承壓設(shè)備插入式接管角焊縫超聲相控陣檢測(cè)工藝

吳家喜，張子健，張小龍，許 波,2，柴軍輝,2，胡 健，陳旭杰

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

角焊縫是承壓設(shè)備較為常見(jiàn)的焊縫形式之一，其中插入式接管角焊縫是角焊縫中的一大類，主要用于接管與殼體的連接，細(xì)分為截面非全焊透和全焊透T型接頭兩大類，GB 150.3-2011《壓力容器》附錄D對(duì)各類插入式接管角焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸和適用場(chǎng)合進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定[1]。承壓設(shè)備插入式接管角焊縫在焊接過(guò)程中的焊接質(zhì)量受多重因素的影響，焊縫結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)有部分制造缺陷，如未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等；另一方面，承壓設(shè)備在運(yùn)行中，焊縫內(nèi)部也可能產(chǎn)生危害性缺陷，如橫向裂紋、縱向裂紋等[2]。因此，有必要對(duì)承壓設(shè)備插入式接管角焊縫進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，防止危害性缺陷對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成影響。

目前，在壓力容器的定期檢驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)插入式接管角焊縫一般進(jìn)行表面檢測(cè)，埋藏缺陷的超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)未能普及，從而為設(shè)備的安全運(yùn)行埋下了隱患[3]。常規(guī)A型超聲在檢測(cè)插入式接管角焊縫時(shí)主要存在以下難點(diǎn)：① 缺陷波識(shí)別難度大，干擾回波較多；② 缺陷定位困難；③ 工藝復(fù)雜，需要較多的操作經(jīng)驗(yàn)。超聲相控陣技術(shù)采用多通道、多晶片技術(shù)檢測(cè)，可對(duì)缺陷進(jìn)行成像，并能進(jìn)行精確定位與測(cè)量，具有檢測(cè)效率高、漏檢率低、靈活性好、成像方式多等優(yōu)點(diǎn)[4]。

筆者采用CIVA軟件仿真了針對(duì)插入式接管角焊縫的相控陣檢測(cè)工藝，并與模擬試管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，為承壓設(shè)備插入式接管角焊縫的內(nèi)部缺陷檢測(cè)提供了參考。

1 CIVA軟件仿真

1.1 CIVA建模

根據(jù)GB 150.3-2011標(biāo)準(zhǔn)附錄D中規(guī)定的全焊透T型接頭尺寸進(jìn)行建模，選取規(guī)格為168 mm×10 mm(外徑×壁厚)的接管，殼體厚為30 mm，V型坡口，焊縫中包含未焊透、未熔合、氣孔、夾渣、裂紋等常見(jiàn)缺陷，模型尺寸如圖1所示。

圖1 CIVA模型尺寸示意

CIVA三維模型如圖2所示，三維模型中的6個(gè)人工缺陷沿圓周360°均布，其中：未焊透采用多面缺陷模型進(jìn)行仿真，包含4個(gè)矩形反射面；坡口未熔合模型采用單個(gè)矩形反射面進(jìn)行設(shè)置；氣孔采用球形缺陷模型進(jìn)行設(shè)置；夾渣采用圓柱形夾渣專用模型進(jìn)行設(shè)置；裂紋分為坡口側(cè)和接管側(cè)，均采用多面缺陷模型進(jìn)行設(shè)置，缺陷設(shè)置過(guò)程中的具體尺寸與設(shè)計(jì)圖紙中的相同，確保后期能與模擬試塊的檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)分析。

圖2 CIVA三維模型

1.2 檢測(cè)工藝設(shè)置

選用一維線性陣列相控陣探頭，陣元數(shù)n=32，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(dòng)窗長(zhǎng)度A=n×e+g×(n-1)=15.9 mm，探頭頻率為5 MHz，-6 dB帶寬為60%，采用橫波折射角為55°的楔塊。采用扇型掃查，扇掃角度為34°～74°，扇掃步進(jìn)為0.5°，采用一次波和二次波同時(shí)覆蓋進(jìn)行掃查，探頭前沿距離焊縫邊緣30 mm，CIVA模型檢測(cè)工藝設(shè)置如圖3所示。

