張子健，呂鐘杰，沈正祥，柴軍輝，吳家喜

1.寧波市勞動安全技術服務有限公司，浙江 寧波 315048

2.寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048

0 前言

在壓力容器的制造和壓力管道的現(xiàn)場組焊過程中容易出現(xiàn)各類焊接缺陷，會給承壓設備帶來極大的安全隱患[1-2]，須進行超聲檢測。而在超聲檢測中一些特殊結構會形成干擾回波，影響缺陷的判斷，進而導致缺陷的漏檢或誤判。錯邊是一種常見焊接外觀缺陷，會導致焊縫有效面積減小，結構不連續(xù)，引起較大的應力集中[3]，但GB 150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收》[4]和GB/T 20801.4—2020《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道第4部分：制作與安裝》[5]中明確規(guī)定焊接接頭錯邊量允許存在并符合一定的要求。不等厚單面削邊結構在一些高溫、高壓、厚壁壓力容器中廣泛使用，鍛件封頭與筒體之間的不等厚單面削邊更為常見，且此類設備通常危險性較大[6]；厚壁內表面雙側削邊作為一種特殊結構，通常應用于厚壁壓力管道中，該結構可減小內表面余高對管道漏磁內檢測路徑的影響，使得管道漏磁內檢測儀器可在管道內連續(xù)工作。

超聲相控陣技術是一種成熟的無損檢測技術，采用若干壓電陣元組成陣列換能器來實現(xiàn)聲束的相控發(fā)射和接收，可實現(xiàn)缺陷的精確定位與測量，常用于復雜工件的焊縫內部缺陷檢測[7-9]。王杜[10]等人針對壓力容器腐蝕損傷的問題，采用超聲相控陣技術對壓力容器壁厚異常部位進行了檢測，發(fā)現(xiàn)容器母材帶狀組織的存在降低了材料力學性能，增加了氫致裂紋的敏感性。孫小磊[11]等人針對深海FPSO項目中的小管徑薄壁不銹鋼檢測的難點，通過加工一些列校準試塊和認證試塊以及大量的試驗驗證，得出了針對特定規(guī)格管道的相控陣檢測工藝。何慈武[12]等人針對安放式小徑薄壁管座角焊縫檢測時存在的技術難點，采用CIVA軟件仿真了聲場并得到典型缺陷的響應結果，研究了檢測位置曲率對缺陷成像和聲壓幅值的影響規(guī)律。但針對承壓類特種設備常見的錯邊、不等厚單面削邊結構、厚壁內表面雙側削邊三類特殊結構的相控陣檢測卻鮮有研究。

為了進一步分析超聲相控技術對承壓設備對接焊縫特殊結構的檢測能力，本文采用CIVA模擬計算檢測工藝，探討三類特殊結構回波的特點，并研究如何與缺陷波進行分辨，通過現(xiàn)場實際壓力管道檢測，驗證了CIVA仿真的結果，確保提高缺陷檢出率的同時不誤判、漏判。

1 CIVA模擬計算

CIVA是無損檢測的專業(yè)仿真平臺，由仿真、成像和分析模塊組成，可用來設計或者優(yōu)化檢測工藝，預測檢測能力。目前CIVA軟件包括超聲（UT）、X射線（X-Ray）和渦流（ET）三種常規(guī)的檢測技術。針對超聲模塊，可以實現(xiàn)脈沖反射法超聲檢測、衍射時差法超聲檢測、相控陣超聲檢測的聲場仿真和缺陷響應計算。其中聲場仿真可以計算工件中的超聲波束，也可以計算在耦合材料中的聲場，并按照波幅-顏色關系或者等波幅面的方式顯示聲束；缺陷響應可以模擬聲束-缺陷相互作用，并且預測各回波的波幅、時間差、直接回波、端角效應等，也可計算幾何形狀產(chǎn)生的回波、表面回波和波形轉換。

1.1 錯邊結構

1.1.1 CIVA建模

根據(jù)常用壓力管道尺寸進行建模，采用6 mm厚平板對接焊縫模型，開60°坡口，鈍邊1 mm，坡口間隙2 mm，錯邊量設置為1.5 mm，錯邊示意見圖1，CIVA模型選擇3D平板模型，材料設置為鋼，縱波聲速5 900 m/s，橫波聲速3 230 m/s。

圖1 對接焊縫錯邊尺寸Fig.1 Size of butt weld misalignment

楔塊探頭設置為：采用一維線型陣列探頭，晶片數(shù)n=16，晶片間距p=0.5 mm，晶片間隙g=0.1 mm，晶片寬度e=0.4 mm，晶片高度w=10 mm，主動孔徑A=ne+g（n-1）=7.9 mm，頻率為7.5 MHz，-6 dB信號帶寬為60%，波形為橫波，楔塊材料為有機玻璃，楔塊角度55°，密度1.18 g/cm3，縱波聲速2 680 m/s。

