壓力管道對接焊縫典型缺陷的相控陣CIVA仿真與檢測

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(1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司，寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048)

壓力管道在現(xiàn)場安裝組焊時，由于管道原材料、焊工焊接水平和責(zé)任心等原因，會產(chǎn)生各類焊接缺陷。通常包括外觀缺陷和內(nèi)部缺陷。目前在壓力管道定期檢驗的過程中，外觀缺陷通過目視檢查可以很快發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部缺陷主要是通過常規(guī)超聲檢測和射線檢測來確定[1]，其中較為常見的內(nèi)部缺陷主要包括：未焊透、未熔合、夾渣、裂紋、氣孔[2]。常規(guī)超聲的缺陷檢出率通常和缺陷的性質(zhì)、位置角度，以及檢測人員的技術(shù)與責(zé)任心有關(guān)，同時具有不可記錄性，對于檢測數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)存在較大困難；射線檢測過程繁瑣，工作量較大，需要特殊的輻射防護(hù)場地及輻射檢測系統(tǒng)[3]。

筆者采用CIVA軟件仿真了5類典型缺陷的相控陣檢測，并與模擬試管的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對，總結(jié)了相控陣檢測5類典型缺陷的波形特征，為現(xiàn)場檢測并快速判定缺陷性質(zhì)提供借鑒。

1 相控陣CIVA仿真

1.1 CIVA仿真設(shè)置

采用壓力管道對接焊縫進(jìn)行建模，管道尺寸(外徑×壁厚)分別為φ159 mm×8 mm，φ89 mm×5 mm兩種規(guī)格。坡口類型為單“V”型60°坡口，根部間隙為2 mm，鈍邊高為1 mm，頂部余高為1 mm，底部余高為0.5 mm，管道材料選取為碳鋼，密度為7.8 g·cm-3，縱波聲速為5 900 m·s-1，橫波聲速為3 230 m·s-1。

線性陣列探頭采用與Doppler FJA131型號相同的參數(shù)進(jìn)行建模。FJA131探頭參數(shù)為：陣元數(shù)n=16，晶片間距p=0.5 mm，晶片間隙g=0.1 mm，晶片高度W=10 mm，晶片寬度e=0.4 mm，主動窗長度A=n×e+g×(n-1)=7.9 mm，探頭頻率為7.5 MHz，-6 dB帶寬為60%。采用橫波折射角為55°的楔塊，材料為Rexolite(聚苯乙烯交聯(lián)樹脂)，密度為1.05 g·cm-3，縱波聲速為2 360 m·s-1，橫波聲速為1 160 m·s-1。壓力管道對接焊縫CIVA仿真模型如圖1所示。

圖1 壓力管道對接焊縫CIVA仿真模型

1.2 聲場計算

以φ159 mm×8 mm壓力管道的相控陣聲場計算為例進(jìn)行說明，模擬采用扇形掃查，角度范圍為42°～73°，計算步進(jìn)為0.5°，考慮到一次波檢測無法覆蓋焊縫上表面，因此采用二次波檢測焊縫上表面，探頭距離焊縫邊緣10 mm[4]。對一次波和二次波中心聲束的聲場進(jìn)行合成，計算出42°～73°范圍內(nèi)所有聲束的聲場，其中一次波檢測聚焦法則選取方向與深度聚焦，聚焦深度為8 mm(試管壁厚處)，二次波聚焦深度為0 mm(上表面)，聲場計算范圍為10 mm×10 mm(長×寬)矩形區(qū)域，計算精度為0.1 mm，一次波和二次波覆蓋情況與聲場計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 一次波和二次波覆蓋情況與聲場計算結(jié)果

根據(jù)合成聲場的計算結(jié)果可知，一次波覆蓋區(qū)域的聲場強(qiáng)度可以滿足檢測要求，具有較高能量。二次波聲場覆蓋可以彌補(bǔ)一次波檢測盲區(qū)，但是聲場能量弱于一次波的。所設(shè)置的檢測覆蓋滿足檢測要求。

