李 健,任 濤,鄭 健,李 真,張志紅

1.河北中躍檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司,河北廊坊 065000

2.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項(xiàng)目管理分公司,河北廊坊 065000

長(zhǎng)久以來，超聲檢測(cè)技術(shù)和射線檢測(cè)技術(shù)都是各行各業(yè)最為重要且常用的兩種檢測(cè)手段，而超聲檢測(cè)技術(shù)則因其無電離輻射的特點(diǎn)，應(yīng)用方式更為靈活，技術(shù)發(fā)展也更加多樣化。從管道對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)發(fā)展進(jìn)程來看，也充分展現(xiàn)了這一特點(diǎn)，從傳統(tǒng)的常規(guī)超聲檢測(cè)開始，到自動(dòng)焊接技術(shù)引入的全自動(dòng)超聲檢測(cè)（AUT）技術(shù)，再到近年來出現(xiàn)的相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）技術(shù)和獨(dú)立的衍射時(shí)差檢測(cè)（TOFD）技術(shù)。這些技術(shù)雖同屬超聲檢測(cè)技術(shù)，但3項(xiàng)先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)卻存在較大差異。大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用及對(duì)比驗(yàn)證表明這幾種先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)并不能簡(jiǎn)單地相互替代。作為管網(wǎng)建設(shè)的參與者，無論是檢測(cè)、監(jiān)理還是管理單位，只有充分了解這幾項(xiàng)先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，才能夠針對(duì)不同的檢測(cè)需求，正確地選擇、使用這些先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量的有效提升。

1 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 AUT技術(shù)

全自動(dòng)超聲檢測(cè)（AUT）技術(shù)，是由于自動(dòng)焊接技術(shù)的發(fā)明及推廣應(yīng)用[1]，導(dǎo)致原有的常規(guī)檢測(cè)技術(shù)無法滿足其檢測(cè)需求，從而得到開發(fā)應(yīng)用的。AUT技術(shù)發(fā)展至今，無論是基于常規(guī)超聲設(shè)備，還是基于相控陣超聲設(shè)備，其核心技術(shù)一直都是采用如圖1所示的分區(qū)掃查法[2]。該法的原理是將焊縫沿壁厚方向分成若干個(gè)分區(qū)（2～3 mm）進(jìn)行檢測(cè)，焊縫左右分成上下游，每個(gè)分區(qū)又可以設(shè)置獨(dú)立的超聲檢測(cè)工藝，包括發(fā)射接收方式、激活孔徑、角度、聚焦深度等參數(shù)。其特別適合如CRC型及U型等坡口復(fù)雜、坡口角度變化多、填充坡口角度小的自動(dòng)焊接坡口的檢測(cè)。獨(dú)立的分區(qū)波束設(shè)置，可根據(jù)坡口角度設(shè)置最理想的檢測(cè)工藝參數(shù)，從而得到準(zhǔn)確的缺陷反射波幅，這一點(diǎn)在基于波幅測(cè)定長(zhǎng)度以及進(jìn)行驗(yàn)收的超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中尤為重要。

圖1 分區(qū)掃查法示意

在AUT檢測(cè)過程中，因其全自動(dòng)的檢測(cè)能力，涉及的設(shè)備、裝置較多，需要配備專用的檢測(cè)車，通過定制的軌道，將整個(gè)掃查裝置固定在軌道上，從而保證探頭距離焊縫中心線的距離不變，再加上其全自動(dòng)的檢測(cè)過程，不需要任何外力輔助，通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單元，設(shè)置合理的檢測(cè)速度，保證整個(gè)檢測(cè)過程的連續(xù)性。因此，AUT檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量穩(wěn)定性在3種先進(jìn)的超聲檢測(cè)技術(shù)中最高。此外，AUT采用雙門帶狀圖的數(shù)據(jù)顯示方式，能夠快速分析各分區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)果，但因其檢測(cè)技術(shù)中包含了體積通道、TOFD通道，整體數(shù)據(jù)分析內(nèi)容較多，結(jié)合其有分區(qū)定義的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)中適中。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，從2002年西氣東輸一線開始，AUT技術(shù)是幾乎所有管網(wǎng)項(xiàng)目自動(dòng)焊焊縫所采用的檢測(cè)技術(shù)，這也印證了其技術(shù)特點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)焊焊縫缺陷檢測(cè)的適用性。與此同時(shí)，通過對(duì)其分區(qū)掃查法的分析可以發(fā)現(xiàn)，一旦焊縫進(jìn)行返修，勢(shì)必會(huì)破壞原坡口，意味著如有新缺陷產(chǎn)生也與原坡口角度無關(guān)，那么AUT針對(duì)坡口設(shè)置的分區(qū)波束角度對(duì)于返修產(chǎn)生新缺陷的檢測(cè)適用性降低，因此針對(duì)返修焊縫，通常先使用AUT進(jìn)行復(fù)檢，以確保缺陷得到清除，再使用PAUT檢測(cè)確定返修位置無新缺陷產(chǎn)生。

