王紅源，胡利晨，施星光，陳松生，錢盛杰

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048)

在工程實(shí)際中，某些固定管板換熱器的管板與殼程筒體的焊接接頭為設(shè)備的最終組焊接頭，該結(jié)構(gòu)焊接難度大，焊接中易產(chǎn)生夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、裂紋等危害設(shè)備安全的缺陷，且焊后殘余應(yīng)力較大，直接影響焊接接頭的機(jī)械性能[1]。因此，有必要對(duì)換熱器管板與殼程筒體角焊縫的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。文章研究的管板與殼體的接頭形式為對(duì)接，焊縫形式為對(duì)接與角接組合。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 150.1-2011 《壓力容器第1部分：通用要求》 可知，管板與圓筒對(duì)接接頭屬于B類焊接接頭，需要進(jìn)行表面及內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)。該接頭作為最后一道焊接接頭，無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部貼片，故一般不采用射線檢測(cè)，常用的無(wú)損檢測(cè)方法為滲透檢測(cè)和超聲檢測(cè)，其中滲透檢測(cè)只能檢測(cè)出焊縫的表面缺陷，超聲檢測(cè)可以對(duì)焊縫中的埋藏缺陷進(jìn)行檢測(cè)。該類焊縫結(jié)構(gòu)特殊，使用常規(guī)超聲檢測(cè)得到的信號(hào)含有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)回波，容易造成對(duì)缺陷的誤判，因此利用具有多種成像功能的相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)方法來(lái)對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

1 管板筒體角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延遲法則來(lái)激發(fā)相控陣陣列探頭各獨(dú)立壓電晶片(即陣元)，合成聲束并實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能，再按一定的延遲法則接收超聲信號(hào)并以圖像的方式顯示被檢對(duì)象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測(cè)技術(shù)。換熱器的管板與筒體對(duì)接接頭角焊縫結(jié)構(gòu)特殊，常規(guī)超聲檢測(cè)方法只能對(duì)其進(jìn)行單面單側(cè)檢測(cè)(筒體外表面?zhèn)?，檢測(cè)中存在較多的結(jié)構(gòu)回波信號(hào)。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)則可以根據(jù)焊縫的結(jié)構(gòu)在軟件中建立模型，并可設(shè)置聚焦法則使聲束完全覆蓋檢測(cè)區(qū)域，在檢測(cè)儀上呈現(xiàn)出清晰的結(jié)構(gòu)回波和缺陷信號(hào)，有效地避免對(duì)缺陷的誤判。

常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)的掃描聲束有限，且聚焦點(diǎn)一定，使得聚焦點(diǎn)及附近位置的成像效果較好，遠(yuǎn)離焦點(diǎn)位置的成像分辨率降低[2]?；谌仃嚥蹲降娜劢钩上穹?TFM)相比于常規(guī)相控陣成像方法具有更高的檢測(cè)靈敏度和分辨率，檢測(cè)范圍更大。該方法利用全矩陣法采集N陣元陣列換能器的數(shù)據(jù)(每個(gè)陣元單獨(dú)激發(fā)，全陣列接收)，得到了N行×N列的脈沖響應(yīng)；再利用虛擬延時(shí)疊加聚焦，使獲得的空間分辨率在成像區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)上都是最優(yōu)的[3]。

2 試驗(yàn)研究

2.1 人工試塊制作

模擬缺陷試塊實(shí)物如圖1所示，試塊編號(hào)分別為2619，3021，記2619試塊為模擬缺陷試塊1，3021試塊為模擬缺陷試塊2。兩個(gè)試塊的結(jié)構(gòu)如圖2，3所示。在模擬缺陷試塊1焊縫中心及管板側(cè)坡口加工了直徑為2 mm的短橫孔，用于模擬焊縫中的氣孔和夾渣缺陷。在模擬缺陷試塊2中每間隔60 mm加工了5處模擬缺陷，缺陷性質(zhì)分別為坡口未熔合、根部未焊透、管板側(cè)坡口根部圓角未熔合、管板側(cè)坡口未熔合、上表面開口裂紋等，缺陷的具體信息如表1所示。

圖1 模擬缺陷試塊實(shí)物

圖2 模擬缺陷試塊1結(jié)構(gòu)示意

圖3 模擬缺陷試塊2結(jié)構(gòu)示意

表1 模擬缺陷試塊中的缺陷信息 mm

2.2 相控陣檢測(cè)技術(shù)能力比對(duì)

