王樂超，劉貴超，李文艷

（渤?？滮埩黧w控制設(shè)備(天津)有限公司，天津 300280）

1 概述

全焊接球閥主要用于油氣田、長輸管線等領(lǐng)域，實現(xiàn)對油、氣等介質(zhì)的截斷和接通功能，是長距離、高壓輸油、輸氣管道安全運行的關(guān)鍵設(shè)備。近年來，隨著石油、天然氣長輸管線、儲氣庫的長足發(fā)展。作為該領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備之一，由于油氣管道建設(shè)對運行高安全、可靠性的特殊要求，對其也提出了非常苛刻的要求，其產(chǎn)品需具有較高的可靠性、密封性和強度性能，保證球閥投入使用后可連續(xù)運行30年以上。全焊接球閥主焊縫的焊接質(zhì)量關(guān)乎產(chǎn)品的強度和密封性能，必須采用有效的檢測手段保證焊縫的可靠性和安全性。

超聲相控陣成像檢測技術(shù)可通過對信號進(jìn)行處理，系統(tǒng)生成、顯示不同方向投影的高質(zhì)量圖像。相控陣檢測使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器，通過使電子系統(tǒng)控制陣列中的各個晶片按照一定延時法則發(fā)射和接收超聲波，實現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。不僅大大提高檢測范圍聲束覆蓋，同時可提高缺陷檢測準(zhǔn)確性和檢出率。超聲相控陣檢測技術(shù)的高速、高效、適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以及能實時成像等優(yōu)點在全焊接球閥產(chǎn)品檢測領(lǐng)域的應(yīng)用中成為閥門行業(yè)制造領(lǐng)域的迫切需求。

2 超聲相控陣成像檢測技術(shù)優(yōu)勢

對于全焊接球閥焊縫及母材的超聲波檢測可以采用相控陣超聲波檢測，與傳統(tǒng)脈沖反射法相比較可以體現(xiàn)出以下優(yōu)點：

（1）檢測速度快、效率高、重復(fù)性高。

（2）缺陷定位準(zhǔn)確、方便，圖像可呈現(xiàn)S（扇面）、B（橫斷面）、C（水平面）、D（側(cè)面）型顯示標(biāo)繪精確、成像直觀。

（3）電子配置、探頭性能強、可以應(yīng)用復(fù)雜檢測；

（4）檢測數(shù)據(jù)采集、分析、保存。

（5）可以拓展全聚焦檢測技術(shù)。

利用相控陣超聲波檢測全焊接球閥焊縫具有很大優(yōu)勢，因小規(guī)格高壓全焊接球閥，結(jié)構(gòu)形式受限，焊縫兩側(cè)沒有足夠的檢測空間，采用常規(guī)脈沖反射法檢測，需要把焊縫余高打磨或機加工平整光滑后（圖1），使用直、斜探頭，單面單側(cè)掃查，因掃查空間受限，探頭掃查距離不足，即使采用45°、60°、70°橫波斜探頭掃查，聲束也無法實現(xiàn)全面覆蓋，對于焊縫中某些特定位置及特殊危害性缺陷，如焊縫側(cè)壁及層間未熔合缺陷具有較大的漏檢可能性，同時檢測效率很低。

圖1 常規(guī)超聲波檢測焊縫余高應(yīng)處理平整

采用相控陣檢測，只需要合理編制檢測工藝，優(yōu)化掃查方式，可不用打磨焊縫余高（圖2）。提高檢測效率。利用聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。不僅增大檢測范圍，同時可提高缺陷檢測準(zhǔn)確性和檢出率。

圖2 相控陣檢測無需處理焊縫余高

3 超聲相控陣成像檢測技術(shù)工藝方法

（1）檢測部位（4英寸Class600全焊接球閥）：閥體與閥端環(huán)向?qū)雍缚p（手工電弧焊），壁厚25mm,母材A350LF2,V型坡口。

（2）檢測時機:焊后24h。

（3）執(zhí)行及驗收標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47013.15-2021,檢測等級B級，檢測比例100%。

