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        大口徑厚壁奧氏體不銹鋼管道焊接接頭的3D全聚焦相控陣超聲檢測

        2022-03-16 02:05:40黃文大汪同和
        無損檢測 2022年1期
        關鍵詞:掃查相控陣試塊

        黃文大,汪同和,孫 岳

        (1.浙江省特種設備科學研究院,杭州 310020;2.浙江省特種設備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室,杭州 310020;3.甘肅君立工程科技有限責任公司,蘭州730050)

        由于奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶粒粗大和材料的各向異性[1],工程上常常優(yōu)先選擇射線檢測來對焊縫的內(nèi)部缺陷進行檢測,但現(xiàn)今大型石油化工設備使用的奧氏體不銹鋼管道的管徑及壁厚都較大,已不宜采用射線對其進行檢測。早在2011年,林莉等[2]已對厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣超聲檢測技術(shù)進行了初步研究,基于其研究,筆者嘗試采用分階段檢測的方法,即當焊接進行到焊縫厚度為16 mm時先進行一次射線檢測,焊接完成后參照標準NB/T 47013.15-2021 《承壓設備無損檢測第15部分:相控陣超聲檢測》,采用3D全聚焦相控陣超聲檢測輔以滲透檢測,對大口徑厚壁奧氏體不銹鋼焊接接頭進行檢測。

        1 3D全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)

        基于全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)的相控陣全聚焦(TFM)超聲成像檢測技術(shù)與常規(guī)PAUT(相控陣超聲檢測)的原理有所不同,其在成像區(qū)域內(nèi)的聚焦效果更好,成像分辨率更高,可優(yōu)化缺陷的定位、定量、表征等[3]。該技術(shù)既可檢測薄壁工件,也可檢測厚壁工件,且一次波檢測焊縫的盲區(qū)很小。

        全矩陣數(shù)據(jù)采集以64陣元探頭為例,系統(tǒng)每次激發(fā)一個陣元,所有陣元同時接收,64個陣元依次激發(fā)之后,采集得到64 × 64(4 096)組數(shù)據(jù)。全聚焦成像以全矩陣采集的數(shù)據(jù)為基礎進行全聚焦計算、疊加、平均處理,然后在設定的成像區(qū)域(二維或三維目標區(qū))內(nèi)實現(xiàn)全聚焦成像。

        焊縫典型3D全聚焦相控陣超聲檢測圖像如圖1所示,該圖像記錄了整條焊縫的三維連續(xù)圖譜信息,可旋轉(zhuǎn)觀察。3D全聚焦相控陣技術(shù)在設定成像區(qū)域內(nèi)至少有65 536個聚焦點,大大提高了圖像的分辨率和信噪比。因為探頭陣元尺寸小、擴散角大,所以3D全聚焦相控陣在工件中建立的聲場能量(聲壓)分布更均勻,聲壓變化平緩,有效聲場覆蓋范圍更大,檢測效更高。把全聚焦算法擴展至三維,并利用芯片的高速并行運算能力可實現(xiàn)工件的全聚焦成像,檢測圖像刷新率高達20幅/s,數(shù)據(jù)實時處理能力約為每秒2.5 G字節(jié),從真正意義上實現(xiàn)了實時3D全聚焦相控陣超聲檢測。

        圖1 焊縫典型3D全聚焦相控陣超聲檢測圖像

        3D全聚焦相控陣超聲檢測的有效聲場范圍應覆蓋成像區(qū)域,成像區(qū)域應覆蓋檢測區(qū)域,成像區(qū)域的寬度應不大于探頭孔徑寬度的一半,長度應不小于檢測區(qū)域的寬度,高度應和檢測區(qū)域的高度相對應。設定成像區(qū)域的同時可設定探頭的前端距,前端距的選擇需保證圖2中的角度α′不小于40°;成像區(qū)域圖像的像素尺寸不大于1 mm;進行角度增益校準(ACG)和時間增益校準(TCG)后,成像區(qū)域應能夠有效覆蓋檢測區(qū)域。以上原則應同時滿足,否則應分區(qū)設置檢測參數(shù)。

        圖2 3D全聚焦相控陣超聲成像區(qū)域示意

        3D全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)常用的探頭有面陣探頭、線陣探頭、雙晶面陣和雙晶線陣探頭,厚壁奧氏體不銹鋼焊縫的檢測一般選用雙晶縱波線陣探頭(DLA),探頭常用頻率為1.5,2.0,2.5 MHz。隨檢測厚度的增加探頭頻率應降低,陣元尺寸應增大,同時應考慮探頭頻率和陣元長度對有效聲場范圍的影響。聲場范圍應涵蓋檢測區(qū)域,但不能太大造成能量過于分散而影響成像效果。在滿足信噪比前提下應盡量選擇頻率更高、陣元數(shù)量更多的探頭進行檢測。楔塊角度一般為45°~60°,另外需考慮楔塊的曲率,檢測面為曲面時,楔塊的曲率應與工件的相吻合,楔塊邊緣與檢測面的間隙應小于0.5 mm。手動自由掃查時,探頭移動速度不超過50 mm·s-1。采用沿線掃查、斜向掃查等掃查方式時,應保證掃查速度均勻且不大于最大掃查速度,同時應滿足耦合效果和數(shù)據(jù)采集的要求。最大掃查速度為幀頻與區(qū)域?qū)挾鹊某朔e。

