焊接接頭的相控陣超聲檢測

汪雪梅，陳 超,2，舒 俊

(1.瀘州市特種設備監督檢驗所，瀘州 646000;2.四川化工職業技術學院，瀘州 646000)

壓力容器是石油化工行業的重要設備，其安全性關系著人民的生命財產安全。焊接接頭由于存在焊接缺陷、殘余應力等潛在危害，是壓力容器構造中比較薄弱的部位，因此對其缺陷的檢測至關重要。目前，對壓力容器焊接接頭缺陷的檢測方法主要有磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測和脈沖反射超聲波檢測等。滲透檢測和磁粉檢測只能檢測表面或近表面缺陷；射線檢測需要設置隔離區，檢測人員有輻射風險，且不能精確確定缺陷的埋藏深度；脈沖反射超聲波檢測不可記錄，聲束角度單一，缺陷顯示不直觀[1]。而相控陣超聲檢測技術無需鋸齒掃查，聲束角度不單一，缺陷顯示直觀，是一種可記錄的檢測方法[2-3]。筆者通過對含焊接缺陷試板的焊接接頭進行相控陣超聲檢測，并與其他檢測方法進行對比，研究了相控陣超聲檢測技術在焊接接頭缺陷檢測中的應用。

1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測技術是指通過計算機控制多芯片探頭中各芯片的激勵(振幅和延時)，產生超聲波聚焦波束，并通過軟件調整聲束參數，如角度、焦距、焦點等的一種超聲波缺陷檢測方法[4]。由于聲束角度單一和移動范圍受限，單晶探頭比較難檢出偏離垂直方向較大的缺陷和遠離聲束軸線的缺陷，而相控陣超聲檢測可以通過改變陣列單元芯片的延時值，從而改變聚焦深度和聲束角度，以便檢出遠離聲束軸線和方向不利的缺陷，可用于檢測形狀復雜的物體，檢測靈敏度、分辨率、信噪比均優于常規超聲技術的[5]。相控陣超聲檢測的掃描模式有線掃描、動態聚焦掃描和扇掃描3種，有A、B(橫斷面)、C(水平面)、S(扇面)等形式的結果顯示，缺陷顯示更直觀。

2 相控陣超聲檢測工藝

2.1 檢測設備及檢測試板

筆者采用的相控陣超聲檢測設備為OLYMPUS公司Omni Scan MX2 32:128PR相控陣檢測儀器。用于檢測試驗的含焊接缺陷的試板有兩塊，分別編號為1#，2#，尺寸(長×寬×厚)均為400 mm×400 mm×24 mm，焊縫沿長度方向居中分布，坡口類型為V型，材料為20鋼。考慮試板厚度、楔塊角度偏轉范圍及楔塊與試板表面耦合程度，選用型號為5L64-A12型探頭，型號為SA12-N55S型楔塊，檢測所用的耦合劑為機油。

2.2 檢測及校準步驟

檢測前首先在相控陣檢測儀器中對含焊接缺陷試板的材料、厚度和焊縫類型等參數進行設置。然后設置聚焦法則，晶片數量設置為16，采用橫波扇掃描，檢測角度范圍設置為40°～70°，角度步進為1°；聚焦深度設置為兩倍板厚(48 mm)；步進偏移設置為15 mm(見圖1)，以便楔塊前沿在與焊腳不干涉的情況下使聲束能完全覆蓋焊縫和熱影響區。聚焦法則設置完畢，采用CSK-IIA-1試板上深度為10 mm的φ2 mm橫通孔進行靈敏度校準(ACG修正/角度增益修正)，修正后同一反射體波幅顯示與檢測角度無關；采用CSK-IIA-2試板上深度為10 mm/20 mm/50 mm的φ2 mm橫通孔進行TCG校準(時間增益修正)，修正后不同深度處同一大小反射體的波幅顯示基本一致。校準完畢即開始對含焊接缺陷的試板進行相控陣超聲檢測，掃查方式為沿線掃查+扇掃描，在試板單面雙側進行檢測。