（4）儀器：PHASCAN II相控陣檢測儀器。

（5）探頭、楔塊、耦合劑：D10系列7.5S16-0.5×10，探頭頻率（7.5MHz），楔塊：D10系列SD10-N60S,鋼中折射角度（60°SW），掃描角度（45～75°）。應(yīng)采用曲率適合的凸面楔塊并進(jìn)行適當(dāng)修磨，保證楔塊與被檢工件接觸面的間隙小于0.5mm，耦合劑采用甘油，為保證耦合效果。

（6）儀器、探頭及其組合性能確認(rèn)：

每年至少對檢測儀器和探頭組合性能中的垂直線性、水平線性、衰減器精度、組合頻率、扇掃成像橫向縱向分辨力、扇掃角度范圍及分辨力進(jìn)行校準(zhǔn)并記錄，按照NB/T47013.15-2021 4.2.2.3.1 表1執(zhí)行。

表1 檢測儀器和探頭組合性能的測試方法及合格要求

（7）校準(zhǔn)試塊：CSK-IA、B型相控陣試塊。

（8）模擬試塊：采用與球閥實際焊接同規(guī)格、同材質(zhì)、同焊接工藝制造的模擬試件，并加工人工當(dāng)量缺陷（外徑掃查靈敏度調(diào)整利用人工制造φ2mm橫通孔。內(nèi)徑掃查靈敏度調(diào)整利用表面2mm深開槽）,詳見圖3。

圖3 模擬試塊

（9）靈敏度及儀器設(shè)置：采用TCG法（時間增益修正）進(jìn)行靈敏度設(shè)置，評定線φ2-16dB,定量線φ2-10dB，判廢線φ2-4dB【1】，確保聲束覆蓋焊縫及熱影響區(qū)，確定聚焦距離、重復(fù)頻率、探頭掃查點距焊縫距離、掃查速度等參數(shù)，利用掃描及偏轉(zhuǎn)特性，可以在探頭不移動的情況下實現(xiàn)對檢測區(qū)域的掃查，激發(fā)多角度聲束對檢測區(qū)域進(jìn)行較大面積覆蓋掃查，從而提高檢測效率及缺陷檢出率，如圖4所示。

圖4 測量方法

（10）掃查面：

①主焊縫兩側(cè)掃查（橫波斜入射）；

②球閥內(nèi)徑面（橫波斜入射）；

③主焊縫45°斜面（縱波垂直入射），詳見圖5。

圖5 工件掃查

（11）掃查方式：縱向平行線掃查+扇掃描。

采用此掃查工藝超聲波聲束軸線與焊道軸線相互垂直，有利于檢出如側(cè)壁未熔合、裂紋等面積型危害缺陷。

（12）掃查工裝：為保證探頭在球閥內(nèi)通徑面掃查耦合穩(wěn)定，設(shè)計專用掃查工裝，在特定規(guī)程的管上開孔、限位槽、刻度，用來夾持探頭，掃查時按指定刻度放入球閥內(nèi)通徑檢測面，涂抹耦合劑并勻速旋轉(zhuǎn)，從而保證耦合效果，詳見圖6。

圖6 耦合方式

（13）缺陷評定和質(zhì)量分級。

凡判定為裂紋、未熔合、密集缺陷且缺陷顯示為Ⅲ級（不合格）。檢測質(zhì)量等級I級合格。按照NB/T47013.15鋼制承壓設(shè)備全熔化II型焊接接頭質(zhì)量分級方法一，表2執(zhí)行。

