李兆太 王新光 趙志剛 束方勇 李鵬 吳豪

1.南京金陵檢測(cè)工程有限公司 江蘇 南京 210033；2.中石化工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)有限公司 北京 100029；

3.煙臺(tái)長(zhǎng)城檢測(cè)有限公司 山東 煙臺(tái) 265500；4.天津市達(dá)安特工程檢測(cè)有限公司 天津 300270

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、全程記錄檢測(cè)過程的參數(shù)和圖像、可追溯、可存檔及可復(fù)現(xiàn)等特性。其可替代射線檢測(cè)，可在白天施實(shí)，并對(duì)周圍環(huán)境無不良影響，對(duì)檢測(cè)人員和周圍其他人員不會(huì)造成傷害。以下針對(duì)相控陣超聲檢測(cè)的特點(diǎn)、檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)、人員要求、相控陣超聲檢測(cè)典型圖譜等進(jìn)行分析。

1 相控陣超聲檢測(cè)的特點(diǎn)

相控陣超聲檢測(cè)是數(shù)字化超聲檢測(cè)的一種，是超聲檢測(cè)的高級(jí)版，其具有以下特點(diǎn)：

（1）強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)功能，控制多晶片探頭發(fā)射的聲場(chǎng)，使其形成聚焦聲束，聲束指向性好，聚焦深度可任意調(diào)節(jié)；

（2）聚焦聲束沿設(shè)定的角度范圍進(jìn)行有序掃描，聲場(chǎng)覆蓋整個(gè)焊縫，達(dá)到對(duì)整個(gè)焊縫截面的掃查；

（3）通過行程編碼器記錄探頭位置信息，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信息可追溯、可復(fù)現(xiàn)，再現(xiàn)性強(qiáng)；

（4）可形成焊縫檢測(cè)的截面圖、側(cè)視圖、俯視圖和任意位置的A 超波形圖。

（5）全部檢測(cè)參數(shù)和圖形數(shù)據(jù)形成電子文檔，可長(zhǎng)期保存，可復(fù)制，可遠(yuǎn)距離傳輸；

（6）缺陷長(zhǎng)度、高度、深度及定位精度高，可達(dá)0.1mm。

典型相控陣超聲檢測(cè)掃查方法見圖1，直管對(duì)接焊縫及直徑大于100mm 的工藝管道環(huán)焊縫可以從焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查。相控陣超聲檢測(cè)聲束在焊縫橫截面掃描角度和覆蓋范圍見圖2，典型相控陣超聲檢測(cè)圖譜見圖3。

圖1 相控陣超聲檢測(cè)掃查方法示意圖及實(shí)物照片

圖2 相控陣超聲檢測(cè)聲束在焊縫橫截面掃描角度和覆蓋范圍示意圖

圖3 相控陣超聲檢測(cè)圖譜

2 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備

相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備由相控陣超聲檢測(cè)儀、軟件、相控陣超聲探頭、楔塊、掃查裝置和耦合注水裝置等組成。典型管道對(duì)接焊縫相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備外形如圖4 所示。

圖4 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備

相控陣超聲檢測(cè)原理：相控陣儀器通過時(shí)控激發(fā)脈沖激勵(lì)多晶片相控陣探頭，使探頭發(fā)射的聲場(chǎng)成聚焦聲束；利用相控陣電子掃描技術(shù)控制聲束角度的變化，使聲束掃描覆蓋全焊縫截面；掃查裝置確保探頭沿設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行精確行走和掃查，掃查步進(jìn)可根據(jù)檢測(cè)工件的厚度進(jìn)行設(shè)置；步進(jìn)范圍一般為0.25～2mm，在此范圍可任意設(shè)置，如選擇步進(jìn)為1mm，即探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向每前進(jìn)1mm 就形成一幅B 掃描圖（聲束對(duì)焊縫全截面的掃描圖）；掃查裝置沿焊縫行走一周，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)形焊縫的全面掃查，形成全焊縫相控陣圖譜。圖譜名稱可以設(shè)置為工程代號(hào)- 區(qū)號(hào)- 管號(hào)- 焊口號(hào)存檔，以便于歸檔保存和查閱。

相控陣超聲檢測(cè)時(shí)，根據(jù)被檢焊縫的厚度選擇探頭規(guī)格和楔塊角度。探頭一般分為16 晶片、32 晶片、64 晶片和128 晶片等規(guī)格，晶片數(shù)量越多、尺寸越大，聚焦效果越好，檢測(cè)厚焊縫的能力越強(qiáng)。相控陣超聲檢測(cè)儀既可以配置雙通道相控陣探頭進(jìn)行雙向檢測(cè)，又可實(shí)現(xiàn)相控陣+普通UT 檢測(cè)、相控陣+ 單通道TOFD 檢測(cè)，以及相控陣+ 多通道TOFD 檢測(cè)等功，可進(jìn)行更加完善的檢測(cè)。選擇探頭晶片數(shù)量越多、功能越全，對(duì)儀器的配置要求也越高。

專用焊縫掃查裝置根據(jù)不同的管道規(guī)格進(jìn)行配置，對(duì)于直徑400mm 及以上的管道，還可以選擇平板對(duì)接焊縫的掃查裝置。掃查裝置應(yīng)確保探頭沿規(guī)定的軌道行進(jìn)，專用掃查裝置如圖5 所示。