1.3 未熔合檢測仿真

考慮到缺陷的設(shè)置應(yīng)和超聲檢測試管缺陷相同，采用矩形面狀缺陷(Rectangular)模擬坡口未熔合和根部未熔合，位置設(shè)置在坡口和根部，采用扇形掃查進(jìn)行檢測，未熔合尺寸(長×寬)為5 mm×2 mm，缺陷設(shè)置結(jié)果見圖3，檢測結(jié)果見圖4。

圖3 坡口、根部未熔合缺陷設(shè)置示意

圖4 坡口、根部未熔合檢測結(jié)果

從坡口未熔合檢測結(jié)果可以看出，相控陣扇掃對未熔合缺陷信號具有較高靈敏度，一般采用一次波能覆蓋近根部坡口未熔合。對于坡口未熔合，一個未熔合缺陷信號回波較高，另一個缺陷回波信號較弱，這與缺陷方向有關(guān)，若缺陷與聲束方向垂直則回波強(qiáng)，若缺陷與聲束方向夾角較小則回波弱。因此，若要檢測未熔合缺陷，條件允許的情況下最好進(jìn)行雙側(cè)掃查，以防漏檢。

1.4 未焊透檢測仿真

未焊透缺陷模型采用3個矩形面狀缺陷(Rectangular)進(jìn)行設(shè)置，模擬坡口雙邊未焊透，未焊透高度為坡口鈍邊的一半，取0.5 mm，長度為5 mm，未焊透缺陷設(shè)置示意如圖5所示。

圖5 未焊透缺陷設(shè)置示意

圖6 未焊透一次波檢測結(jié)果

計算過程選取直接(Direct)計算模式，未焊透一次波檢測結(jié)果如圖6所示。從未焊透模擬結(jié)果可以看出，相控陣技術(shù)對于未焊透缺陷具有較高的檢出率，該未焊透兩端均有明顯回波，且靠近探頭側(cè)回波信號高，由于聲波傳播的特點(diǎn)，對于管道最好采用雙側(cè)掃查，以防坡口兩側(cè)深度不同的未焊透的漏檢。

1.5 夾渣檢測仿真

采用圓柱形夾渣來模擬條形夾渣，夾渣材料由氧化鋁代替，密度為3.97 g·cm-3，位置處于熔合線處，埋藏深度為3 mm，采用條形夾渣專用模型(Cylindrical inclusion)進(jìn)行設(shè)置，長度為10 mm，半徑為0.5 mm，夾渣缺陷位置設(shè)置示意如圖7所示。夾渣缺陷一次波檢測結(jié)果如圖8所示。

圖7 夾渣缺陷位置設(shè)置示意

圖8 夾渣缺陷一次波檢測結(jié)果

圖9 夾渣缺陷二次波檢測結(jié)果

夾渣缺陷二次波檢測結(jié)果如圖9所示，從模擬結(jié)果可以看出，相控陣檢測技術(shù)對于條形夾渣具有較高的檢出率，由于采用了一次波5 mm深度聚焦檢測，信號回波顯示位置與實際情況較為吻合，但由于夾渣設(shè)置模型為圓柱體，參考超聲圓柱體反射，存在一定的缺陷放大特點(diǎn)。

1.6 裂紋檢測仿真

裂紋采用多面缺陷模型進(jìn)行設(shè)置，裂紋的位置設(shè)置示意如圖10所示，裂紋長度為10 mm，埋藏深度為3.5 mm。

圖10 一次波和二次波檢測裂紋缺陷覆蓋情況及缺陷具體形貌示意

裂紋缺陷一次波和二次波檢測結(jié)果如圖11,12所示，從結(jié)果可以看出，裂紋缺陷的回波信號強(qiáng)度較強(qiáng)，且S掃波形稍顯雜亂，存在缺陷放大的特點(diǎn)，這與裂紋的走向和大小有關(guān)。