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4 超聲相控陣成像檢測工藝驗證與分析

未熔合缺陷是全焊接球閥，埋弧自動焊工藝中常見危害性焊接缺陷，由于其缺陷的難檢測、難觀測、難避免的特點，作為重點驗證和分析。

（1）形成機理：熔化的鐵水會流到焊絲的前面覆蓋到焊縫或坡口側(cè)壁表面上，由于焊道溫度表面溫度太低，使覆蓋在上面的鐵水來不及與母材或焊層熔合就已凝固，造成未熔合缺陷。未熔合缺陷產(chǎn)生位置分為層間、側(cè)壁、根部未熔合，屬于面積型缺陷，缺陷形態(tài)在焊縫中呈特定角度，由于小規(guī)格球閥檢測空間受限，常規(guī)脈沖反射法檢測無法進(jìn)行雙面雙側(cè)掃查，容易導(dǎo)致漏檢，如果檢測不到，會對整個球閥設(shè)備質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

（2）未熔合對設(shè)備的危害性：缺陷減小焊縫有效承載強度，且在球閥設(shè)備使用過程中，未熔合缺陷邊緣處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，會在其邊緣處向外擴展形成裂紋，有導(dǎo)致整個焊縫的開裂的質(zhì)量風(fēng)險。由于此缺陷形狀細(xì)長、呈一定角度、顏色呈金屬色等特點（見圖7），返修人員肉眼很難觀察到，只有在返修過程中多次滲透檢測確認(rèn)或擴大返修范圍、角度，方可觀測出缺陷形態(tài)，但此做法不僅效率低，同時存在由于過度返修導(dǎo)致的焊縫局部材質(zhì)強度受損的隱患。建議推薦采用高效、精準(zhǔn)、高質(zhì)量成像的相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用，可有效解決以上難題。

圖7

圖7上兩組圖片為：坡口（側(cè)壁）未熔合缺陷，打磨發(fā)現(xiàn)，此缺陷很難用肉眼發(fā)現(xiàn)，因缺陷為面積型（存在高度約5mm長度約40mm，但厚度很小約1~2mm），并且平行焊縫、近似垂直母材和焊縫表面。打磨并觀察缺陷，需要擴大返修范圍同時對打磨人員水平要求高。

（3）超聲相控陣成像檢測工藝驗證。

針對未熔合缺陷制作焊接試件，焊接試件與球閥焊接工藝、材質(zhì)、坡口形式相同，焊接人員人為制作埋藏層間、側(cè)壁未熔合缺陷。同時采用射線檢測確認(rèn)缺陷的類型及位置后，最后使用校準(zhǔn)調(diào)校合格的相控陣設(shè)備進(jìn)行檢測，采集分析數(shù)據(jù)圖像與底片中缺陷影像進(jìn)行對比，最終確認(rèn)相控陣檢測工藝及未熔合缺陷圖像符合標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47013.15-2021）要求，可進(jìn)行實際檢測工作,詳見圖8。

圖8 相控陣檢測未熔合圖像、射線檢測未熔合底片影像、焊縫中未熔合缺陷

實際檢測工作中相控陣超聲波檢測發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷影像，后經(jīng)過返修處理，可見未熔合缺陷實物形態(tài)?？衫寐暿劢?、偏轉(zhuǎn)功能確定缺陷呈現(xiàn)形態(tài)及角度，分析缺陷屬于層間或側(cè)壁未熔合，有利于返修合格和焊接工藝問題優(yōu)化，提高焊接合格率，詳見圖9。

圖9 儀器屏幕顯示未熔合缺陷、焊縫中未熔合缺陷

5 結(jié)語

全焊接球閥采用相控陣檢測技術(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)（NB/T47013.15-2021）要求編制工藝、執(zhí)行檢測，并經(jīng)過工藝驗證及實際檢測返修確認(rèn)，缺陷檢出準(zhǔn)確性高，缺陷定性、定量、定位準(zhǔn)確。對于焊接中常見的未熔合危害性缺陷，利用聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)、掃描的特性，提高聲場信號強度、回波信號幅度和信噪比，從而提高缺陷檢出率，提高缺陷深度、長度的測量精度，同時能呈現(xiàn)高質(zhì)量的缺陷影像，檢測工程師依據(jù)相控陣超聲波檢測采集的有效數(shù)據(jù)、影像、經(jīng)驗，最終評估缺陷性質(zhì)更為準(zhǔn)確、高效。