1.2 PAUT技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）技術(shù)，利用控制晶片的激發(fā)延遲[3]，使得波束在空間中干涉疊加，從而實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)、聚焦功能。與AUT一樣，PAUT也是一項(xiàng)可以獨(dú)立使用的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于焊縫檢測(cè)，其主要掃描方式包括扇形掃描和線性掃描，扇形掃描的特點(diǎn)是存在多個(gè)波束角度，檢測(cè)覆蓋面積較大，很容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的全覆蓋，并且不需要太多的激活晶片；線性掃描的特點(diǎn)是波束角度一致，但需要大量的晶片才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的全覆蓋。圖2對(duì)比了同一焊縫扇形掃描和線性掃描的全覆蓋設(shè)置，其中實(shí)現(xiàn)扇形掃描僅使用了探頭中的16個(gè)晶片，而相同覆蓋范圍時(shí)線性掃描使用了探頭全部64個(gè)晶片（16個(gè)晶片1組）。PAUT參數(shù)的設(shè)置及選擇性較多，其檢測(cè)設(shè)置存在多樣性，這也是相控陣超聲檢測(cè)特點(diǎn)之一，雖然檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)檢測(cè)設(shè)置的基本要求，但仍然給予了檢測(cè)工藝制定者很大的自由度，比如掃描方式的選擇、波束角度的范圍、聚焦模式的選擇、聚焦深度的設(shè)定等，因此檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了驗(yàn)證試塊，對(duì)檢測(cè)工藝的有效性進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證。

圖2 扇形掃描和線性掃描覆蓋對(duì)比/mm

在PAUT檢測(cè)過程中，PAUT設(shè)備更為便攜，僅需將探頭楔塊連接到帶有磁性輪的掃查裝置或者導(dǎo)軌上，便可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)檢測(cè)。但與AUT檢測(cè)相比，無論是磁性輪掃查裝置或是導(dǎo)軌，都需要借助人力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，無法保證檢測(cè)全過程的受力一致，容易出現(xiàn)探頭水平位置的變化和耦合狀況的不一致，因此PAUT檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量穩(wěn)定性相對(duì)較差。PAUT數(shù)據(jù)可以顯示為A、B、C、D不同截面的二維視圖，支持在數(shù)據(jù)中添加焊縫坡口位置作為參考，由于整個(gè)視圖包含的信息及信號(hào)較多，數(shù)據(jù)分析時(shí)需要利用不同截面的視圖進(jìn)行綜合評(píng)定、測(cè)量，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)中適中。

在管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用中，PAUT雖是一項(xiàng)可獨(dú)立使用的檢測(cè)技術(shù)，但其常規(guī)的扇形掃描或線性掃描方式、波束角度范圍、聚焦位置設(shè)置相對(duì)固定，特別是采用脈沖回波模式，很難在小角度坡口產(chǎn)生的缺陷處得到有效的反射回波，因此不適用于坡口角度變化較多、坡口角度小的CRC或U型坡口自動(dòng)焊接焊縫的檢測(cè)。圖3說明了在脈沖回波模式下，若坡口處產(chǎn)生缺陷會(huì)形成波束反射情況，圖中有效接收位置與實(shí)際接收位置的差異，便會(huì)造成接收到反射波幅值的差異。因其具有便攜及工藝靈活的特點(diǎn)，常被用于檢測(cè)返修時(shí)是否有新缺陷產(chǎn)生，以及檢測(cè)單V型坡口的穿越、連頭等手工焊接焊縫。

圖3 小角度坡口脈沖回波檢測(cè)問題/mm

1.3 TOFD技術(shù)

與AUT和PAUT檢測(cè)原理不同，衍射時(shí)差檢測(cè)（TOFD）技術(shù)通過一發(fā)一收的探頭配置，能夠接收缺陷尖端形成的衍射信號(hào)，如圖4所示。衍射信號(hào)不受缺陷走向性的影響，設(shè)置工藝時(shí)無需考慮波束角度問題，適用于任何坡口形式對(duì)接焊縫的檢測(cè)。TOFD技術(shù)不依據(jù)波幅進(jìn)行缺陷評(píng)定，可利用發(fā)散的波束，能夠覆蓋很大的檢測(cè)范圍，標(biāo)準(zhǔn)要求壁厚50 mm僅需1組TOFD探頭便可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域有效的覆蓋，與AUT和PAUT相比，TOFD的檢測(cè)設(shè)置最為簡(jiǎn)單。但TOFD因始脈沖的周期數(shù)以及時(shí)差計(jì)算的方式，存在上下表面盲區(qū)，也無法識(shí)別缺陷在焊縫中的水平位置，因此TOFD不能單獨(dú)用于完成整個(gè)焊縫區(qū)域的檢測(cè)，需要與其他檢測(cè)技術(shù)合并使用。

