張 健，金 磊，田昌柱，劉 馳

(1.中興海陸工程有限公司，大連 116000；2.無(wú)錫市毅恒工程檢測(cè)有限公司，無(wú)錫 214086)

近年來(lái)，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，促成了集相控陣信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理、顯示和分析等功能于一體的相控陣儀器的發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)外(美國(guó)ASME、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO以及中國(guó)GB和NB)相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，相控陣超聲檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于海工、船舶、航空航天、石油化工、火電、核電等行業(yè)。

在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于FPSO(海上油氣工廠)上建模塊中材料為A790-S31803，規(guī)格為610 mm×46 mm(直徑×壁厚)的管線環(huán)焊縫，需要進(jìn)行射線檢測(cè)。由于射線具有電離輻射，對(duì)檢測(cè)人員的人身安全危害嚴(yán)重，故在管線合攏組裝的過(guò)程中，不能實(shí)現(xiàn)射線檢測(cè)中心曝光，從而降低了射線檢測(cè)效率，影響項(xiàng)目進(jìn)度。因此，承建方、檢測(cè)公司、業(yè)主和監(jiān)造方進(jìn)行協(xié)商后，建議采用相控陣超聲檢測(cè)代替射線檢測(cè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在實(shí)施相控陣超聲檢測(cè)前，需要使用帶缺陷的模擬試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

1 試樣的制作

試樣包括靈敏度對(duì)比試塊和用于驗(yàn)證的人工缺陷模擬試管。

1.1 靈敏度對(duì)比試塊的制作

按照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC.V-2019 《鍋爐及壓力容器規(guī)范第V卷 無(wú)損檢測(cè)》第4章焊縫超聲波檢驗(yàn)方法中校準(zhǔn)試塊的要求，筆者加工了2種靈敏度對(duì)比試塊(見(jiàn)圖1)。如圖1(a)所示，在原材料上加工長(zhǎng)橫孔反射體，制作原材料靈敏度對(duì)比試塊，用于楔塊延遲的校準(zhǔn)。如圖1(b)所示，按照焊接工藝焊接后進(jìn)行切割，制作帶有焊縫的長(zhǎng)橫孔和刻槽的靈敏度對(duì)比試塊，用于靈敏度校準(zhǔn)和TCG(時(shí)間校正增益)曲線的制作等。反射體(長(zhǎng)橫孔和刻槽)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示(表中T為試件厚度)。

圖1 靈敏度對(duì)比試塊實(shí)物

表1 靈敏度對(duì)比試塊人工缺陷參數(shù)

1.2 模擬試管的制作

人工缺陷模擬試管采用切除對(duì)比試塊后的余料制作，依據(jù)ASME BPVC.V-2019 第4章——強(qiáng)制性附錄IX缺陷定量和分類(lèi)的規(guī)程評(píng)定要求，確定缺陷的數(shù)量和位置。為了確定單面單側(cè)掃查工藝的可行性，在人工缺陷模擬試管上共制作了2組人工缺陷(共6個(gè))，分別為上表面缺陷2個(gè)、內(nèi)部缺陷3個(gè)以及根部缺陷1個(gè)，人工缺陷模擬試管實(shí)物如圖2所示。

圖2 人工缺陷模擬試管實(shí)物

依據(jù)ASME BPVC.V-2019第4章——強(qiáng)制性附錄IX的要求，計(jì)算每個(gè)缺陷的長(zhǎng)度及高度(表面及近表面缺陷按照長(zhǎng)高比系數(shù)為0.25計(jì)算，焊縫內(nèi)部缺陷按照長(zhǎng)高比系數(shù)為0.5計(jì)算)，人工缺陷模擬試管詳細(xì)參數(shù)如表2所示,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人工模擬缺陷試管結(jié)構(gòu)示意

表2 模擬試管人工缺陷參數(shù) mm

2 人工缺陷模擬試管上表面和根部缺陷的檢測(cè)

