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。