圖5 不同管道規(guī)格專用掃查裝置

3 對(duì)檢測(cè)人員的要求

相控陣超聲檢測(cè)是超聲檢測(cè)的高級(jí)版，對(duì)檢測(cè)人員素質(zhì)有更高的要求：

（1）檢測(cè)人員應(yīng)具有UTⅡ級(jí)及以上超聲檢測(cè)的知識(shí)和管道UT 檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)；

（2）了解管道焊接工藝和管道各種焊接位置易產(chǎn)生的缺陷；

（3）掌握管道焊縫相控陣圖譜的識(shí)別與評(píng)判；

（4）經(jīng)過管道焊縫相控陣超聲檢測(cè)的專業(yè)培訓(xùn)，并考核合格。

2016 年9 月，中石化受命對(duì)福建騰龍翔鷺項(xiàng)目進(jìn)行全面檢驗(yàn)和評(píng)估。為了保證檢驗(yàn)任務(wù)按時(shí)、保質(zhì)完成，中石化組織了8 家檢測(cè)單位對(duì)該項(xiàng)目全部壓力管道的對(duì)接焊縫進(jìn)行100%檢測(cè)，檢測(cè)方法為射線檢測(cè)或相控陣超聲檢測(cè)。針對(duì)相控陣超聲檢測(cè)，中石化質(zhì)監(jiān)總站專門成立了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)組，由11 名相控陣超聲檢測(cè)專家組成。該技術(shù)組在中石化質(zhì)監(jiān)總站的領(lǐng)導(dǎo)下工作，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，并定期召開會(huì)議解決技術(shù)問題。截止到2019 年5 月，中石化質(zhì)監(jiān)總站共舉辦相控陣超聲檢測(cè)人員培訓(xùn)班7 期，通過培訓(xùn)和嚴(yán)格考核，共計(jì)197 名同志考試合格，為石油化工管道和長(zhǎng)輸管道進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)提供了人員保障。

4 典型相控陣超聲檢測(cè)圖譜與射線底片對(duì)比

福建騰龍翔鷺項(xiàng)目相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施，有利地保證了檢驗(yàn)進(jìn)度和檢測(cè)質(zhì)量。該項(xiàng)目采用相控陣超聲檢測(cè)共計(jì)10 萬多道，已于2018 年12 月投產(chǎn)，至今運(yùn)行穩(wěn)定。

項(xiàng)目檢測(cè)初期，相控陣技術(shù)組組織各檢測(cè)單位進(jìn)行相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，對(duì)存在的問題進(jìn)行討論、分析，提出對(duì)策，保證了相控陣超聲檢測(cè)的質(zhì)量。以下就典型射線底片與相控陣圖譜進(jìn)行對(duì)比。圖6 為良好焊縫底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜，規(guī)格：219 mm x6mm；材質(zhì)：碳鋼；圖7 為根部未焊透缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜，規(guī)格：114 mm x8mm；材質(zhì)：碳鋼；圖8 為根部（規(guī)格：508mm x15.9mm；材質(zhì)：碳鋼）和坡口（規(guī)格：219 mm x7mm；材質(zhì)：碳鋼）未熔合缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜；圖9 為條狀缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜，規(guī)格：219 mm x10mm；材質(zhì)：碳鋼；圖10 為氣孔缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜，規(guī)格：114mm x6mm；材質(zhì)：碳鋼；圖11 為裂紋缺陷及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜，規(guī)格：356mm x7.92mm；材質(zhì)：碳鋼。

圖6 良好焊縫底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜

圖7 根部未焊透缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜

圖8 根部（a）和坡口（b）未熔合缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜

圖9 條狀缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜

圖10 氣孔缺陷底片及其相控陣超聲檢測(cè)圖譜

5 展望

采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)人員可以在白天工作，改善了工作環(huán)境和條件；可替代射線檢測(cè)，對(duì)周圍環(huán)境無污染，對(duì)其他人員無傷害，防止輻射事故的發(fā)生，提高了安全性。

截至目前，相控陣超聲檢測(cè)廣泛應(yīng)用的條件已經(jīng)具備：JB/ T47013.15- 2021《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第15 部分相控陣超聲檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)已于2021.08.26 實(shí)施；SH/ T3545- 2020《石油化工管道工程無損檢測(cè)》（第10 章相控陣超聲檢測(cè)）已于2021 年4 月1 日實(shí)施；中石化管道相控陣超聲檢測(cè)人員培訓(xùn)考核已進(jìn)行7 期，共計(jì)考核合格197 人；中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)Ⅱ級(jí)人員培訓(xùn)已進(jìn)行7 期，考核合格人員近1000 人；相控陣檢測(cè)儀器、探頭及掃查裝置國產(chǎn)化已有多家，且儀器性能不低于進(jìn)口產(chǎn)品。

目前，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已在很多項(xiàng)目中應(yīng)用，如福建騰龍翔鷺項(xiàng)目、鎮(zhèn)海煉化煤焦制氣聯(lián)合(POX)裝置、潛江- 韶關(guān)輸氣管道項(xiàng)目、鄂安滄輸氣管道項(xiàng)目、浙江石油化工4000 萬t/ a 煉化一體化項(xiàng)目和廣東中科煉化一體化項(xiàng)目等。期望該技術(shù)在未來得到更廣泛深入的推廣應(yīng)用。