檢測設置如下：聲場計算區(qū)域選擇2D矩形，包含整個焊縫區(qū)域與兩側10 mm熱影響區(qū)，計算步進精度X、Z方向均為0.1 mm，采用一次波檢測。聚焦法則設置如下：扇形掃查，角度范圍34° ～75°，計算步進為1°。聚焦深度為兩種情況：焊縫較高側檢測選取8 mm，焊縫較低側檢測選取6 mm，最終3D建模結果見圖2。

圖2 錯邊結構3D模型Fig.2 3D model of staggered structure

1.1.2 聲場計算

考慮到錯邊結構對相控陣檢測的影響，分別將探頭放置焊縫兩側進行聲場計算，對扇掃范圍34° ～75°內的所有聲束聲場進行合成。為簡化計算，不考慮波形轉換、表面反射波和底面反射波，只計算橫波的聲場，仿真結果見圖3。

圖3 錯邊結構相控陣檢測聲場仿真結果Fig.3 Acoustic field simulation results of staggered structure phased array detection

由圖3可知，從焊縫較高側檢測，高能量聲場覆蓋焊縫根部和熱影響區(qū)的面積明顯大于從焊縫較低側檢測，因此確定錯邊結構的檢測工藝為：從焊縫較高側檢測，采用扇形一次波掃查，扇掃范圍34° ～75°，聚焦深度8 mm。

1.1.3 缺陷響應

為研究錯邊結構對缺陷波的影響，在錯邊模型焊縫根部添加一處直徑為1 mm的氣孔缺陷，分別從焊縫高低兩側進行掃查比對，同時進行C掃成像。氣孔缺陷設置如圖4所示，相控陣C掃示意如圖5所示，錯邊結構相控陣檢測仿真結果如圖6所示。

圖4 氣孔缺陷設置Fig.4 Porosity defect setting

圖5 相控陣C掃示意Fig.5 Schematic diagram of phased array C-scan

由圖6可知，從焊縫較低側檢測，錯邊結構反射波較為明顯，會對缺陷波產(chǎn)生干擾，同時缺陷波混雜在結構波中。分析波形成分可知，信號主要由三部分組成：橫波—錯邊反射—橫波（占比50%）；橫波—錯邊反射—橫波—與缺陷作用—橫波（占比20%）；橫波—與缺陷作用—橫波—錯邊反射—橫波（占比20%），結構回波對缺陷波的影響較大，對缺陷幾何尺寸定量和定性均有較大影響。若實際錯邊結構不完全對稱且尺寸不一，則結構波對缺陷波的影響會更大，容易產(chǎn)生漏檢或誤判。反觀圖6a，C掃和S掃中基本無錯邊結構波影響，缺陷波信噪比較高。通過波形模式分析功能，確定信號為100%缺陷波，定量定性均不受影響，因此在錯邊結構的相控陣檢測中，需從焊縫較高側檢測，且聲場能量也較高。

1.2 不等厚單面削邊結構

1.2.1 CIVA建模

參照GB/T20801.4—2020《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道第4部分：制作與安裝》中關于不等壁厚對接焊件的端部加工要求進行建模，選取厚壁為26 mm，薄壁為18 mm，探頭選取一維線型陣列探頭，32晶片，頻率5 MHz，楔塊角度60°，聚焦法則設置如下：扇形掃查，角度范圍為34° ～75°，計算步進為1°，聚焦深度18 mm。不等厚單面削邊尺寸如圖7所示，3D模型如圖8所示。

圖7 不等厚單面削邊尺寸Fig.7 Unequal thickness single side trimming size

圖8 不等厚單面削邊結構3D模型Fig.8 3D model of unequal thickness single sided edge cutting structure

1.2.2 聲場計算

考慮到不等厚單面削邊對相控陣檢測的影響，分別將探頭放置厚壁和薄壁兩側進行聲場計算，對扇掃范圍34° ～75°內的所有聲束聲場進行合成，仿真結果見圖9。由圖9可知，無論從厚壁側還是薄壁側進行檢測，聲場能量覆蓋范圍均較為理想，均集中在焊縫中下部，因此檢測工藝設置較為合理，具有較高的靈敏度。

圖9 不等厚單面削邊相控陣檢測聲場仿真結果Fig.9 Acoustic field simulation results of unequal thickness single sided trimmed phased array detection