對(duì)上述試塊進(jìn)行常規(guī)相控陣和全聚焦相控陣檢測(cè)，并分析比較這兩種相控陣檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效果。常規(guī)相控陣檢測(cè)采用扇形掃查，掃查角度為35°～70°，角度步進(jìn)為0.5°，聚焦點(diǎn)設(shè)置在焊縫上表面。全聚焦相控陣檢測(cè)無(wú)需設(shè)置掃查角度、角度步進(jìn)和聚焦點(diǎn)等參數(shù)。為保證相控陣檢測(cè)聲束能全部覆蓋整個(gè)被檢焊縫區(qū)域，對(duì)PAUT法和TFM法分別進(jìn)行了聲場(chǎng)仿真(見圖4)。在CIVA軟件中建立管板筒體角焊縫模型，由聲場(chǎng)仿真結(jié)果可知，PAUT法和TFM法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述試塊的全覆蓋檢測(cè)。PAUT法在聚焦聲束位置的波幅較高，離開聚焦聲束位置的波幅快速下降。相比之下，TFM法通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行聲波計(jì)算疊加，獲得更大的聲場(chǎng)覆蓋范圍和更加均勻的聲場(chǎng)。TFM法的這一聲場(chǎng)特性，將大大提高缺陷在計(jì)算區(qū)域的檢測(cè)靈敏度。

圖4 管板筒體角焊縫聲場(chǎng)仿真

管板與筒體焊接接頭的結(jié)構(gòu)主要為對(duì)接接頭，相控陣檢測(cè)時(shí)，焊接接頭截面存在一定的聲束覆蓋盲區(qū)。當(dāng)探頭從筒體側(cè)檢測(cè)時(shí)，受焊縫錯(cuò)邊的影響，焊縫厚度和底部焊寬尺寸相對(duì)穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)單面單側(cè)的一、二次波檢測(cè)，但經(jīng)驗(yàn)證有一定的缺陷漏檢可能性，尤其是容易漏檢靠近管板側(cè)熔合面上的缺陷。檢測(cè)方法如圖5所示，在檢測(cè)過(guò)程中，確定好探頭前沿與焊縫的距離后，以試塊邊緣作為起始點(diǎn)，沿著焊縫方向進(jìn)行掃查，以保證相控陣檢測(cè)聲束能全部覆蓋整個(gè)被檢區(qū)域[4]。

圖5 管板筒體角焊縫的檢測(cè)方法示意

相控陣成像顯示分為實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像和聲程顯示成像，根據(jù)文獻(xiàn)[5]可以得出,實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像具有顯示直觀、缺陷定性及定量準(zhǔn)確、容易識(shí)別偽缺陷等優(yōu)點(diǎn)。文中采用實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像法。

2.2.1 模擬缺陷試塊1對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖6為兩種檢測(cè)方法對(duì)模擬缺陷試塊1進(jìn)行檢測(cè)的成像結(jié)果。PAUT法和TFM法兩種檢測(cè)方法的圖譜界面均可顯示S掃(扇掃圖)、A掃、C掃(俯視圖)和D掃(側(cè)視圖)4種圖形。PAUT法采用一、二次波同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，TFM法采用TT法(發(fā)射的橫波經(jīng)缺陷反射后被探頭接收)或TTTT法(發(fā)射的橫波經(jīng)底面反射到缺陷，缺陷反射到底面再經(jīng)底面反射后被探頭接收)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于橫孔缺陷，不論其位于焊縫中心，還是位于坡口側(cè)，兩種檢測(cè)方法均能清晰地顯示。比較S掃圖形可以得出，PAUT檢測(cè)的放大效果更明顯，分辨率和信噪比要低于TFM的。

圖6 兩種檢測(cè)方法對(duì)模擬缺陷試塊1的成像結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖6(a)的S掃描成像視圖和D掃描成像視圖可測(cè)定D1組缺陷的深度分別為0.2,6.3 mm，通過(guò)C掃描成像視圖和D掃描成像視圖可測(cè)定D1組缺陷自身高度分別為2.5,2.4 mm，長(zhǎng)度均為41.2 mm。通過(guò)對(duì)圖6(b)的S掃描成像視圖和D掃描成像視圖可判定D1組缺陷的深度分別為0.1,6.2 mm，通過(guò)對(duì)C掃描成像視圖和D掃描成像視圖可測(cè)定D1組缺陷自身高度分別為2.2,2.1 mm，長(zhǎng)度均為40.8 mm。通過(guò)對(duì)圖6(c)的分析得出，D2組缺陷深度分別為-2.2，2.1，6.2，10.2，14.3 mm(自上而下)，自身高度分別為2.7，2.5，2.4，2.2，2.2 mm，長(zhǎng)度均為40.6 mm。通過(guò)對(duì)圖6(d)的分析得出，D2組缺陷的深度分別為-2.1，2.1，6.0，10.1，14.2 mm(自上而下)，自身高度分別為2.3，2.2，2.2，2.2，2.1 mm，長(zhǎng)度均為40.5 mm。