2.1 探頭

采用奧林巴斯A26線性和A17、A27矩陣相控

2.2 上表面缺陷的檢測(cè)

對(duì)于上表面刻槽，主要是利用爬波檢測(cè)，設(shè)置檢測(cè)角度為78°～83°。爬波是縱波從第一種介質(zhì)中以第一臨界角附近(±30′以?xún)?nèi))的角度進(jìn)入第二種介質(zhì)時(shí)，在第二種介質(zhì)中產(chǎn)生的沿介質(zhì)表面下一定距離，在橫波和表面縱波之間傳播的峰值波。上表面缺陷檢測(cè)時(shí)，將不同類(lèi)型的探頭與楔塊進(jìn)行組合，以觀察檢測(cè)效果，其檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示例如圖4所示。

表3 探頭參數(shù)

圖4 上表面缺陷的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示例

將探頭與楔塊組合后，將探頭對(duì)準(zhǔn)上表面刻槽，前后移動(dòng)探頭，使最高波幅達(dá)到滿屏幕的80%，并記錄此時(shí)探頭前沿至上表面刻槽的距離。然后后移探頭，波幅緩慢降低，當(dāng)最高波幅降至滿屏幕的20%時(shí)，記錄此時(shí)探頭前沿至上表面刻槽的距離，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，A27+DNCR探頭與楔塊組合所產(chǎn)生波束移動(dòng)距離最遠(yuǎn)，A17+DN55L0組合效果次之，A26+DN55L-FD40-SS組合效果最差。

表4 上表面缺陷的檢測(cè)結(jié)果 mm

2.3 根部缺陷的檢測(cè)

對(duì)于根部缺陷，主要利用一次縱波檢測(cè)，設(shè)置檢測(cè)角度為37°50°，使根部刻槽信號(hào)達(dá)到滿屏的80%。儀器和探頭組合后顯示的基準(zhǔn)靈敏度：A26探頭的基準(zhǔn)靈敏度為36 dB;A27探頭的基準(zhǔn)靈敏度為61 dB;A17探頭的基準(zhǔn)靈敏度為51.5 dB。在基準(zhǔn)靈敏度下，A26探頭的噪聲信號(hào)幅度為5%，A27探頭的噪聲信號(hào)幅度約為7%，而A17探頭的噪聲信號(hào)幅度約為15%，根部缺陷的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。A26探頭為線性探頭，且晶片尺寸比其他兩種探頭的大，發(fā)射能量大，因此對(duì)同一位置的反射體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)靈敏度最低。A17探頭雖然基準(zhǔn)靈敏度低，但是檢測(cè)頻率為2.25 MHz,導(dǎo)致根部刻槽和根部余高信號(hào)融合在一起，成為一個(gè)脈沖寬度很寬的脈沖信號(hào)，且噪聲信號(hào)幅度最高。檢測(cè)結(jié)果表明，根部刻槽的檢測(cè)效果A26探頭最優(yōu)，A27探頭次之，A17探頭最差。

從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)人工缺陷試管的上表面缺陷應(yīng)采用A27+DNCR組合進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)焊縫根部，應(yīng)采用A26+DN55L-FD40-SS組合進(jìn)行檢測(cè)。

3 相控陣超聲檢測(cè)方案

對(duì)材料為A790-S31803的管線環(huán)焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，可采用分區(qū)設(shè)置,分區(qū)檢測(cè)具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1) 針對(duì)不同檢測(cè)位置，設(shè)置不同的聚焦法則，以獲得良好的檢測(cè)能力，針對(duì)上、下表面的檢測(cè)采用深度聚焦，而對(duì)焊縫內(nèi)部檢測(cè)采用聲程聚焦。

(2) 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，偏轉(zhuǎn)角度越大，較深反射體的調(diào)節(jié)越困難。分區(qū)檢測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)較深部位采用較小角度進(jìn)行檢測(cè)，以避免大偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)較深反射體的難度。