圖11 裂紋缺陷一次波檢測結(jié)果

圖12 裂紋缺陷二次波檢測結(jié)果

1.7 氣孔檢測仿真

氣孔采用球型缺陷(Spherical)進(jìn)行設(shè)置，半徑為1 mm，位于焊縫中部，埋藏深度為5 mm，氣孔的位置設(shè)置示意如圖13所示。

圖13 氣孔缺陷位置設(shè)置示意

氣孔一次波、二次波檢測結(jié)果如圖14，15所示，從掃查結(jié)果可以看出，相控陣技術(shù)對于氣孔類球型缺陷具有較高的檢出率，一次波、二次波均有不同程度的缺陷放大，可采取設(shè)置聚焦深度為氣孔埋藏深度進(jìn)行再次檢測，以減小缺陷放大帶來的不利影響。

圖14 氣孔缺陷一次波檢測結(jié)果

圖15 氣孔缺陷二次波檢測結(jié)果

2 模擬試管檢測過程

2.1 檢測設(shè)置

采用φ159 mm×8 mm，φ89 mm×5 mm兩種規(guī)格試管進(jìn)行現(xiàn)場超聲相控陣檢測驗證，這兩種規(guī)格試管均由某無損檢測試塊制造公司加工，包含了壓力管道對接焊縫中的典型5類缺陷，且均由射線檢測和常規(guī)超聲檢測(UT)進(jìn)行過驗證，具體缺陷尺寸見表1，其中缺陷的各類信息與CIVA仿真中的設(shè)置相同。

檢測采用以色列ISONIC 2010相控陣儀器、線性陣列相控陣聚焦探頭和鏈?zhǔn)綊卟槠鳎?59 mm×8 mm規(guī)格試管采用一次波和二次波掃查，φ89 mm×5 mm規(guī)格試管采用二次波掃查，現(xiàn)場檢測工藝設(shè)置與CIVA仿真完全相同。

表1 UT試管缺陷參數(shù)

2.2 未熔合檢測

φ159 mm×8 mm規(guī)格試管未熔合缺陷掃查結(jié)果如圖16所示，經(jīng)過測量，未熔合長度為11.0 mm，高度為2.2 mm，深度為1.6 mm，未熔合位置存在偏差是由于編碼器在行走過程中發(fā)生了小范圍偏移。

圖16 φ159 mm×8 mm規(guī)格試管未熔合缺陷掃查結(jié)果

2.3 未焊透檢測

φ159 mm×8 mm規(guī)格試管未焊透缺陷掃查結(jié)果如圖17所示，經(jīng)過測量，未焊透長度為11.0 mm，高度為2.3 mm，深度為5.7 mm。

2.4 夾渣檢測

φ89 mm×5 mm規(guī)格試管夾渣缺陷掃查結(jié)果如圖18所示，經(jīng)過測量，夾渣長度為9.3 mm，高度為1.0 mm，深度為0.6 mm。

2.5 裂紋檢測

φ89 mm×5 mm規(guī)格試管裂紋缺陷掃查結(jié)果如圖19所示，經(jīng)過測量，裂紋長度為13.1 mm，高度為2.0 mm，深度為1.7mm。

2.6 氣孔檢測

φ159 mm×8 mm規(guī)格試管氣孔缺陷掃查結(jié)果如圖20所示，經(jīng)過測量，氣孔當(dāng)量為φ5.0 mm，深度為3.1 mm。

3 分析與討論

3.1 未熔合結(jié)果分析

仿真與實際扇掃波形具有較高吻合性，因為CIVA仿真設(shè)置的未熔合缺陷和實際未熔合缺陷具有極高的相似度，均為面狀缺陷，CIAV仿真未熔合缺陷具有較高的可靠性。現(xiàn)場對于相控陣未熔合波形的判斷要點(diǎn)總結(jié)為，反射波幅較高，且端視圖和扇掃圖中位置顯示在焊縫坡口處，通常情況下兩側(cè)掃查的回波波幅有較大區(qū)別，但特殊情況下，對于坡口對側(cè)的未熔合缺陷無明顯回波，CIVA仿真中也證實了這一點(diǎn)。

