郭 旺 王志強(qiáng) 張賢俊

山東泰思特檢測有限公司 山東淄博 255438

近幾年，國內(nèi)大型石油化工裝置建設(shè)迎來了一個(gè)高峰期。在建設(shè)過程中，隨著建設(shè)方對檢測效率、檢測結(jié)果準(zhǔn)確性及施工安全、裝置運(yùn)行安全要求的不斷提高，尤其是相較于射線檢測、A 型超聲波檢測等常規(guī)檢測方法的局限性，經(jīng)過無數(shù)科研人員的不斷努力，相控陣超聲檢測技術(shù)及設(shè)備逐漸成熟，并應(yīng)用于大型石油化工裝置管道及設(shè)備的檢測當(dāng)中。

1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測是根據(jù)設(shè)定的聚焦法則激發(fā)相控陣探頭各自獨(dú)立的壓電晶片，根據(jù)惠更斯- 菲涅耳原理，各個(gè)壓電晶片發(fā)出的超聲波經(jīng)過干涉合成理想聲束，并實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，經(jīng)缺陷發(fā)射后再按一定的延遲法則對接收到的超聲信號進(jìn)行疊加合成，并以圖像的方式顯示被檢對象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測方法。相控陣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 相控陣系統(tǒng)檢測系統(tǒng)示意圖

2 相控陣超聲檢測的優(yōu)缺點(diǎn)

相對于目前在石油化工裝置中常用的射線檢測和A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測來說，相控陣的優(yōu)點(diǎn)明顯。但是每種檢測方法都有其局限性，相控陣超聲檢測也不例外。

2.1 優(yōu)勢明顯

與普通A 型脈沖發(fā)射法超聲波檢測相比，相控陣超聲檢測具有以下優(yōu)勢：

（1）檢測速度快、檢測效率高?，F(xiàn)場檢測時(shí)無需像A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測一樣探頭來回移動(dòng)做鋸齒掃查。

（2）缺陷定位、定量準(zhǔn)確?？色@得更好的檢測靈敏度、分辨力和信噪比。

（3）缺陷以圖像方式顯示，可實(shí)時(shí)成像。圖像可拷貝、存儲電子文檔，實(shí)現(xiàn)檢測信息的永久性存儲，并可做到多人多地同時(shí)對檢測結(jié)果進(jìn)行評定。

（4）聲束精度可控，通過建?？蛇m用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件的檢測。

（5）可扇形掃查，能一次性發(fā)現(xiàn)不同位置、不同角度的缺陷。

（6）重復(fù)性好，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員的要求降低，從而減少人為因素的干擾。

與射線檢測相比，相控陣超聲檢測具有以下優(yōu)勢：

（1）對裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷檢出率高；

（2）沒有輻射危害，可與安裝工序同時(shí)進(jìn)行，提高工程檢測效率；

（3）可以提供缺陷在深度方向的數(shù)據(jù)及自身高度數(shù)據(jù)，對缺陷的數(shù)據(jù)判定更全面；

（4）可檢測最大厚度遠(yuǎn)高于射線檢測，且壁厚工件檢測效率明顯高于射線檢測。

2.2 存在一定局限性

（1）相控陣檢測設(shè)備、探頭等總體價(jià)格偏高；

（2）相控陣檢測對檢測工件的光滑度要求較高；

（3）復(fù)雜工件檢測對操作規(guī)程編寫者理論要求高。

3 相控陣設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展

相控陣超聲檢測設(shè)備研制方面，國外起步較早，美國通用電氣公司（GE）早在1992 年就研制出數(shù)字式相控陣超聲實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。目前，國外小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司主要有 Olympus、ISONIC、GE、ZETEC、M2M 和SONATES 等。

