楊 光,滕先進,呂育棟,張 偉,張利輝,孫愛玢

(渤海裝備巨龍鋼管有限公司,青縣 062658)

隨著我國長輸管道的建設發(fā)展和輸油輸氣管線需求量的大幅增加,傳統(tǒng)的管道類型逐漸被高鋼級、大口徑、厚壁化的產品所取代,對管線鋼管質量的要求也越來越高。其中,在直縫埋弧焊鋼管生產期間,有效可靠地檢測焊接缺陷是保障油氣管線輸送安全的重要措施[1]。

目前,國內眾多大型直縫埋弧焊管廠的在線焊縫超聲波自動檢測系統(tǒng)仍采用常規(guī)脈沖回波超聲技術,但該技術存在一定的局限性,其采用的是單一晶片的探頭,探頭發(fā)射的波束只能以單一折射角沿聲束軸線傳播,因此在進行鋼管檢測尤其是厚壁鋼管的檢測時,需要布置多組檢測通道以有效實現(xiàn)焊縫全壁厚區(qū)域的聲束覆蓋;同時該技術無法通過軟件處理提高信號質量,只能顯示A掃描信號,缺陷顯示不直觀,檢測波束不能聚焦,信噪比和分辨率會隨著檢測距離增大而下降。

相控陣超聲檢測技術是近年來快速發(fā)展起來的無損檢測新技術,該技術目前已大量應用于油氣管道環(huán)焊縫的檢測中,具有檢測精度高、檢測速度快、可重復性強、缺陷檢出率高等優(yōu)點,已成為自動焊環(huán)焊縫檢測的首選技術[1]。為了更好地與管道施工現(xiàn)場環(huán)焊縫檢測進行技術對接,筆者所在公司創(chuàng)新地采用相控陣超聲技術來實現(xiàn)埋弧焊管的超聲自動檢測,旨在為國內鋼管制造企業(yè)無損檢測能力的提升提供一定參考。

1 直縫埋弧焊管相控陣超聲檢測系統(tǒng)

采用美國GE公司的SNUP-LO/OFF-PAT型相控陣檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由相控陣超聲檢測單元、檢測和評估電子單元、在線焊縫激光自動跟蹤系統(tǒng)等部分組成。檢測系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如下:相控陣探頭角度調節(jié)范圍為40°～70°;信噪比≥18 dB;PRF(檢測系統(tǒng)的脈沖重復頻率)≤20 000 Hz;跟蹤精度≤±0.5 mm;噴標精度±10 mm;誤報率≤1%;管端盲區(qū)<50 mm;檢測速度≤20 m·min-1。

1.1 相控陣超聲檢測單元

檢測單元主體由2組縱向探頭、1組“On-bead”輪式探頭、1組串列式探頭、1組“X”式橫向探頭以及1組分層探頭構成。其中,縱向和“X”式橫向檢測采用W3 GPA32型相控陣探頭,檢測頻率為3 MHz,32晶片,矩形晶片組尺寸為14 mm×14 mm(長×寬),可在軟件中選擇所需的角度范圍和合適的折射角度,用于縱向缺陷和橫向缺陷的檢測;“On-bead”輪式探頭采用B5 NC15PA16型相控陣探頭,角度為45°±5°,用于橫向缺陷的檢測;分層檢測采用常規(guī)超聲波探頭(探頭型號為H5K15B18,入射角為0°),用于熱影響區(qū)分層缺陷的檢測;串列式模式下檢測也采用相控陣探頭,探頭型號為W3 NPA20,檢測頻率為3 MHz,20晶片,矩形晶片組尺寸為9 mm×8 mm(長×寬),用于串列模式下檢測焊縫中部缺陷。相控陣超聲探頭布置方式如圖1所示。

圖1 相控陣超聲探頭布置方式示意

圖1中標號為1,2,3,4的探頭為縱向檢測探頭,每個探頭發(fā)射入射角為0°的聲波監(jiān)測耦合,1和2互相監(jiān)測耦合,3和4互相監(jiān)測耦合。5為“On-bead”輪式探頭,由3部分組成,中間部分發(fā)射入射角為0°的聲波用于調節(jié)探頭水平和耦合監(jiān)測,兩側部分相對發(fā)射入射角約45°的折射聲波以檢測橫向缺陷。6,7,8,9為一組串列式探頭,同側兩個探頭一發(fā)一收進行檢測,6和7互相監(jiān)測耦合,8和9互相監(jiān)測耦合。10,11,12,13為“X”式橫向探頭,沿鋼管縱向方向同一側兩個探頭一發(fā)一收進行檢測,4個探頭均發(fā)射入射角為0°的聲波監(jiān)測自身耦合,11和12互相監(jiān)測耦合,10和13互相監(jiān)測耦合。

14,15,16,17,18,19,20,21為檢測熱影響區(qū)母材分層的直探頭。

1.2 檢測和評估電子單元

該電子單元主要進行相控陣超聲檢測參數(shù)的設置、管理、校準(如最佳入射角和聚焦深度的校準)以及對缺陷進行分析評判等。

相控陣超聲檢測時,檢測人員僅需通過軟件中參數(shù)的設置就可以調節(jié)探頭角度,無需任何機械調整,減少了系統(tǒng)調試時間,相控陣超聲檢測參數(shù)的設置界面如圖2所示。