圖3 CIVA模型檢測(cè)工藝設(shè)置

從圖3可以看出，一次波覆蓋焊縫中下部，二次波覆蓋焊縫上部，可以實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部全覆蓋，針對(duì)插入式接管角焊縫設(shè)置的檢測(cè)工藝合理有效。

1.3 聲場(chǎng)計(jì)算

聲場(chǎng)的強(qiáng)弱代表相控陣檢測(cè)能量的大小，對(duì)需要重點(diǎn)檢測(cè)的部位,要求能量較高且集中，才能確保缺陷響應(yīng)效果好。故，針對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行聲場(chǎng)能量計(jì)算，計(jì)算過(guò)程不考慮波形轉(zhuǎn)換，僅計(jì)算橫波聲場(chǎng)。

一次波、二次波聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分別如圖4，5所示，從計(jì)算結(jié)果可以看出，所選擇的相控陣探頭聲束能量集中，一次波-6 dB聲場(chǎng)范圍能完全覆蓋焊縫下部，二次波-6 dB聲場(chǎng)范圍能完全覆蓋焊縫中上部，但聲場(chǎng)能量弱于一次波，兩者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)部的全覆蓋。

圖4 一次波聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖5 二次波聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

1.4 缺陷響應(yīng)

采用經(jīng)過(guò)聲場(chǎng)覆蓋驗(yàn)證的檢測(cè)工藝對(duì)CIVA三維模型進(jìn)行沿焊縫相控陣C掃成像，并對(duì)回波波形進(jìn)行成分分析，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真過(guò)程不考慮波形轉(zhuǎn)換，僅計(jì)算橫波聲場(chǎng)缺陷的響應(yīng)結(jié)果。

1.4.1 未焊透模擬檢測(cè)結(jié)果

未焊透缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，未焊透缺陷回波較整個(gè)C掃中的最高回波低15 dB，扇掃圖中回波信號(hào)較為雜亂，這是由于未焊透具有多個(gè)反射面，同時(shí)對(duì)兩個(gè)回波較大信號(hào)進(jìn)行成分分析，回波1的波形成分分析如表1所示。

圖6 未焊透缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

表1 未焊透缺陷檢測(cè)波形成分分析

根據(jù)成分分析可知，回波信號(hào)1的組成成分主要是二次波，夾雜小部分一次波和其他波形。

1.4.2 未熔合模擬檢測(cè)結(jié)果

未熔合缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，坡口未熔合缺陷在整個(gè)C掃中具有最高波，且扇掃結(jié)果信噪比較高，波形信號(hào)較為單一，這是由于坡口未熔合基本與二次波主聲束呈90°，且未熔合缺陷定位較為準(zhǔn)確，波形分析見(jiàn)表2。

圖7 未熔合缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

表2 未熔合缺陷檢測(cè)波形成分分析

根據(jù)成分分析可知，未熔合回波信號(hào)較為單一，均為二次波信號(hào)，成分越單一的波形信號(hào)，對(duì)缺陷的定量和定位越有利。

1.4.3 氣孔模擬檢測(cè)結(jié)果

氣孔缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，氣孔檢測(cè)結(jié)果信噪比較高，氣孔缺陷回波較整個(gè)C掃中的最高回波低24 dB，波形成分分析見(jiàn)表3。

表3 氣孔缺陷檢測(cè)波形成分分析

圖8 氣孔缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，氣孔回波信號(hào)成分主要為一次波和二次波，二次波占比較大。

1.4.4 夾渣模擬檢測(cè)結(jié)果

夾渣缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖9所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，夾渣檢測(cè)結(jié)果信噪比較高，夾渣缺陷回波較整個(gè)C掃中的最高回波低11 dB，由于夾渣所處的位置，同時(shí)被一次波和二次波檢測(cè)到，波形成分分析見(jiàn)表4。