1.2.3 缺陷響應

為研究不等厚單面削邊結構對缺陷波的影響，在3D模型焊縫根部添加一處直徑1 mm氣孔缺陷，分別從厚壁和薄壁兩側進行掃查比對，同時進行C掃描成像，如圖10所示。

圖10 不等厚單面削邊相控陣檢測仿真結果Fig.10 Simulation results of unequal thickness single sided edge cutting phased array detection

由圖10a可知，從厚壁側檢測存在明顯的底面結構反射波，且結構反射波強度明顯高于缺陷波信號，波形成分分析顯示缺陷反射波占比80%，底面結構反射波占比20%，若坡口角度進一步增大，則結構反射波會進一步加強，且位置會越靠近根部缺陷，對缺陷波產(chǎn)生干擾。反觀圖10b中的掃描結果，C、S掃均呈現(xiàn)出較高的信噪比，波形成分分析顯示為100%缺陷反射波，無結構回波。因此在不等厚單面削邊結構的相控陣檢測中，需從薄壁側進行檢測，可大幅減小結構波的干擾。

1.3 厚壁內表面雙側削邊結構

1.3.1 CIVA建模

厚壁內表面雙側削邊結構特點主要是：在對接焊縫根部，對坡口兩側同時進行削薄，管道外壁不削薄。設置此類結構的目的是：當進行管道內壁漏磁掃查時，可以減小焊縫根部余高對掃查器行走路徑的阻礙，實現(xiàn)管道內部漏磁大面積快速掃查。本次建模，材質為低合金耐熱鋼P22，壁厚52 mm，削薄厚度6 mm，氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面，U形坡口（見圖11），3D模型如圖12所示。選取一維線型陣列探頭，32晶片，頻率5 MHz，楔塊角度為60°，聚焦法則設置如下：扇形掃查，角度范圍34° ～75°，計算步進為1°，聚焦深度46 mm。

圖11 厚壁內表面雙側削邊尺寸Fig.11 Dimensions of two sides trimming on the inner surface of thick wall

圖12 厚壁內表面雙側削邊3D模型Fig.12 3D model of two sides trimming on the inner surface of thick wall

1.3.2 聲場計算

由于該種結構關于焊縫中心線對稱，所以從外壁單側進行掃查，計算合成聲場，如圖13所示。

圖13 厚壁內表面雙側削邊聲場計算結果Fig.13 Calculation results of sound field for two sides trimming on the inner surface of thick wall

由圖可知，由于是厚壁工件，探頭聚焦能力有所減弱，焊縫對側坡口聲場能量有所減弱，但仍有一定的強度，滿足檢測要求，需注意探頭前端距離焊縫邊緣應保持10 mm間距，防止出現(xiàn)聲場覆蓋盲區(qū)。

1.3.3 缺陷響應

厚壁內表面雙側削邊結構在現(xiàn)場焊接時容易產(chǎn)生根部未焊透，因此在3D模型中添加根部未焊透缺陷，尺寸長4 mm×高2 mm×寬3 mm，檢測工藝按照聲場仿真中設置進行，分別采用未考慮結構反射波計算模式和考慮結構反射波計算模式，仿真結果見圖14。

圖14 厚壁內表面雙側削邊相控陣檢測S掃和C掃仿真結果Fig.14 Simulation results of S-scan and C-scan of phased array in‐spection for double sided trimming of thick wall inner surface

由圖14可知，內表面雙側削邊結構反射波對未焊透信號存在較大影響，未考慮結構反射波時（見圖14a），未焊透信號占比達95%以上，C掃和S掃均有較高的信噪比；考慮結構反射波時（見圖14b），未焊透信號基本完全湮沒在結構反射波中，僅在S掃中存在微弱缺陷波信號，C掃無法識別未焊透信號。

2 現(xiàn)場檢測應用

2.1 錯邊檢測

以某廠熱力管網(wǎng)管廊裝置上的一條壓力管道對接焊縫相控陣檢測為例，管道規(guī)格為DN200 mm×6 mm，管道材質為20#，管道級別為GC2級，工作介質為C4餾分，焊接方法為GTAW+SMAW，坡口形式為單V形。

測設備為以色列ISONIC 2010，探頭型號為7.5S16-0.5×10，楔塊型號為SD10-N60S-IH，橫波三次波檢測，探頭前沿距離焊縫邊緣10 mm，采用鏈式編碼器行走，扇掃范圍34° ～75°，掃查步進為0.5°，檢測靈敏度為2×40-18 dB，檢測結果見圖15。

圖15 錯邊結構相控陣現(xiàn)場檢測結果Fig.15 Field inspection results of staggered structure phased array