2.3 檢測注意事項

由于超聲波相控陣檢測受探頭與試板表面的耦合效果影響，所以檢測前應保證探頭移動區域表面平整、光滑，去除焊接飛濺、污垢等影響耦合效果的表面覆蓋物；相控陣檢測前還應對編碼器進行校準，以免對檢測出的平行于焊縫方向缺陷的定位不準；檢測時楔塊前沿至焊縫中心的距離應保證為步進偏移15 mm，否則垂直于焊縫方向缺陷的定位不準，步進偏移設置如圖1所示。

圖1 步進偏移設置示意

3 檢測結果分析

使用相控陣超聲檢測設備對含焊接缺陷的試板進行檢測。對1#，2#含焊接缺陷的試板進行相控陣超聲檢測，由于耦合效果影響檢測質量，所以分析判讀數據前要篩選出合格有效的檢測數據。1#，2#試板檢測圖譜結果如圖2所示，觀察及分析A，C，S掃描顯示，試板1中出現兩處疑似缺陷，表示為缺陷1、2，試板2中出現一處疑似缺陷，表示為缺陷3。分別移動閘門光標，找到缺陷信號的最大波幅位置和最大波幅值，在S掃和C掃中移動角度光標和測量光標，采用-6 dB法，得到缺陷的深度、高度、長度和偏離焊縫中心位置等數據。最后得到的檢測數據如表1所示(由于掃查車放置問題，掃查的起始位置為試板25 mm處，因此表中缺陷實際位置為根據檢測數據往后移動了25 mm之后的值)。為了驗證相控陣超聲檢測結果的可靠性，將此結果與脈沖反射超聲波檢測和射線檢測做對比，脈沖反射超聲波檢測結果如表2所示，表中SL為超聲波定量判定式;波高取值為正負偏差。射線檢測結果如圖2所示。

圖2 1#，2#試板相控陣超聲檢測圖譜

表1 含焊接缺陷試板的焊接接頭相控陣超聲檢測結果

表2 含焊接缺陷試板的焊接接頭脈沖反射超聲波檢測結果

通過分析表1中相控陣檢測數據可知，1#,2#試板中3個缺陷的水平位置、長度、深度以及距焊縫中心的距離與表2中脈沖反射超聲波檢測的數據大致相同，可以認為兩種檢測方法得到的是同一缺陷。由圖2(a)、(b)、(c)中A掃顯示可知,波形起伏時間短，且為單峰值，因此可估計3個缺陷均為面狀缺陷。由圖2(a)、(b)的S掃顯示可知，缺陷圖譜的外觀干凈鋒利，呈扁平的橢圓狀，中心亮度高，觀察S掃顯示還可以直觀地了解缺陷在焊縫中的分布位置，從S掃可知兩個缺陷皆在坡口位置，且沿坡口面分布。結合各種焊接缺陷的形成原因及分布特征分析，判斷試板1中兩缺陷性質可能為坡口未融合，根據圖3射線檢測結果可知，該兩處缺陷性質確實為坡口未融合。由圖2(c)的S掃顯示可知，該缺陷有上下尖端衍射回波顯示，結合A掃顯示，判斷2#試板中缺陷的性質可能為裂紋。根據圖3射線檢測結果可知，此處缺陷性質確為裂紋。由此可知，相控陣超聲波檢測技術的檢測結果可靠，可以實現對缺陷的定位，也可根據檢測出的缺陷圖譜對部分缺陷進行初步定性。

圖3 射線檢測底片

4 結語

通過對含焊接缺陷試板的焊接接頭進行相控陣超聲檢測，并將脈沖反射超聲波檢測和射線檢測結果作對比，證明相控陣超聲檢測可以對焊縫缺陷進行較準確的定位，且檢測結果可靠，檢測效率比普通超聲檢測的高，可根據檢測出的缺陷圖譜結合A掃顯示和缺陷形成原因及分布特征、形狀特征，對缺陷進行初步定性，具有一定的準確性。研究從含焊接缺陷試板的焊接接頭檢測著手，對相控陣超聲檢測技術在實際檢測中的應用進行了探索性的研究，可望為相關從業人員提供一定的參考。