        ACG和TCG校準試塊的材料、聲學性能應與被檢工件的相同或相近。靈敏度試塊的中部需設置一個對接接頭,該接頭的坡口形式應與被檢接頭的相似,并采用同樣的焊接工藝進行焊接,建議使用現(xiàn)場工件來制作試塊。試驗根據(jù)工件厚度選擇了相應的ACG和TCG校準試塊(見圖3),試塊材料為TP321,厚度為60 mm,焊縫寬度為40 mm,坡口形式為V型,試塊上有4個φ2 mm的橫孔,深度分別為5,20,35,50 mm。根據(jù)被檢工件的檢測區(qū)域確定成像區(qū)域,嚴格按照ACG和TCG校準規(guī)程前后緩慢移動探頭進行聲場校準,校準后成像區(qū)域的幅值是均勻的。校準時應小角度轉(zhuǎn)動探頭使其采集到橫孔的最高回波。校準完成后前后移動探頭掃查成像區(qū)域內(nèi)的橫孔,其上下左右位置的回波幅值應在1 dB范圍內(nèi),若成像結(jié)果中沒有深度為5 mm的橫孔,則應記錄下各橫孔的成像位置,根據(jù)記錄調(diào)整掃查工藝,使其可對有效區(qū)域完整成像。校準后有效區(qū)域的成像結(jié)果如圖4所示。

        圖4 校準后有效區(qū)域的成像結(jié)果

        采用圖3的對比試塊進行盲區(qū)測試,并與常規(guī)PAUT的測試結(jié)果進行比較。測試結(jié)果表明,檢測奧氏體不銹鋼焊接接頭時,3D全聚焦相控陣技術(shù)的表面盲區(qū)較常規(guī)PAUT的小,可檢測出距離上表面5 mm的φ2 mm橫孔。由于焊縫表面有余高,只使用一次縱波進行檢測時,焊縫近表面存在檢測盲區(qū),所以另使用雙晶爬波探頭對近表面0~10 mm的深度范圍進行附加檢測。經(jīng)對比試塊驗證,使用爬波探頭可檢出1mm深的刻槽。

        使用3D全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)檢測重要焊接接頭,且技術(shù)等級為C級時,需用模擬試塊進行工藝驗證。模擬試塊材料的聲學性能應與被檢件的相同或相似,其缺陷類型主要有條狀缺陷、裂紋、未熔合和未焊透等,其中應有一處橫向缺陷;缺陷位置應具有代表性,至少應覆蓋外表面、內(nèi)表面和內(nèi)部。

        2 模擬試塊檢測驗證示例

        模擬試塊編號為U81-4,材料為304不銹鋼,規(guī)格(直徑×壁厚)為610 mm×30.96 mm,坡口形式為V型,焊接方式為鎢極惰性氣體保護焊+手工電弧焊,模擬試塊實物如圖5所示。采用CTS-PA322T型相控陣全聚焦實時3D成像檢測儀在該模擬試塊上進行檢測。檢測結(jié)果表明,使用該系統(tǒng)能夠有效檢出模擬試塊上除橫向缺陷外的所有缺陷。模擬試塊焊縫的3D全聚焦成像分別如圖6,7所示(單面雙側(cè)掃查,焊縫兩側(cè)記為A,B側(cè)),成像數(shù)據(jù)如表1所示(橫向缺陷用超聲斜向平行掃查,未加以3D全聚焦相控陣檢測驗證)。

        圖5 模擬試塊實物

        表1 模擬試塊3D全聚焦成像數(shù)據(jù) mm

        圖6 模擬試塊的3D全聚焦成像(A側(cè))

        圖7 模擬試塊的3D全聚焦成像(B側(cè))

        3 現(xiàn)場檢測應用實例

        對浙江某大型石化項目柴油加氫裝置、漿態(tài)床裝置等管道的400多道奧氏體不銹鋼焊接接頭進行3D全聚焦相控陣超聲檢測,使用的儀器型號為CTS-PA322T,探頭型號為2.5L32 1.2×10×2(雙晶縱波斜探頭),發(fā)現(xiàn)了20余道焊口有超標缺陷,一些典型缺陷的圖譜如下所述。

        (1) 管道1材料為TP321,規(guī)格(直徑×壁厚,下同)為φ711 mm×68.27 mm,缺陷類型為裂紋和未熔合,缺陷深度約為54.6 mm,缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像如圖8所示,返修打磨后表面的滲透檢測結(jié)果如圖9所示。

        圖8 管道1缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像

        圖9 管道1返修打磨后表面的滲透檢測結(jié)果

        (2) 管道2材料為TP347,規(guī)格為φ711 mm×58.73 mm,缺陷類型為未熔合,缺陷深度為49.6 mm,缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像如圖10所示,返修打磨后表面的滲透檢測結(jié)果如圖11所示。

        圖10 管道2缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像

        圖11 管道2返修打磨后表面的滲透檢測結(jié)果

        (3) 管道3材料為TP321,規(guī)格為φ610 mm×59.54 mm,缺陷類型為未熔合,缺陷深度為24.3 mm,缺陷高度為6.1 mm,缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像如圖12所示,返修打磨后缺陷的照片如圖13所示。

        圖12 管道3缺陷的3D全聚焦相控陣超聲檢測成像

        圖13 管道3返修打磨后的缺陷照片

        4 結(jié)語

        由盲區(qū)測試結(jié)果可知,檢測奧氏體不銹鋼焊接接頭時,3D全聚焦相控陣超聲檢測法的表面盲區(qū)較常規(guī)PAUT的小,可檢出距離上表面5 mm,直徑為2 mm的橫孔,輔以爬波探頭進行檢測,可檢出距離上表面1mm的刻槽。對大型煉油石化管道的檢測結(jié)果表明,3D全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)(使用雙晶縱波斜入射探頭)可有效檢測奧氏體不銹鋼焊縫。

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