國內(nèi)相控陣超聲檢測儀器研究制造起步相對較晚，2010 年前后國內(nèi)公司推出第一代商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品。經(jīng)過近十年的發(fā)展，目前國內(nèi)可生產(chǎn)適用于裝置安裝現(xiàn)場的小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司主要有汕頭超聲電子、武漢中科、深圳神視和南通友聯(lián)。國內(nèi)相控陣超聲設(shè)備正在迎頭趕上，小型便攜機(jī)的技術(shù)水平已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，甚至部分性能指標(biāo)已經(jīng)超出國外同類產(chǎn)品。

由于相控陣技術(shù)信號處理的復(fù)雜性，需要高度依賴仿真軟件計(jì)算不同條件下的陣列探頭輻射聲場和缺陷信息。目前仿真軟件主要由國外公司掌控，國內(nèi)在仿真軟件技術(shù)方面相對薄弱。

隨著相控陣超聲波檢測的不斷推廣及產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大，相控陣超聲波設(shè)備的升級、探頭材料的研發(fā)、仿真軟件等方面的技術(shù)會(huì)逐漸成熟，設(shè)備成本也將逐漸降低。從而形成設(shè)備價(jià)格下降、技術(shù)推廣加快的良性循環(huán)，促進(jìn)相控陣技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 相控陣檢測標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

相控陣檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，已經(jīng)有部分國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施。例如GB/ T32563- 2016《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》已于2016 年2 月24 日發(fā)布，2016 年10 月1 日開始實(shí)施。

DL/ T1718- 2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》2017 年8 月2 日發(fā)布，2017 年12 月1 日實(shí)施。

SY/ T4109- 2020《石油天燃?xì)怃撝乒艿罒o損檢測》第8 部分相控陣超聲檢測2020 年10 月23 日發(fā)布，2021 年2 月1 日實(shí)施。

NB/ T47013.15- 2021《承壓設(shè)備無損檢測第15部分：相控陣超聲檢測》2021 年4 月26 日發(fā)布，2021年8 月26 日實(shí)施。

在相控陣超聲波檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟并頒布實(shí)施的情況下，急需在施工規(guī)范、驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)中明確允許相控陣超聲波檢測方法的應(yīng)用及適用范圍，以便設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位能夠合法合規(guī)地推進(jìn)相控陣超聲技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展。但是在相控陣超聲檢測的施工應(yīng)用方面，標(biāo)準(zhǔn)更新還不及時(shí)。譬如SH3501- 2017《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中，表12“管道焊接接頭無損檢測數(shù)量和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)”暫未允許相控陣超聲檢測的實(shí)施應(yīng)用。GB150- 2011《壓力容器》中關(guān)于無損檢測方面也未體現(xiàn)相控陣超聲波檢測的應(yīng)用許可。

據(jù)了解，國家及相關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極推進(jìn)相控陣超聲檢測技術(shù)在施工規(guī)范及驗(yàn)收規(guī)范的修訂工作，相關(guān)單位已于2020 年11 月份召開了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50517《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（局部修訂）報(bào)批稿和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH3501《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》送審稿的送審會(huì)議，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中明確了相控陣超聲檢測技術(shù)的適用范圍及合格級別。

5 在石油化工裝置中的典型應(yīng)用

目前石油化工裝置中常見的對接焊縫、T 型焊縫、角接焊縫等，在裝置現(xiàn)場已經(jīng)證明了相控陣超聲檢測技術(shù)的可行性，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了充分的驗(yàn)證。特別是設(shè)計(jì)壓力大的高壓厚壁管道，在現(xiàn)場射線檢測條件受限或射線穿透力不足時(shí)，可以用相控陣超聲檢測來彌補(bǔ)射線檢測的不足。2017 年，山東泰思特檢測有限公司在古雷騰龍翔鷺檢測評估及后續(xù)修復(fù)項(xiàng)目對約13000 道壓力管道焊口進(jìn)行了相控陣超聲波檢測，檢測結(jié)果及準(zhǔn)確性均得到了甲方的認(rèn)可。隨后，2019 年在鄂安滄輸氣管道項(xiàng)目，以及2021 年山東管網(wǎng)南干線輸氣管線項(xiàng)目均使用了相控陣超聲檢測技術(shù)，檢測準(zhǔn)確性得到了有效驗(yàn)證。