對(duì)于不同分區(qū)的設(shè)置，TCG校準(zhǔn)不同位置人工反射體信號(hào)及反射體測(cè)量位置如圖6所示。

圖6 不同位置人工反射體信號(hào)及反射體測(cè)量位置

4 檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證檢測(cè)效果，對(duì)圖3所示的人工缺陷試管，采用以下3種方法分別實(shí)施檢測(cè):常規(guī)超聲縱波斜入射檢測(cè);射線檢測(cè);相控陣超聲檢測(cè)。在相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，實(shí)施兩種檢測(cè)方案，一種是在焊縫兩側(cè)掃查，模擬單面雙側(cè)檢測(cè)；另一種是為了驗(yàn)證單面單側(cè)檢測(cè)效果，實(shí)施單側(cè)直管側(cè)掃查+焊縫中心兩個(gè)方向的掃查。

4.1 上表面刻槽檢測(cè)結(jié)果

1#人工缺陷為垂直于工件的上表面刻槽；2#人工缺陷為平行于坡口面的上表面刻槽，傾斜角度為15°±2°，兩種人工缺陷模擬的都是焊縫上表面裂紋，其檢測(cè)結(jié)果如下。

(1) 常規(guī)超聲縱波斜探頭檢測(cè)，沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何信號(hào)。

(2) 射線檢測(cè)可以清晰發(fā)現(xiàn)缺陷，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 1#和2#缺陷的射線檢測(cè)結(jié)果

(3) 相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)。在焊縫兩側(cè)掃查時(shí)，由于焊縫蓋帽寬度為38～40 mm，A27+DNCR相控陣超聲設(shè)備組合對(duì)上表面深度的檢測(cè)能力約為19 mm，因此只能發(fā)現(xiàn)探頭側(cè)缺陷，不能發(fā)現(xiàn)探頭對(duì)側(cè)焊縫的上表面刻槽缺陷，1#缺陷顯示波幅約為95%，而2#缺陷顯示波幅約為60%，2#缺陷上表面刻槽波幅降低主要是因?yàn)樵摽滩凼瞧叫衅驴诿?，焊縫兩側(cè)掃查結(jié)果如圖8所示。

圖8 焊縫兩側(cè)掃查結(jié)果(上表面刻槽)

把焊縫蓋帽磨平后，在焊縫中心采用A27+DNCR設(shè)備組合掃查時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)焊縫邊緣刻槽信號(hào)，1#刻槽波幅高度約為40%，2#刻槽波幅高度約為25%，其結(jié)果如圖9所示。因此在焊縫中心檢測(cè)時(shí)，需要仔細(xì)辨別超過(guò)20%波幅的上表面信號(hào)，必要時(shí)需要輔助表面檢測(cè)方法加以驗(yàn)證。

圖9 焊縫中心掃查結(jié)果(上表面刻槽)

4.2 坡口未熔合檢測(cè)結(jié)果

3#和5#人工缺陷分別位于焊縫兩側(cè)坡口熔合線處，且為上、下兩個(gè)不同區(qū)域，檢測(cè)結(jié)果如下。

(1) 采用常規(guī)超聲縱波斜探頭檢測(cè)，在焊縫蓋帽沒(méi)有磨平時(shí)，臨近上表面的3#缺陷無(wú)法檢出；用45°縱波和60°縱波斜探頭均可在焊縫兩側(cè)檢出位于焊縫中下部位的5#缺陷， 45°縱波斜探頭檢測(cè)的最高波幅為SL+0.5 dB，60°縱波斜探頭檢測(cè)的最高波幅為SL+6.3 dB。將焊縫余高磨平后，使用縱波45°斜探頭騎在焊縫上掃查時(shí)，可以在其對(duì)側(cè)發(fā)現(xiàn)3#缺陷，波幅為SL+3.2 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 3#和5#缺陷常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果

(2) 采用射線檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)缺陷，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 3#和5#缺陷射線檢測(cè)結(jié)果