圖17 φ159 mm×8 mm規(guī)格試管未焊透缺陷掃查結(jié)果

圖20 φ159 mm×8 mm規(guī)格試管氣孔缺陷掃查結(jié)果

3.2 未焊透結(jié)果分析

現(xiàn)場試管未焊透檢測結(jié)果顯示,該未焊透具有單邊未焊透的性質(zhì)，只有一個端點(diǎn)存在反射波；CIVA仿真結(jié)果顯示,未焊透為根部較大的體積性缺陷，無論實際還是仿真，相控陣技術(shù)對于未焊透具有較高的檢出率。現(xiàn)場對于相控陣未焊透波形判斷要點(diǎn)總結(jié)為，反射波幅較高，但低于未熔合的，且端視圖和扇掃圖中位置顯示在焊縫根部靠近坡口處，兩側(cè)掃查通常都存在明顯的回波，且波幅無明顯差別。

3.3 夾渣結(jié)果分析

現(xiàn)場試管檢測結(jié)果表明,坡口處存在一處夾渣，反射波強(qiáng)度明顯弱于未熔合的波形，且扇掃圖形信噪比較高，雜波較少，這幾點(diǎn)與CIVA結(jié)果相吻合，但也存在一定的差異，原因在于CIVA夾渣模型是光滑圓柱體模型，材料是氧化鋁代替，實際條形夾渣并非理想圓柱體，且成分較為復(fù)雜，因此仿真相似度低于未熔合和未焊透的。同時從A掃圖形可看出，夾渣反射波幅明顯低于未焊透和未熔合的。

3.4 裂紋結(jié)果分析

通過比較結(jié)果可知：裂紋的反射波均顯雜亂，仿真回波信號強(qiáng)度大于實際檢測的，但是兩者對于裂紋均有較高檢出率，歸結(jié)原因是：裂紋的模型與實際情況的相似度較低，在5類缺陷中是相似度最低的缺陷，因此仿真結(jié)果和實際存在一定差別。從A掃圖形可看出，裂紋反射波幅低于夾渣的，裂紋波形通常顯示較為雜亂，信噪比較低，這與裂紋的形貌和位置有關(guān)。

3.5 氣孔結(jié)果分析

兩者均能檢出氣孔，但實際檢測結(jié)果顯示，氣孔一般反射信號較弱，根據(jù)聲學(xué)理論，由于其反射體積小，是5類缺陷中反射信號最弱的，相控陣檢測波幅并不高，最容易漏檢，應(yīng)結(jié)合一次波和二次波掃查。CIVA結(jié)果顯示，氣孔具有較高回波，因為在模型設(shè)置過程中，采用球形缺陷模型，實際氣孔是近似球形，且所含介質(zhì)并不唯一，反射回波信號強(qiáng)度不同。氣孔反射波形通常較弱，且長度和高度一般較小。

4 結(jié)語

(1) CIVA仿真技術(shù)可以在一定程度上指導(dǎo)相控陣檢測工藝的制定，但由于缺陷的設(shè)置不能與實際缺陷特征完全吻合，所以缺陷響應(yīng)計算和實際檢測存在一定的偏差，通過與現(xiàn)場檢測結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)CIVA仿真與現(xiàn)場檢測結(jié)果的吻合度由大到小依次為：未熔合、未焊透、夾渣、氣孔、裂紋。

(2) 壓力管道對接焊縫中典型的5類缺陷在相控陣S掃和C掃中均有典型特征，反射信號強(qiáng)度由大到小依次為：未熔合、未焊透、夾渣、裂紋、氣孔。