5.1 管道對接接頭的相控陣檢測

A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測管道對接接頭時(shí)，根據(jù)NB/ T47013- 2015《承壓設(shè)備無損檢測》的要求，需要用一個(gè)或多個(gè)探頭在焊縫雙面或雙側(cè)進(jìn)行多次頻繁的掃查，檢測過程繁瑣。相控陣超聲檢測技術(shù)則可在有效聲程范圍建立模型對檢測區(qū)域進(jìn)行一次或多次全覆蓋。如圖2 所示，當(dāng)用1 次波檢測時(shí)，僅焊縫下部能被聲束覆蓋；當(dāng)用底面1 次反射法檢測時(shí)，聲束就能全部覆蓋整個(gè)焊縫截面。探頭在此位置就能對焊縫完成一次全覆蓋。相對于A 型脈沖發(fā)射法，超聲檢測操作簡單，圖譜數(shù)據(jù)可保存，大大提高了檢測效率，并可有效降低普通A 型脈沖發(fā)射法超聲檢測對缺陷定性、定量的爭議。

圖2 相控陣超聲檢測聲束模擬路徑

5.2 角接接頭及T 型焊接接頭的相控陣檢測

石油化工裝置存在大量的角接及T 型焊接接頭，在以往的檢測過程中受射線檢測及A 型脈沖反射法超聲檢測的限制，現(xiàn)場實(shí)際檢測過程中大部分僅進(jìn)行了表面檢測，給裝置的安全運(yùn)行留下了極大的隱患，很多裝置在開車過程中或開車后不久就出現(xiàn)角接焊縫泄露的事故已經(jīng)屢見不鮮。

角接接頭相控陣超聲檢測按NB/ T47013.15- 2021 要求，采用扇形掃描和直探頭組合檢測。相控陣建模宜優(yōu)先采用實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)尺寸，見圖3 和圖4。

圖3 插入式角接頭

圖4 安放式角接頭

T 型接頭相控陣超聲檢測按NB/ T47013.15- 2021，應(yīng)采用扇形掃描和直探頭組合檢測。相控陣建模宜優(yōu)先采用實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)尺寸，見圖5、圖6、圖7。

6 在石油化工裝置的應(yīng)用前景

隨著相控陣超聲技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)的完善，相信相控陣超聲檢測技術(shù)在石油化工裝置建設(shè)過程中將逐漸普及，將主要應(yīng)用到以下檢測場景：

（1）補(bǔ)充或者完全替代部分需射線檢測的焊口。

圖5 T 型焊接接頭型式1

圖7 T 型焊接接頭型式

（2）全面取代需要進(jìn)行A 型發(fā)射法超聲檢測的焊口。因A 型反射法超聲檢測受人為因素等的影響較大，部分建設(shè)方現(xiàn)已經(jīng)開始用相控陣檢測技術(shù)替代普通A型反射法超聲檢測。

（3）管材、板材等原材料檢驗(yàn)。

（4）換熱器管板角焊縫的檢測。

（5）承壓設(shè)備聚乙烯管道電熔焊接的檢測。

（6）厚壁管道的檢測，可完全取代射線檢測。

7 結(jié)論

受目前相控陣設(shè)備購置和檢測費(fèi)用高昂的限制，部分建設(shè)方還不能接受大面積實(shí)施相控陣檢測。但是隨著相控陣技術(shù)的研發(fā)、新材料的應(yīng)用，以及及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工標(biāo)準(zhǔn)的完善，在可預(yù)見的未來，相控陣檢測技術(shù)將廣泛運(yùn)用于石油化工裝置的建設(shè)中，為石化裝置的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。