圖4 反射與衍射的傳播路徑

單獨(dú)TOFD功能的設(shè)備非常便攜，在單獨(dú)TOFD檢測(cè)過程中，因其探頭楔塊體積相對(duì)較小，儀器內(nèi)部?jī)H需完成1組波束的發(fā)射接收，允許的檢測(cè)速度最快，受工件表面影響最小。TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)僅需要A、B視圖顯示，數(shù)據(jù)顯示更加直觀，并且不依賴信號(hào)的波幅進(jìn)行測(cè)量，僅需進(jìn)行延遲校準(zhǔn)，將時(shí)間校正為深度后，便可利用信號(hào)的相位變化實(shí)現(xiàn)缺陷高度的精確測(cè)量。雖然TOFD檢測(cè)為了獲得衍射信號(hào)，使用的增益較高，對(duì)小缺陷也非常敏感，一定程度上增加了數(shù)據(jù)分析的難度，但綜合分析，其數(shù)據(jù)分析效率在3種先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)中是最高的。

在管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用中，因TOFD存在上下表面盲區(qū)，無法單獨(dú)檢測(cè)使用；但其具有不受缺陷走向性影響、高度精準(zhǔn)測(cè)量等特點(diǎn)，被強(qiáng)制要求作為AUT檢測(cè)中的一部分進(jìn)行使用；在PAUT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于壁厚8 mm及以上且結(jié)構(gòu)允許時(shí)，同樣強(qiáng)制要求作為PAUT檢測(cè)的輔助檢測(cè)手段[4]。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因TOFD檢測(cè)無法單獨(dú)使用（因存在上下表面盲區(qū)），且AUT檢測(cè)中已包含TOFD技術(shù)，而PAUT檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中也要求8 mm及以上壁厚應(yīng)增加TOFD輔助檢測(cè)，因此未對(duì)TOFD進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為了直觀地體現(xiàn)AUT和PAUT技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)的不同，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用圖5所示的22 mm的CRC型坡口AUT對(duì)比試塊上的根部 （ROOT）、鈍邊 （LCP）、熱焊（HP1&HP2）、填充（F1～F6）、蓋帽（GAP）目標(biāo)反射體，進(jìn)行PAUT檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖5 AUT對(duì)比試塊設(shè)計(jì)圖/mm

實(shí)驗(yàn)使用相同探頭及楔塊，參考SY∕T 4109—2020檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，利用仿真軟件，分別設(shè)置PAUT扇形S掃描和PAUT線性E掃描的檢測(cè)工藝，見圖6。表1所示的2組檢測(cè)工藝參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠獨(dú)立使用AUT檢測(cè)對(duì)比試塊。

圖6 S掃描和E掃描檢測(cè)工藝/mm

表1 PAUT扇形掃描和線性掃描參數(shù)設(shè)置

按照上述參數(shù)，在儀器中分別建立S掃描和E掃描設(shè)置文件，并使用相同試塊上?2 mm的橫通孔分別進(jìn)行TCG校準(zhǔn)，校準(zhǔn)深度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的2.2T。兩組設(shè)置校準(zhǔn)完成后，分別增加6 dB表面補(bǔ)償，在掃查裝置上設(shè)置正確的探頭水平偏移值，對(duì)AUT對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到表2中的對(duì)比結(jié)果。為保證數(shù)據(jù)結(jié)果的有效性，S掃描和E掃描分別按照上述步驟進(jìn)行2次校準(zhǔn)及掃查，并分別記錄各反射體的反射波幅。

表2 S掃描與E掃描檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從填充區(qū)目標(biāo)反射體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，表面的蓋帽槽因形成端角發(fā)射，兩種掃描方式接收到的反射波幅均較高，分別對(duì)比兩側(cè)反射體的平均值最高波幅差異，上游蓋帽槽S掃描波幅平均值（658%）比E掃描波幅平均值（187%）高10.9 dB，下游蓋帽槽S掃描波幅平均值（433.5%）比E掃描波幅平均值（147.5%）高9.4 dB，分析原因?yàn)镾掃描檢測(cè)到蓋帽的角度為45°，此時(shí)橫波角度未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，其反射率強(qiáng)，而E掃描檢測(cè)到蓋帽的角度為60°，該角度反射率較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了圖8所示的鋼中不同角度橫波的端角反射率；填充6平底孔因貼近上表面，波束實(shí)際傳播的串列路徑與發(fā)射路徑相近，近似于形成端角反射，因此能夠很好地接收到反射波幅；其他填充1～填充5平底孔發(fā)射體，無論是PAUT的S掃描還是E掃描都無法發(fā)現(xiàn)填充1區(qū)至填充5區(qū)的平底孔反射體，而平底孔反射體模擬的側(cè)壁未熔合缺陷，正是自動(dòng)焊中容易出現(xiàn)的缺陷，可見常規(guī)的PAUT檢測(cè)設(shè)置無法滿足填充坡口角度較小的CRC型及U型自動(dòng)焊坡口的檢測(cè)要求。

