顧祁超

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

0 概況

某換熱器換熱管對(duì)接接頭擬采用超聲方法進(jìn)行檢測(cè)，由于小徑管超聲檢測(cè)時(shí)，聲束在管道中衰減嚴(yán)重，回波反射率低，且回波波形較為復(fù)雜，檢測(cè)結(jié)果易受人為因素干擾，所以利用常規(guī)的檢測(cè)手段難以獲得較好的檢出率[1]。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種可記錄式超聲檢測(cè)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)聲束的偏轉(zhuǎn)、延遲和聚焦，形成扇形掃描(S-scan)、B顯示(橫斷面)和C顯示(水平面)等多種圖像顯示，可利用二維坐標(biāo)對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量。與普通單晶探頭擴(kuò)散且單向的聲場(chǎng)分布不同，相控陣探頭聲束聚焦且可轉(zhuǎn)向，更易檢出不同方向性的缺陷，有利于缺陷發(fā)現(xiàn)，可用于非標(biāo)小徑管的檢測(cè)。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 被檢對(duì)象

被檢對(duì)象為薄壁換熱管對(duì)接焊接接頭及熱影響區(qū)，集管和換熱管材質(zhì)均為低合金鋼，換熱管尺寸為?32×3.5 mm，V形坡口，鈍邊間隙1 mm，氬弧焊焊接，焊縫外表面寬度實(shí)測(cè)約10～11 mm，熱影響區(qū)寬度經(jīng)晶相組織分析，約2～3 mm。

1.2 檢測(cè)難點(diǎn)

熱管尺寸小于NB/T 47013.3-2015《存壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中II型焊接接頭超聲檢測(cè)使用范圍下限為?32×4 mm。采用手工脈沖反射式超聲和相控陣超聲檢測(cè)均面臨兩個(gè)難點(diǎn)。其一，由于焊縫余高和探頭前沿，即使采用70°探頭時(shí)往往只能采用二次波和三次波，又由于反射面直徑較小，超聲聲束在管內(nèi)外表面反射過(guò)程中聲能由于透鏡效應(yīng)急劇發(fā)散，使得檢測(cè)靈敏度較低；其二，薄壁焊縫超聲檢測(cè)時(shí)易在焊縫根部和余高中產(chǎn)生的變形波，大K值探頭可能產(chǎn)生的表面波，均會(huì)影響缺陷的判定。

1.3 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)采用奧林巴斯OMNISCAN MX2 32：128 PR相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備，可同時(shí)激發(fā)32個(gè)陣元，通過(guò)轉(zhuǎn)接器可同時(shí)連接2個(gè)相控陣超聲檢測(cè)探頭對(duì)焊縫進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查。

選用自聚焦相控陣探頭，為兼顧分辨力、信噪比和聚焦性能，檢測(cè)采用7.5 MHz自聚焦相控陣探頭，楔塊銑弧曲率和檢測(cè)面曲率匹配。為獲得更好的角度偏轉(zhuǎn)能力，采用32陣元8 mm×7 mm探頭。

1.4 扇掃角度

采用ULTRAVISION軟件模擬扇掃檢測(cè)時(shí)的聲場(chǎng)覆蓋，由于焊縫余高和探頭前沿，為使得一次波盡可能覆蓋焊縫根部，檢測(cè)時(shí)將探頭盡可能靠近焊縫，步進(jìn)偏置設(shè)置為6 mm。根據(jù)仿真結(jié)果，一次波69°～75°可覆蓋焊縫根部2.8 mm～3.5 mm范圍，實(shí)際檢測(cè)作用有限。考慮到焊縫余高和根部的不規(guī)則性對(duì)聲束傳播可能造成不良影響，實(shí)際上二次波有效聲束角度范圍為45°～72°，覆蓋焊縫0 mm～3 mm范圍，三次波有效聲束角度范圍為45°～51.5°，覆蓋焊縫3 mm～3.5 mm范圍。檢測(cè)時(shí)以二次波為主，焊縫根部區(qū)域主要由一次波檢測(cè)，三次波輔助檢測(cè)。

1.5 聚焦模式

小徑管相控陣超聲檢測(cè)的超聲聚焦情況包括三個(gè)方面：一是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)晶片的發(fā)射和聚焦的延遲控制實(shí)現(xiàn)聚焦[2]，二是自聚焦探頭弧面晶片產(chǎn)生的線(xiàn)聚焦效果，三是曲面楔塊產(chǎn)生的聚焦效果。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)時(shí)采用深度聚焦模式，聚焦深度設(shè)置為二倍管徑可在二次波范圍內(nèi)獲得較好的分辨力和靈敏度。