表4 夾渣缺陷檢測(cè)波形成分分析

圖9 夾渣缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)成份分析可知，夾渣回波信號(hào)主要為一次波和二次波成分，一次波占比較大。

1.4.5 坡口裂紋模擬檢測(cè)結(jié)果

坡口裂紋缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，坡口裂紋檢測(cè)結(jié)果信噪比較高，回波較整個(gè)C掃中的最高回波低21 dB，波形成分分析見(jiàn)表5。

表5 坡口裂紋缺陷檢測(cè)波形成分分析

圖10 坡口裂紋缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，坡口裂紋回波信號(hào)較為單一，均為二次波信號(hào)。

1.4.6 接管側(cè)裂紋模擬檢測(cè)結(jié)果接管側(cè)裂紋缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，接管側(cè)裂紋檢測(cè)結(jié)果信噪比較高，但回波較弱，是整個(gè)C掃中信號(hào)最弱的缺陷，比最高波低28 dB，原因是接管側(cè)裂紋走向?yàn)樨Q直方向，與二次波波束方向夾角較小，反射信號(hào)最弱，波形成分分析見(jiàn)表6。

表6 接管側(cè)裂紋缺陷檢測(cè)波形成分分析

圖11 接管側(cè)裂紋缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)成分分析可知，接管側(cè)裂紋回波信號(hào)僅為微弱的二次波反射信號(hào)，信號(hào)極弱，采用試驗(yàn)的檢測(cè)工藝容易漏檢，需采用其他方法進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，如采用相控陣柔性直探頭進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)，此方法針對(duì)接管側(cè)裂紋具有較高的檢測(cè)靈敏度，因?yàn)槁暿较蚺c缺陷基本呈90°夾角，反射最強(qiáng)。

2 模擬試管檢測(cè)

2.1 檢測(cè)設(shè)置

為了驗(yàn)證檢測(cè)工藝的有效性和CIVA仿真結(jié)果的可靠性，根據(jù)圖1相關(guān)尺寸，加工模擬試管，采用以色列ISONIC 2009相控陣設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，探頭型號(hào)為5L32-0.5×10，楔塊幾何角度為36°,采用直射波及一次反射波扇掃檢測(cè)，探頭前沿距離焊縫邊緣30 mm，采用角焊縫專用掃查器進(jìn)行距離控制，同時(shí)采用角焊縫專用編碼器記錄行走的路程，扇掃角度為34°～74°，掃查步進(jìn)為0.5°，檢測(cè)靈敏度為φ2 mm×40 mm-18 dB，掃查現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示，相控陣掃查探頭實(shí)物如圖13所示。

圖12 插入式接管角焊縫掃查現(xiàn)場(chǎng)

圖13 相控陣掃查探頭實(shí)物

2.2 檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 未焊透掃查結(jié)果

通過(guò)扇掃結(jié)果可以看出，未焊透同時(shí)具有一次波和二次波信號(hào)，略顯雜亂，與CIVA仿真結(jié)果相似度較高，經(jīng)過(guò)測(cè)量，未焊透長(zhǎng)度為17.0 mm，高度為4.1 mm，深度為18.6 mm，波高為99%。未焊透缺陷掃查結(jié)果如圖14所示。

圖14 未焊透缺陷掃查結(jié)果

2.2.2 未熔合掃查結(jié)果

通過(guò)扇掃結(jié)果可以看出，未熔合信號(hào)為二次波信號(hào)，信噪比高，與CIVA仿真結(jié)果相似度極高，經(jīng)過(guò)測(cè)量，未熔合長(zhǎng)度為27.0 mm，高度為4.1 mm，深度為7.1 mm，波高為130%。未熔合缺陷掃查結(jié)果如圖15所示。