從C掃和S掃檢測結果可以看出，該條焊縫存在錯邊結構，長度80 mm，根據(jù)編碼器行走定位結合焊縫外部宏觀檢驗結果，進一步驗證了是錯邊結構回波而非缺陷波。通過和CIVA仿真結果比對，發(fā)現(xiàn)S掃圖中結構反射波存在一定的同向性，均出現(xiàn)在從焊縫較低側檢測的根部，故現(xiàn)場檢測時應注意錯邊結構回波的誤判，從焊縫較高側檢測。

2.2 不等厚單面削邊檢測

以某熱電廠蒸汽管線相控陣檢測為例，該管道存在不等厚單面削邊結構，管道外徑500 mm，厚壁側26 mm，薄壁側18 mm，削邊角度30°，具體幾何尺寸與圖7相同，管道材質為P11，管道級別GC1，工作介質為蒸汽，焊接方法為GTAW+SMAW，坡口形式為單V型。

檢測設備為以色列ISONIC 2010，探頭型號為5MHZ32-0.8×10，楔塊型號為SD10-N60S-IH，一次和二次波檢測，探頭前沿距離焊縫邊緣20 mm，采用輪式編碼器行走，扇掃范圍34° ～75°，掃查步進為0.5°，檢測靈敏度為2×40-18 dB，檢測結果如圖16所示。

圖16 不等厚單面削邊結構相控陣現(xiàn)場檢測結果Fig.16 Field inspection results of phased array with unequal thick‐ness single sided edge cutting structure

從圖16a、16c可以看出，整個C掃和B掃存在較強的反射信號，信號出現(xiàn)于焊縫根部中間位置，結合焊縫結構設計圖和普通A型超聲波復驗，綜合判斷該信號為焊縫根部不等厚單面削邊結構反射。通過和CIVA仿真結果比對，發(fā)現(xiàn)這類結構通常會在厚壁側焊縫根部出現(xiàn)較強結構反射，解決方案為：結合焊縫設計圖和普通A型超聲波復驗，或者從焊縫薄側進行檢測，必要時采用CIVA軟件仿真。

2.3 厚壁內表面雙側削邊檢測

以某熱電廠蒸汽管線相控陣檢測為例，該管道存在厚壁內表面雙側削邊結構，管道外徑350 mm，厚壁側52 mm，削薄后為46 mm，削邊角度45°，具體幾何尺寸見圖11，管道材質為P22，管道級別GC1，工作介質為蒸汽，焊接方法為GTAW+SMAW，坡口形式為雙V形，實物見圖17，檢測結果見圖18。

圖17 厚壁內表面雙側削邊結構實物Fig.17 Real object of double side trimming structure on the inner surface of thick wall

圖18 厚壁內表面雙側削邊結構相控陣現(xiàn)場檢測結果Fig.18 Field inspection results of phased array for double sided edge cutting structure on the inner surface of thick wall

由圖18可知，整個C掃長度存在較強的反射信號，均位于焊縫根部，與CIVA仿真C掃存在較高的吻合性，結合焊縫結構設計圖和普通A型超聲波2.5 MHz橫波探頭復驗，判定該信號為焊縫根部結構反射，而非未焊透缺陷。結合CIVA仿真結果可知，這類結構反射會對未焊透缺陷信號有所湮沒，缺陷信號信噪比較低，采用相控陣超聲檢測時，對于缺陷的識別率較低，因此需要采用其他無損檢測方法進行有效驗證。解決方案為：首先對焊縫坡口形式分析，其次采用普通A型超聲波2.5 MHz橫波探頭進行檢測（但對檢測人員的檢測能力要求較高，需要有足夠多的現(xiàn)場A超檢測經(jīng)驗），或采用衍射時差法超聲（TOFD）檢測，該方法對未焊透缺陷的高度測量具有較高的精度，或采用縱波柔性探頭進行垂直檢測，可有效降低結構波的干擾，必要時采用CIVA軟件仿真TOFD檢測工藝，排除結構波干擾。

3 結論

針對三類特殊結構反射的相控陣檢測進行了CIVA仿真和現(xiàn)場檢測應用。結果表明：復雜特殊形式的對接焊縫在相控陣檢測時容易產(chǎn)生結構回波，使缺陷波信噪比降低，同時容易產(chǎn)生誤判，對于復雜特殊結構的超聲相控陣檢測，可采用無損檢測專業(yè)仿真軟件CIVA進行檢測工藝模擬，在檢測前可預知結構回波，在一定程度上提高缺陷的檢出率和可靠性，為現(xiàn)場檢測缺陷波的快速判斷提供了一定的技術和數(shù)據(jù)支撐。