相控陣超聲檢測技術在薄壁小徑管中的應用

(中國石油獨山子石化公司壓力容器檢驗所，獨山子 833699)

相控陣超聲檢測技術應用始于20世紀60年代，作為一種新型的無損檢測技術,具有檢測速度快、效率高、可成像,以及靈活性、再現性、可存檔等諸多優勢,成為承壓設備的重要超聲檢測技術之一。

該技術發展十分迅速，已經廣泛應用于汽輪機葉片檢測、石化裝置焊縫檢測、核電站檢測等領域。新一代相控陣超聲檢測系統還配有針對不同焊接接頭形式、特殊構件的檢測軟件，檢測部位會形成三維圖譜顯示，能更加直觀地顯示檢測結果[1]。

1 相控陣超聲檢測技術

1.1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測是將相控陣探頭中按一定規律排列的多個晶片，按預先規定的設置(延時、增益、振幅等)激發，被激發的晶片聲束合成后產生偏轉和聚焦，從而檢測工件中的缺陷，并能對缺陷進行成像[2]。因此在一定范圍內，相控陣超聲技術能有效控制聲束在材料中的偏轉和聚焦，為確定缺陷的形狀、大小和方向提供了比單個探頭系統更強的能力，一次掃查覆蓋范圍大、檢測速度快、效率高[3]。

1.2 相控陣檢測校準設置

為了避免角度靈敏度差異，在靈敏度設置前應先進行靈敏度較準。相控陣檢測中角度的增益補償是非常重要的[4]。

靈敏度設置：參照GB/T 32563-2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》標準進行靈敏度設置，探測深度為6～50 mm時，將DAC曲線的最大聲程處φ2 mm×40 mm(直徑×孔深)橫孔回波調至滿屏40%高度作為掃查靈敏度[5]。

1.3 相控陣檢測方法

與常規超聲波檢測不同，相控陣檢測過程中無需頻繁地前后移動探頭，只需要確定探頭楔塊前端與焊趾的距離，保證探頭發射的聲束能覆蓋整個被檢截面，然后沿著焊縫軸線方向縱向移動即可完成檢測[6]。

2 相控陣掃查分析

2.1 案例介紹

薄壁小徑管試樣取自某石化裝置主要設備上的管線，材料為20#鋼，規格(外徑×壁厚)為φ34 mm×4 mm。在該試樣管對接焊接接頭中存在焊接缺陷，隨機抽查3道管線對接焊接接頭進行檢測。

2.2 探頭放置和聲束覆蓋范圍設置

相控陣掃查采用扇形掃查整個焊縫，不需要前后移動探頭位置。制定檢測工藝時既要滿足全覆蓋掃查的要求，又要保證檢測的靈敏度。可根據被檢件的壁厚來確定探頭的掃查角度范圍，扇掃描角度范圍不應超出35°～75°，并要求在角度范圍內使用。

對小徑管焊縫進行相控陣超聲檢測掃查時，通過模擬效果可以找到合適的晶片組，保證扇形掃描中大角度聲束(三次波)覆蓋焊縫底部和熱影響區；小角度聲束(四次波)覆蓋焊縫上部和熱影響區，達到對焊接接頭的100%檢測[7]。

2.3 檢測結果比較與分析

1#試樣管上有未焊透焊接缺陷，從其射線底片和相控陣檢測圖譜上都可以清晰地看到未焊透缺陷，如圖1，2所示。

2#試樣管上有氣孔缺陷，從其相控陣超聲檢3#試樣管存在裂紋缺陷，從其相控陣超聲檢測圖譜(見圖5)可以清晰地看到缺陷，但由于其是深度較淺的表面裂紋，在射線底片上未能看到該缺陷，無法進行比較，因此增加磁粉檢測和滲透檢測，結果如圖6～8所示。

圖1 1#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖2 1#試樣管的數字射線檢測結果(浮雕)

測圖譜和射線底片上均可以看到該缺陷，如圖3，4所示。

圖3 2#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖4 2#試樣管的數字射線檢測結果(浮雕)

圖5 3#試樣管的相控陣檢測圖譜

圖6 3#試樣管的射線檢測結果(無缺陷)

圖7 3#試樣管的磁粉檢測結果(缺陷長度9 mm)

圖8 3#試樣管的滲透檢測結果(缺陷長度7 mm)

2.4 檢測數據匯總

1#～3#試樣管的相控陣超聲檢測和射線檢測的數據匯總，如表1所示,由表1可得：

(1) 相控陣超聲檢測技術可以檢測出未焊透缺陷的長度、高度、埋藏深度，但是射線檢測方法只能檢測出缺陷的長度，無法準確測量缺陷的高度；缺陷定位方面，相控陣超聲比射線方法更加精準。

(2) 對于氣孔缺陷，相控陣超聲技術可檢出，而射線檢測可準確地定量出缺陷的點數，故對于氣孔類缺陷的定量，射線檢測比相控陣超聲技術要精準。

(3) 對于表面裂紋類缺陷，一般采用磁粉、滲透等方法進行檢測。磁粉檢測只能檢測表面或近表面缺陷,滲透檢測只能檢測表面缺陷。由于小徑管管壁較薄不能過度打磨，但是對焊縫表面狀態又要求較高，因此焊縫表面粗糙度一般無法達到要求，容易造成漏檢。采用相控陣超聲技術檢測薄壁小徑管對接焊縫，能夠實現焊縫裂紋的多角度、無盲區掃查，檢測靈敏度高。

表1 1#～3#試樣管的檢測數據

3 結論

(1) 相控陣超聲檢測技術可以對某些常規超聲檢測有困難的部件進行檢測，檢測結果準確詳細。通過理論分析相控陣超聲檢測技術的特點，利用三次和四次波能完全覆蓋此類小徑管對接焊縫，很好地提高了檢測效率。

(2) 對比相控陣和射線檢測技術的檢測數據,射線檢測技術的圖像簡單直觀,相控陣檢測技術的圖像豐富立體，兩種方法均能準確地對缺陷性質進行判定。

(3) 利用相控陣聚焦及偏轉的特點，實施單側檢測就能實現小徑管環焊縫全部區域的覆蓋，對焊縫中包含的裂紋類高危缺陷的檢測靈敏度高。成像位置準確，檢測結果直觀、準確、易于判斷。

(4) 相控陣檢測方法對于缺陷檢出率高于射線檢測。

綜上，相控陣超聲檢測技術在焊縫檢測的應用中具有很強的可行性，但是相控陣檢測人員必須不斷積累經驗，提高數據判讀水平，才能保證檢測結果的有效性，保證裝置設備的安全運行。