圖15 未熔合缺陷掃查結(jié)果

2.2.3 氣孔掃查結(jié)果

通過(guò)扇掃結(jié)果可以看出，氣孔信號(hào)為一次波信號(hào)，信噪比較高，與CIVA仿真結(jié)果相似度高，經(jīng)過(guò)測(cè)量，氣孔當(dāng)量為φ3.3 mm，深度為18.7 mm，波高為90%。氣孔掃查結(jié)果如圖16所示。

圖16 氣孔缺陷掃查結(jié)果

2.2.4 夾渣掃查結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)量，夾渣長(zhǎng)度為14.0 mm，高度為3.3 mm，深度為19.2 mm，波高為102%。夾渣缺陷掃查結(jié)果如圖17所示。

圖17 夾渣缺陷掃查結(jié)果

2.2.5 坡口裂紋掃查結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)量，坡口裂紋長(zhǎng)度為13.5 mm，高度為4.6 mm，深度為16.6 mm，波高為130%。坡口裂紋缺陷掃查結(jié)果如圖18所示。

圖18 坡口裂紋缺陷掃查結(jié)果

2.3 比對(duì)研究

參考NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分:超聲檢測(cè)》中6 dB法測(cè)量缺陷長(zhǎng)度，對(duì)CIVA仿真結(jié)果中的缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量，并與模擬試管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 CIVA仿真與模擬試管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

從比對(duì)結(jié)果可以看出：① 接管側(cè)裂紋在模擬試管檢測(cè)中未檢出，且CIVA仿真中回波波高也最低，僅為2%，因此在實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要增加其他方法進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，例如采用相控陣柔性直探頭進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)；② CIVA仿真中回波波高與模擬試管檢測(cè)的回波波高具有一定的相似規(guī)律，回波從高到低：未熔合回波波高>夾渣回波波高>未焊透回波波高>坡口裂紋回波波高>氣孔回波波高>接管側(cè)裂紋回波波高，但由于仿真和實(shí)際存在一定的差異，實(shí)際檢測(cè)中坡口裂紋存在較高回波，可能是在試管加工中預(yù)制裂紋時(shí),生成了與相控陣聲束呈90°夾角的反射面；③ CIVA仿真測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)誤差較小，其中深度最接近實(shí)際值，長(zhǎng)度和高度由于采用6 dB法，存在一定的誤差，但可接受，分析原因?yàn)镃IVA仿真預(yù)埋的是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則反射體，且?guī)缀纬叽缤耆珳?zhǔn)確；④ 模擬試管檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定誤差，對(duì)于長(zhǎng)度的測(cè)量還是較為準(zhǔn)確的，這體現(xiàn)出了相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同樣采用6 dB法測(cè)高則誤差較大，深度方面的誤差一部分原因是試管加工過(guò)程中存在一定的偏差，模擬試管加工的精度直接影響著相控陣檢測(cè)結(jié)果的誤差大小。

3 結(jié)論

針對(duì)承壓設(shè)備插入式接管角焊縫普通超聲檢測(cè)存在的難點(diǎn)，提出了超聲相控陣檢測(cè)工藝。通過(guò)CIVA仿真模擬了檢測(cè)工藝，分析了波形信號(hào)成分，并加工了模擬試管，運(yùn)用CIVA仿真計(jì)算的工藝進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)對(duì)CIVA仿真的測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析。結(jié)果表明：相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)此類結(jié)構(gòu)具有良好的檢測(cè)效果，驗(yàn)證了工藝的有效性，可為此類結(jié)構(gòu)的相控陣檢測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)。值得注意的是，試驗(yàn)是基于假設(shè)容器直徑較大，近似為平面進(jìn)行的，因此未考慮不同掃查位置因焊縫橫截面變化導(dǎo)致的缺陷定位問(wèn)題，以及聲束對(duì)缺陷的覆蓋角度變化問(wèn)題，解決此類問(wèn)題需要采用專用多自由度接管焊縫掃查器與專用插入式角焊縫模塊計(jì)算軟件，根據(jù)探頭實(shí)時(shí)位置對(duì)缺陷進(jìn)行修正并準(zhǔn)確定位。