(3) 相控陣超聲采用A27+DNCR設(shè)備組合進(jìn)行檢測(cè)，3#人工缺陷位于坡口熔合線靠近上表面的位置，因此探頭位于缺陷對(duì)側(cè)檢測(cè)時(shí)波幅高，而在缺陷側(cè)檢測(cè)時(shí)波幅低，這是由于相控陣大角度偏轉(zhuǎn)角在缺陷對(duì)側(cè)檢測(cè)時(shí)，缺陷與大角度波束接近垂直，而在缺陷側(cè)檢測(cè)時(shí)，波束入射與缺陷有較大的傾角，因此3#人工缺陷對(duì)側(cè)波幅為156%，而缺陷側(cè)波幅為40%；5#人工缺陷位于坡口熔合線靠近焊縫根部的位置，在焊縫兩側(cè)掃查均可得到滿意的檢測(cè)結(jié)果，缺陷側(cè)波幅高度為88%，對(duì)側(cè)波幅高度為249%，檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

為了驗(yàn)證單側(cè)檢測(cè)結(jié)果，焊縫余高磨平后，在焊縫中心用A27+DNCR設(shè)備組合檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，3#人工缺陷波幅為250%，5#人工缺陷波幅為94%，此次檢測(cè)波幅高度均高于人工缺陷側(cè)的波幅，且檢測(cè)信號(hào)的位置也處于坡口融合線的位置，更容易對(duì)缺陷定性(見(jiàn)圖12)。

圖12 A27+DNCR組合的缺陷檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)焊縫中下部5#人工缺陷的檢測(cè)效果，也采用A26+DN55L-FD40-SS組合，使用與A27+DNCR組合相同的聚焦法則在焊縫兩側(cè)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，5#人工缺陷對(duì)側(cè)波幅為250%，5#人工缺陷側(cè)波幅為94%，波幅均高于A27+DNCR組合的檢測(cè)效果。A26+DN55L-FD40-SS設(shè)備組合的檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。

圖13 A26+DN55L-FD40-SS組合的缺陷檢測(cè)結(jié)果

4.3 焊縫中夾渣物檢測(cè)結(jié)果

4#人工缺陷為內(nèi)部夾渣，位于焊縫中心位置，其檢測(cè)結(jié)果如下。

(1) 常規(guī)超聲縱波斜探頭檢測(cè)，只有采用60°縱波探頭檢測(cè)時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)，在焊縫一側(cè)采用60°縱波進(jìn)行檢測(cè)，缺陷波幅高度為SL-10.4 dB，而在另一側(cè)無(wú)法檢出，檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 4#缺陷常規(guī)超聲波檢測(cè)結(jié)果

(2) 4#缺陷射線檢測(cè)結(jié)果如圖15所示。

圖15 4#缺陷射線檢測(cè)結(jié)果

(3) 相控陣超聲檢測(cè)。4#人工缺陷預(yù)埋藏深度約為20 mm。A27+DNCR在兩側(cè)均能發(fā)現(xiàn)該缺陷，其最高波幅為41%，另一側(cè)波幅為27%其檢測(cè)結(jié)果，這是由于缺陷傾角會(huì)導(dǎo)致波幅低，如圖16所示；而使用A26+DN55L-FD40-SS設(shè)備組合檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，缺陷最高波幅為30%，結(jié)果如圖17所示。比較兩種規(guī)格探頭的檢測(cè)結(jié)果可知，A27+DNCR設(shè)備組合檢測(cè)波幅高度略高，因此A26探頭在該區(qū)域的檢測(cè)能力低于A27探頭的。

圖16 4#缺陷的A27+DNCR檢測(cè)結(jié)果

圖17 4#缺陷的A26+DN55L-FD40-SS檢測(cè)結(jié)果

4.4 根部刻槽檢測(cè)結(jié)果

6#人工缺陷為根部刻槽，其檢測(cè)結(jié)果如下。

(1) 常規(guī)超聲縱波斜探頭檢測(cè)，采用縱波45°斜探頭在焊縫兩側(cè)均能發(fā)現(xiàn)該缺陷，表現(xiàn)為一個(gè)刻槽和根部融合在一起的脈沖寬度較寬的反射信號(hào)，焊縫兩側(cè)的檢測(cè)波幅分別為SL-3.2dB和SL+1.8 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖18所示。