2.2.2 模擬缺陷試塊2對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖710為兩種檢測(cè)方法對(duì)模擬缺陷試塊2的成像結(jié)果。通過(guò)對(duì)圖7(a)的分析得出，坡口未熔合缺陷S1的深度為1.6 mm，自身高度為3.4 mm，長(zhǎng)度為15.8 mm。對(duì)圖7(b)的分析得出，坡口未熔合缺陷S1的深度為5.2 mm，自身高度為4.4 mm，長(zhǎng)度為15.5 mm。

分析圖8(a)可得出，根部未焊透缺陷S2的深度為9.5 mm，自身高度為2.5 mm，長(zhǎng)度為15.8 mm。分析圖8(b)可得出，根部未焊透缺陷S2的深度為11.6 mm，自身高度為2.3 mm，長(zhǎng)度為15.6 mm。對(duì)于該處未焊透缺陷，TFM法的檢測(cè)靈敏度明顯高于PAUT法的，PAUT法回波幅值較低，容易造成該處缺陷的漏檢。

圖8 根部未焊透的相控陣成像結(jié)果

圖9為管板側(cè)坡口根部圓角未熔合及坡口未熔合缺陷的TFM成像結(jié)果，對(duì)于這兩種缺陷，PAUT能發(fā)現(xiàn)其信號(hào)，但靈敏度很低，檢測(cè)效果較差。通過(guò)圖譜分析得出圓角未熔合缺陷S3的深度為7.2 mm，自身高度為3.1 mm，長(zhǎng)度為15.4 mm；坡口未熔合缺陷S4的深度為2.3 mm，自身高度為4.2 mm，長(zhǎng)度為15.5 mm。

圖9 管板側(cè)坡口根部圓角未熔合及坡口未熔合缺陷的TFM成像結(jié)果

圖10為表面裂紋缺陷S5的TFM成像結(jié)果(TTTT)，通過(guò)圖譜分析得出表面裂紋S5的深度為-4.2 mm，長(zhǎng)度為15.7 mm。裂紋的真實(shí)形貌不規(guī)則(中間粗兩頭尖且存在分叉)，TFM法的圖譜表現(xiàn)為多處集中的缺陷信號(hào)，比較符合裂紋的形貌。TFM法克服了聲束方向性的缺點(diǎn)，使回波信號(hào)的分布更接近缺陷的真實(shí)位置。

圖10 表面裂紋缺陷S5的TFM成像結(jié)果(TTTT)

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析

綜合上述比對(duì)結(jié)果可知，常規(guī)相控陣檢測(cè)顯示的缺陷，全聚焦相控陣均能檢測(cè)出來(lái)，且具有更高的檢測(cè)分辨率，成像更為直觀。將上述檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總，得到缺陷檢出率如表2所示。將缺陷的原始設(shè)計(jì)尺寸作為參考尺寸，并與相控陣檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，可得如下結(jié)論。

表2 模擬缺陷試塊的缺陷檢出率

(1) 從檢測(cè)范圍和缺陷檢出率來(lái)看，TFM法的聲場(chǎng)覆蓋范圍明顯大于PAUT法的，缺陷檢出率高于PAUT法的。

(2) TFM法的檢測(cè)靈敏度和分辨率高于PAUT法的，其對(duì)缺陷的定量誤差較PAUT法對(duì)缺陷的定量誤差小。

(3) 從缺陷長(zhǎng)度和埋藏深度的測(cè)量情況來(lái)看，TFM法與PAUT法均較為準(zhǔn)確，兩者差異不大。

(4) 從缺陷自身高度的測(cè)量情況來(lái)看，TFM法的檢測(cè)結(jié)果更加接近真實(shí)缺陷的自身高度，誤差較PAUT法的小。

3 結(jié)論

采用常規(guī)相控陣和全聚焦相控陣對(duì)管板焊接試件中的橫孔、未熔合、未焊透、表面裂紋等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比兩種檢測(cè)方法的成像效果和定量數(shù)據(jù)，可以確定全聚焦相控陣比常規(guī)相控陣在焊接缺陷的尺寸和位置定量方面更為準(zhǔn)確，且全聚焦相控陣成像清晰、分辨率較高，所成圖形更能還原缺陷的形貌，對(duì)缺陷定性具有很大的幫助。全聚焦相控陣技術(shù)可成功檢測(cè)人工試塊的所有典型缺陷，解決了該換熱器管板筒體角焊縫超聲檢測(cè)的難題，有望在工程實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。