圖7 AUT對(duì)比試塊體積通道反射體/mm

圖8 AUT對(duì)比試塊體積通道反射體

從體積通道45°平底孔的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，S掃描和E掃描能夠發(fā)現(xiàn)缺陷，但存在波幅差異。對(duì)于如圖7所示體積通道的3個(gè)相同角度、不同深度的反射體來說，S掃描因波束角度不同，檢測(cè)到3個(gè)反射體的波束角度均不一致，因此得到的反射波幅差異相對(duì)較大，上游3個(gè)體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（142.5%）與最低波幅平均值（58.5%）相差7.7 dB，下游3個(gè)體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（103.5%）與最低波幅平均值（51%）相差6.1 dB。從圖5扇形掃描的掃查計(jì)劃圖可以發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)到上方體積通道3的波束角度更接近于45°，因此得到的反射波幅最高；E掃描因波束角度一致，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置為60°，因此得到的反射波幅相對(duì)一致性較好，上游3個(gè)體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（30%）與最低波幅平均值（22%）相差2.7dB，下游3個(gè)體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（27%）與最低波幅平均值（17%）相差4 dB。

通過對(duì)比表2中的PAUT扇形掃描和線性掃描的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，雖然兩組設(shè)置參數(shù)均滿足SY∕T 4109—2020的標(biāo)準(zhǔn)要求，且使用相同的反射體進(jìn)行了TCG校準(zhǔn)，具有相同的檢測(cè)靈敏度，但因兩組設(shè)置使用的超聲角度不同，對(duì)于除填充1～填充5外其他檢測(cè)到的反射體，也存在反射波幅不一致的情況，實(shí)際檢測(cè)時(shí)便會(huì)造成因設(shè)置不同，導(dǎo)致評(píng)判結(jié)果的不一致。正因這一超聲原理性問題的存在，在ISO 13588—2019相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定[5]，無論采用何種掃描方式，若使用僅基于波幅作為缺陷評(píng)判依據(jù)時(shí)，波束角度與垂直坡口入射角度之間不應(yīng)大于6°，如此在保證PAUT檢測(cè)工藝靈活性的同時(shí)，又保證了檢測(cè)結(jié)果評(píng)定的一致性。

3 結(jié)束語

通過上述理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，3種先進(jìn)無損檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍存在差異，AUT檢測(cè)技術(shù)能夠適用于所有坡口形式的檢測(cè)，雖然原始檢測(cè)工藝對(duì)于返修焊縫新產(chǎn)生的缺陷不適用，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，因PAUT無法發(fā)現(xiàn)小角度坡口面上的缺陷，對(duì)于返修后的焊縫還應(yīng)進(jìn)行AUT復(fù)檢，以確保超標(biāo)缺陷被返修清除；PAUT檢測(cè)技術(shù)常規(guī)的扇形掃描或線性掃描不適用于坡口角度較小的CRC型或U型坡口檢測(cè)，其線性掃描方式因檢測(cè)角度一致，在檢測(cè)不同深度、相同走向和大小的缺陷時(shí)，得到的反射波幅一致性更好，因此當(dāng)PAUT技術(shù)應(yīng)用于焊縫檢測(cè)時(shí)，特別是同時(shí)使用基于波幅的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在滿足波束對(duì)檢測(cè)區(qū)域全覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)最低要求時(shí)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)關(guān)注波束與坡口所成的角度；TOFD技術(shù)對(duì)于存在上下尖端信號(hào)的缺陷能夠精準(zhǔn)地測(cè)量其自身高度，尤其對(duì)于厚壁工件檢測(cè)，具有工藝設(shè)置簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，但因其存在上下表面盲區(qū)，無法單獨(dú)使用。因此，在實(shí)際管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)擬被檢測(cè)的對(duì)象，針對(duì)性地選取合理的先進(jìn)超聲檢測(cè)技術(shù)，以避免因檢測(cè)技術(shù)的不適用而引發(fā)爭(zhēng)議，甚至影響工程質(zhì)量。