管座角焊縫缺陷的相控陣檢測定位準確性的研究

(浙江無損檢測工程技術有限公司，杭州 311217)

某電廠發(fā)現中溫過熱器出口集箱(見圖1)部分對接焊口出現泄漏，經檢查為裂紋缺陷(見圖2)。對泄漏焊口進行送樣分析，認定泄漏是由安裝過程中焊接缺陷、焊接拘束等應力集中部位與堿洗介質相互作用而產生的應力腐蝕引起的。由于管接座焊口出廠檢測方法為表面檢測，無法排除焊縫內部的危險性缺陷，以及堿洗介質很有可能已進入過熱器集箱內部，故要求對集箱管座角焊縫(為裂紋位置上部300～500 mm處的一排管座角焊縫)進行檢測以排查裂紋等危險性缺陷。

圖1 中溫過熱器集箱外觀

圖2 現場發(fā)現的裂紋

由于結構的特殊性，常規(guī)無損檢測手段檢測管座角焊縫內部缺陷比較困難，故相控陣超聲檢測方法是一種較好的選擇[1]。但是，由于角焊縫外表面相對于支管是一個曲面，角焊縫表面結構的反射位置會不斷變化，從而干擾缺陷的評定。如果反射信號定位準確，就可以區(qū)分出表面結構反射和缺陷反射，從而正確判斷缺陷信息，提高缺陷檢出的準確性。筆者通過對缺陷定位影響因素的分析，提出了適當的修正方法，有效排除了結構反射信號的干擾，提高了缺陷檢測的準確性。

1 缺陷定位影響因素

在中溫過熱器管座角焊縫(共94道)相控陣檢測(檢測方法為二次波檢測)過程中，發(fā)現了5處疑似信號，如表1所示，表中“周向位置”指疑似信號距離零點的起止位置，“+”為順時針方向，“-”為逆時針方向；SL指超聲波距離-波幅曲線中的定量線。該中溫過熱器管座角焊縫共94道，母管規(guī)格(直徑×壁厚)為325 mm×16 mm,支管規(guī)格(直徑×壁厚)為51 mm×5 mm，材料為12Cr1MoV，焊縫編號為ZGC-1～ZGC-94。

表1 相控陣檢測疑似缺陷信號統(tǒng)計表

表1中，序號③的疑似信號，幅值低、長度短，可以排除為非裂紋類危險缺陷；其余幾個疑似信號，由于受角焊縫結構反射信號的影響，均無法確認為是缺陷還是結構反射信號，ZGC-35相控陣檢測疑似信號如圖3所示。

圖3 ZGC-35焊縫的相控陣檢測疑似信號

為排除結構影響，對影響信號定位的結構進行分析，其主要有：角焊縫坡口結構和馬蹄形相貫線。

1.1 角焊縫結構對定位的影響

管座角焊縫結構形式主要有兩類：安放式管座(見圖4)和插入式管座(見圖5,6)。

圖4 安放式管座結構示意

圖5 插入式管座a結構示意

圖6 插入式管座b結構示意

由于管座角焊縫結構形式、支管和母管壁厚、坡口角度等多種因素的影響，反射信號的位置無法像常規(guī)超聲檢測一樣直接讀出，而需要根據結構形式，采用一定的方法進行修正。如ZGC-35焊縫的相控陣檢測疑似信號可能在焊縫中，可能在母管母材處，也有可能是表面結構反射信號，這需要對定位進行修正，并進一步分析判斷。

圖7 管座角焊縫馬蹄形相貫線及其檢測示意

1.2 馬蹄形相貫線對定位的影響

管座角焊縫相貫線呈馬蹄形(見圖7)，相控陣檢測過程中的探頭參考線相對于相貫線的距離隨著探頭所檢焊縫位置的不同而不斷變化。

如以ZGC-17焊縫的相控陣檢測疑似信號(見圖8)為例，疑似信號在設定的焊縫外側，但考慮到馬蹄形相貫線的因素，該疑似信號也有可能在檢測區(qū)域內，故需要進行修正，并進一步分析判斷。

圖8 ZGC-17焊縫的相控陣檢測疑似信號

2 缺陷定位修正方法

傳統(tǒng)的缺陷定位方法，一般是根據缺陷偏離焊縫表面的深度距離和偏離焊縫中心線的水平距離來描述的[2]。但是,管座角焊縫用這種方式來描述比較困難，主要原因如下所述。