1.6 對(duì)比試樣

小徑管超聲檢測(cè)靈敏度校驗(yàn)一般采用GS系列試塊。另加工對(duì)比樣管一件，由一段換熱管加工而成，在一半壁厚位置加工?2 mm通孔一處。根據(jù)在GS試塊和該對(duì)比樣管上得到的距離-波幅曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1)，對(duì)比樣管校驗(yàn)時(shí)在二次波聲程范圍內(nèi)進(jìn)行了更多的靈敏度補(bǔ)償，而GS試塊無(wú)法補(bǔ)償換熱管內(nèi)表面對(duì)聲束的發(fā)散，故薄壁小徑管檢測(cè)時(shí)宜采用同規(guī)格換熱管制作對(duì)比試樣用于靈敏度校驗(yàn)。

圖1 距離-波幅曲線(xiàn)對(duì)比圖

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

分別制作人工槽的對(duì)比試塊和帶有自然缺陷的模擬試塊，驗(yàn)證檢測(cè)工藝對(duì)缺陷的檢出能力和定量準(zhǔn)確度。

2.1 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比試樣參考API 1104-2005《管道及相關(guān)設(shè)施焊接標(biāo)準(zhǔn)》，在無(wú)缺陷焊接件上刻槽，槽寬1 mm，槽深分別為0.2 mm、0.37 mm、0.6 mm、1.0 mm，設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 對(duì)比樣管示意圖

對(duì)試樣外壁刻槽檢測(cè)結(jié)果如圖3，缺陷均能檢出。通過(guò)二次波檢測(cè)試樣外壁缺陷，波束經(jīng)過(guò)內(nèi)壁母材反射，信噪比較高。

圖3 外壁刻槽回波顯示圖

對(duì)試樣內(nèi)壁槽檢測(cè)結(jié)果如圖4，缺陷均能檢出，但0.2 mm刻槽信噪比較差，容易被根部信號(hào)遮擋。通過(guò)直射波回波檢測(cè)試樣內(nèi)壁缺陷，細(xì)小缺陷易受根部成形的影響。

圖4 內(nèi)壁刻槽回波顯示圖

2.2 模擬試驗(yàn)

制作模擬試樣3根，模擬試樣采用與實(shí)際產(chǎn)品相同工藝焊接，試樣中制作各類(lèi)產(chǎn)品中可能存在的缺陷，試樣要求如表1。

表1 模擬試樣制作要求

將相控陣檢測(cè)結(jié)果與CR檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果分別如表2、圖5一圖8。

表2 模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 T1試樣裂紋相控陣顯示與CR顯示對(duì)比圖

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)(圖5、圖6、圖7)，相控陣檢測(cè)對(duì)高度約為1 mm的內(nèi)部及表面裂紋、未熔合和未焊透均能有效檢出。相控陣檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部實(shí)際大小約為?0.5 mm的單個(gè)氣孔回波信號(hào)(圖8)，其回波幅度一般低于定量線(xiàn)靈敏度。相控陣檢測(cè)得出的缺陷長(zhǎng)度同缺陷設(shè)計(jì)尺寸接近，偏差在1 mm范圍內(nèi)，為減小測(cè)量誤差，可將編碼器步進(jìn)控制在0.5 mm。

圖6 T2試樣未熔合相控陣顯示與CR顯示對(duì)比圖

圖7 T2試樣未焊透相控陣顯示與CR顯示對(duì)比圖

圖8 T2試樣氣孔相控陣顯示與CR顯示對(duì)比圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)軟件仿真和對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)薄壁小徑管相控陣超聲檢測(cè)的探頭頻率、步進(jìn)偏移、扇掃角度、聚焦方式和對(duì)比試樣進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)證檢測(cè)工藝能夠發(fā)現(xiàn)各類(lèi)缺陷，滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量要求。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，探頭前沿到焊縫中心距離和耦合效果直接影響檢測(cè)圖像的判讀和最終的檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)人員在檢測(cè)時(shí)需要關(guān)注焊縫表面粗糙度、橢圓度、焊縫間隙、錯(cuò)邊和蓋面偏移等可能造成探頭步進(jìn)偏移誤差的因素。