè)備制造進(jìn)度，提升效率。

3 預(yù)脫甲烷塔概況

預(yù)脫甲烷塔進(jìn)料為高壓脫丙烷塔回流罐液相和碳三洗滌塔釜液，壓力3.15MPa，釜溫14.2℃，頂溫-42.4℃，材質(zhì)為S30408，屬于Ⅲ類壓力容器，自下而上，直徑依次縮小，分別為?5000×31600、?3200×3600、?1800×7350，中間有錐體過渡段。壁厚自下而上分別為78mm、80mm、78mm、52mm、32mm。

由于不帶加速器的RT探厚最大為80mm，該塔下段及錐體壁厚為78mm，因此，采用常規(guī)RT難以達(dá)到好的探傷效果。

根據(jù)比對結(jié)果，采用PAUT+UT+PT綜合檢測工藝可有效檢出超標(biāo)缺陷，未發(fā)現(xiàn)缺陷漏檢情況。

塔中段真實(shí)焊縫驗(yàn)證，也取得了相同結(jié)果。

本次檢測范圍自塔中段至下段?3200×78mm、?4034×80mm、?5000×78mm范圍。縱縫（代號A8-A25）自中段下筒節(jié)至下段最末端共計(jì)18節(jié)，51道縫;環(huán)縫18道（代號B8-B25），檢測方式為PAUT內(nèi)外壁沿線掃查和內(nèi)外壁鋸齒掃查，檢測區(qū)域?yàn)楹缚p加兩側(cè)熱影響區(qū)各10mm，狀態(tài)為檢測區(qū)域表面打磨平整。器材選用：HS PA20-Fe型便攜式實(shí)用型多功能相控陣超聲波半自動掃查檢測儀，雙晶面陣探頭MA2.5-4X8X-3X2.7-D26，激發(fā)晶片數(shù)量為32個。楔塊型號SD26-55L（18.9。），耦合劑為水。基準(zhǔn)靈敏度為?2×40-6dB，沿線及鋸齒掃查靈敏度為?2×40-6dB，橫向缺陷掃查靈敏度為?2×40-12dB，掃查速度為20mm/S。

共計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷53處，含消除缺陷后復(fù)測共計(jì)進(jìn)行掃查423次，全部合格。

輔以UT進(jìn)行檢測，消除缺陷，共計(jì)掃查127次，發(fā)現(xiàn)缺陷55處，整改后復(fù)測合格。

結(jié)束語：通過對相控陣超聲檢測技術(shù)在某乙烯裝置預(yù)脫甲烷塔制造過程中的應(yīng)用，并與常用無損檢測方式的對比分析，可見相控陣超聲檢測技術(shù)可以應(yīng)用于大型厚壁設(shè)備的無損檢測，具有可靠性好，檢測效率高，檢測結(jié)果直觀可視，受客觀環(huán)境因素影響小，操作靈活，安全性高等優(yōu)勢。

相控陣超聲檢測技術(shù)輔以常規(guī)超聲檢測及表面無損檢測，不僅可以保證檢測的準(zhǔn)確性，還能大幅提高檢測效率，加快設(shè)備制造進(jìn)度。此外，相控陣超聲檢測技術(shù)安全性高，對生產(chǎn)及作業(yè)人員無影響，符合安全要求。

另希望總局能盡快將NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測》新版盡快發(fā)布，以便更好的將此技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。