(1) 深度位置難確定。焊縫表面是一個曲面，即焊縫表面法線與支管或母管均不相互垂直，缺陷深度參考面不易把握。

(2) 水平位置難確定。焊縫表面中心線呈馬蹄形，探頭參考線偏離焊縫中心線的距離隨著探頭所檢焊縫位置的不同而不斷變化，以此為依據的水平位置讀數與真實位置不符。

2.1 深度距離和水平距離參考面的選擇

針對上述情況，必須尋找一個合適的深度距離和水平距離參考面,參考面選擇如下。

(1) 深度距離參考面：選擇支管外表面。管座角焊縫相控陣檢測方法一般在支管上進行檢測，探頭入射點相對支管表面深度位置不變。

(2) 水平距離參考面：選擇管座端面。通過分析管座結構圖可以發(fā)現，探頭參考線與支管端面相對應，位置變化較小。

2.2 缺陷定位修正和結果判斷

確定了深度距離和水平距離的參考面之后，可以確定焊縫區(qū)域相對于參考面的位置范圍。以中溫過熱器管座角焊縫(見圖9)為例，該批管座角焊縫為插入式管座角焊縫(見圖5)，兩側坡口呈近90°直角，支管側焊縫相貫線距離支管端面8 mm，母管側焊縫相貫線距離支管端面1 mm(8 mm減去7 mm)，焊縫高度6 mm。

圖9 中溫過熱器管座角焊縫結構示意

根據上述數據關系，可以確定如表2所示的理論焊縫區(qū)域范圍?，F將焊縫表面假設為一個平滑斜面，圖9左側焊縫局部放大后，順時針旋轉90°，以端點為起點(0點)，支管側為橫坐標(x軸)，母管側為縱坐標(y軸)，建立定位坐標修正關系(見圖10)和理論焊縫表面結構反射信號定位關系曲線(見圖11)。由于焊縫外表面不平整，實際表面反射信號定位存在一定的誤差。

表2 理論焊縫區(qū)域范圍

圖10 定位坐標修正示意

圖11 理論焊縫外表面結構反射信號定位關系曲線

根據上述定位方法，對①、②、③、④、⑤共5個疑似信號進行定位修正，結果如表3所示。

將表3數據對照圖11進行分析可知，疑似信號①，水平位置偏離焊縫支管相貫線外側4.5 mm，深度位置處于支管表面，疑似支管母材表面不良；疑似信號②，水平位置偏離焊縫支管相貫線外側0.5 mm(熱影響區(qū)位置)，扇掃圖像呈現爪形多重反射，A掃信號也有多個波峰，且缺陷位置在母材下方1 mm處，為危險性缺陷裂紋(見圖12)；疑似信號③、④、⑤均比較接近圖11曲線位置，為外表面結構反射信號或表面開口缺陷。

表3 相控陣檢測疑似缺陷定位統(tǒng)計(修正后)

圖12 ZGC-22焊縫的相控陣檢測疑似信號

由此得出結論，上述5個疑似信號中，真實的焊縫內部缺陷信號只有②號信號，該缺陷為危險性缺陷裂紋。

3 檢測結果比對

為了進一步驗證該定位修正方法的準確性，對疑似信號①、③、④、⑤進行外觀檢查驗證，結果(見圖13)如下：①為表面損傷；③為表面氣孔；④為表面成型不良；⑤為表面成型不良。結果與定位修正后的判斷相符。

圖13 疑似信號①、③、④、⑤外觀檢查結果

對缺陷②，針對缺陷位置進行射線檢測和滲透檢測,結果如圖14所示。射線檢測發(fā)現細長黑線，判斷為裂紋；滲透檢測，挖補前滲透檢查未發(fā)現缺陷，挖補1～2 mm后發(fā)現紅色裂紋痕跡顯示。結果與定位修正后的判斷相符。

圖14 缺陷②的射線檢測和滲透檢測結果

4 結語

管座角焊縫采用相控陣檢測的方法可以有效地檢測出裂紋等危險性缺陷，但需要排除結構反射造成的干擾信號，否則容易誤判。通過對角焊縫結構、馬蹄形相貫線等定位影響因素的分析，提出了適當的修正方法，有效排除了結構反射信號的干擾，提高了缺陷檢測的準確性。