該電子單元可在軟件中對焊縫形貌、尺寸進行可視化設置,同時可以計算出鋼管曲面上的超聲波聲束范圍;具有檢測狀態(tài)實時顯示功能,檢測時缺陷的檢測狀態(tài)、參數(shù)設置以及探傷進度都將實時顯示,在顯示帶狀圖的同時可實時顯示8個A掃界面。

各檢測通道可實現(xiàn)縱、橫向缺陷,分層缺陷報警及耦合監(jiān)視等功能并在包絡圖中以不同顏色顯示。在自動檢測過程中,如果信號超過閾值,則在包絡圖上指示缺陷,激活報警條件并通過噴標系統(tǒng)進行實時標記。

另外,該電子單元具有傷波復檢功能,可從系統(tǒng)存儲中調出檢測結果文件,并在評判軟件中對自動檢測結果進行離線分析評判。

1.3 在線焊縫激光自動跟蹤系統(tǒng)

每個檢測機架裝備有一組在線焊縫激光自動跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)由配備有內置式攝像機的激光頭和評估電子單元組成,工作時激光頭不會與鋼管接觸(距離鋼管表面約140 mm),激光頭無磨損。跟蹤系統(tǒng)精度可達±0.5 mm,分辨率高,可靠性好,同時具有自動激光功率調節(jié)、自動圖像質量優(yōu)化等功能,在線焊縫激光自動跟蹤系統(tǒng)檢測現(xiàn)場及操作界面如圖3所示。

圖3 在線焊縫激光自動跟蹤系統(tǒng)檢測現(xiàn)場及操作界面

2 埋弧焊管的相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲技術可以通過調節(jié)探頭角度、聚焦法則以及晶片尺寸等參數(shù)來使超聲波束達到最優(yōu)化,1個相控陣探頭相當于多個傳統(tǒng)超聲探頭的組合。

當進行焊縫外部縱向缺陷檢測時,一個相控陣探頭可以激活一個或多個發(fā)射-接收孔徑,用于焊縫外部缺陷和未熔合缺陷的檢測。焊縫外部縱向缺陷檢測聲束如圖4所示,其中藍色聲束傳播路徑代表對縱向外部缺陷(焊縫外表面中間刻槽)的檢測,綠色聲束傳播路徑代表對未熔合人工參考缺陷的檢測,黑色聲束傳播路徑代表耦合監(jiān)控。這些脈沖激發(fā)使用不同的激發(fā)-接收時間周期。

圖4 焊縫外部縱向缺陷檢測聲束示意

當進行焊縫內部縱向缺陷檢測時,檢測原理同理于外部缺陷檢測。另外,對于焊縫內部中間層垂直于焊縫的縱向缺陷,可利用串列式檢測技術對其進行檢測,其聲束如圖5所示。

進行橫向缺陷檢測時,一組輪式探頭用于檢測橫傷,一組虛擬通道用于外傷檢測,另一組虛擬通道用于內傷檢測,另外還有一組“X”式橫向探頭可對橫向缺陷進行檢測。

3 現(xiàn)場檢測及應用情況

國家管網標準“DEC”文件出臺后,超聲波對比標樣的種類中,除了常規(guī)的φ1.6 mm豎通孔和內外橫、縱向N5刻槽以外,焊縫中間區(qū)域又增加了不同壁厚深度的φ3.0 mm平底孔人工對比反射體。

為了驗證該相控陣超聲自動檢測系統(tǒng)的檢測能力,確保其滿足最新標準要求,筆者所在公司技術人員按照“DEC”文件標準加工制作了φ508 mm×8 mm,φ1 422 mm×30.8 mm(直徑×壁厚)兩種極限規(guī)格樣管各1根,其結構如圖6,7所示,然后采用相控陣超聲自動檢測系統(tǒng)按15 m·min-1的檢測速度對樣管重復檢測20次,記錄檢測及報警狀況。缺陷檢測結果如圖8,9所示,檢測結果與樣管實物相對應,可見樣管上人工缺陷檢出率為100%,誤報率≤1%,漏報率為0。

圖6 φ508 mm×8 mm樣管結構示意

目前,該直縫埋弧焊管相控陣超聲自動檢測系統(tǒng)已在“西氣東輸四線(吐魯番-中衛(wèi))”、“威遠-瀘州區(qū)塊頁巖氣集輸干線”等國家重點長輸油氣管線項目上得到應用,效果較為良好,降低了系統(tǒng)的誤報率。同時系統(tǒng)調試校準時間較之前減少約50%,減輕了勞動強度,提高了檢測效率,提升了直縫埋弧焊管產品的無損檢測保障能力。

4 結語

現(xiàn)場實際應用表明,與常規(guī)脈沖回波超聲檢測技術相比,基于相控陣超聲技術的直縫埋弧焊管自動檢測系統(tǒng)具有檢測精度高、檢測效率高、缺陷檢出率高、檢測結果顯示直觀等優(yōu)勢,可以快速、高效地對直縫埋弧焊管焊縫進行檢測,具有廣闊的發(fā)展前景。

圖8 φ508 mm×8 mm樣管報警包絡圖

圖9 φ1 422 mm×30.8 mm樣管報警包絡圖