圖18 6#缺陷常規(guī)超聲波檢測(cè)結(jié)果

(2) 6#缺陷射線檢測(cè)結(jié)果如圖19所示。

圖19 6#缺陷射線檢測(cè)結(jié)果

(3) 相控陣超聲檢測(cè)。A27+DNCR組合在焊縫兩側(cè)均能發(fā)現(xiàn)該缺陷，且有較好的顯示效果，檢測(cè)波幅分別為55%和91%，其結(jié)果如圖20所示；A26+DN55L-FD40-SS組合也能區(qū)分根部刻槽和余高反射體信號(hào)，檢測(cè)波幅為61%和185%，其結(jié)果如圖21所示。

圖20 6#缺陷的A27+DNCR檢測(cè)結(jié)果

圖21 6#缺陷的A26+DN55L-FD40-SS檢測(cè)結(jié)果

5 檢測(cè)結(jié)果分析

(1) 綜合比較A27+DNCR組合和A26+DN55L-FD40-SS組合的檢測(cè)效果，矩陣探頭A27+DNCR組合主要針對(duì)厚度小于30 mm部位的檢測(cè)，且可在大偏轉(zhuǎn)角時(shí)產(chǎn)生爬波以檢測(cè)表面缺陷；而線性探頭A26+DN55L-FD40-SS組合主要針對(duì)厚度大于30 mm部位的檢測(cè)，檢測(cè)焊縫根部缺陷時(shí)有較高的信噪比和分辨力。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接形式主要為直管與直管對(duì)接或直管與部件(法蘭、三通或彎頭)對(duì)接。當(dāng)直管與部件對(duì)接時(shí)，若部件側(cè)滿足探頭掃查空間要求，則可采用直管與直管對(duì)接的檢測(cè)工藝進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖22所示。

圖22 直管與構(gòu)件對(duì)接檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

(3) 當(dāng)直管與部件對(duì)接，部件側(cè)部分位置不滿足掃查空間的要求(檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖23)。此時(shí)除了在直管側(cè)掃查外，還應(yīng)把此位置的焊縫余高磨平，在焊縫中心做正反兩次掃查。在對(duì)檢測(cè)圖譜進(jìn)行分析時(shí)，以直管側(cè)掃查為主；對(duì)焊縫中心掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)的可疑位置，需要補(bǔ)充其他方法對(duì)表面進(jìn)行檢測(cè)，比如增加陣列渦流或其他表面檢測(cè)方案；對(duì)剩余滿足掃查空間要求的位置，則同樣執(zhí)行單面雙側(cè)檢測(cè)。

圖23 直管與部件對(duì)接焊縫檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)(掃查受限)

6 結(jié)語(yǔ)

采用相控陣超聲技術(shù)對(duì)材料為A790-S31803規(guī)格為φ610 mm×46 mm的管線環(huán)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，其具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1) 相控陣超聲具有良好的缺陷檢測(cè)能力，缺陷顯示直觀、重復(fù)性好，且能夠較準(zhǔn)確提供缺陷的長(zhǎng)度、深度和高度等信息。

(2) 完成規(guī)格為φ610 mm×46 mm管線對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)用時(shí)約30 min，射線檢測(cè)則需要約792 min(以剛出廠Ir192，能量為100 Ci，采用雙壁單影透照測(cè)算)，相比之下，相控陣超聲檢測(cè)提高了檢測(cè)效率。

(3) 相控陣超聲檢測(cè)不產(chǎn)生輻射，不妨礙其他工種的現(xiàn)場(chǎng)施工，提高了生產(chǎn)效率。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測(cè)技術(shù)優(yōu)秀論文評(píng)選”活動(dòng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。