相控陣超聲檢測技術在管道對接焊縫中的應用研究

顧艷紅

摘 要：焊接管道作為介質輸送通道在工業場景中被大量使用。焊接管道焊縫缺陷隱患排查通常采用超聲檢測和射線檢測方法進行，由于被檢管件材質及規格尺寸、檢修工期、現場輻射防護、探頭可放置及移動位置等多方面的原因，射線和常規超聲等傳統無損檢測手段在設備檢修階段的使用受到了一定的限制。相控陣超聲檢測技術具有掃查速度快、靈活性好、聲束掃查可靠性高、缺陷檢出率高以及檢測結果成像直觀、不涉及人員輻射防護等優點。本文主要通過CIVA仿真軟件進行缺陷仿真模擬，并制備對應試件進行實物驗證。

關鍵詞：焊縫;相控陣超聲;CIVA

1.引言

焊接管道作為介質輸送通道廣泛應用于工業領域中設備中，大量焊接管道在高振動水平的惡劣狀況下運行并且傳輸介質包括汽水、腐蝕物等危險介質。長期運行中，焊接管道焊縫等危險截面會存在很大的安全隱患，易使管道插套焊的焊縫產生疲勞裂紋;同時流體加速腐蝕（FAC）也會對管道的焊接接頭造成影響，最終導致其泄露，進而引發設備停運，給設備的安全運行帶來巨大威脅。

現今各類管道焊接接頭內部缺陷的檢測通常采用膠片法射線或常規超聲等傳統無損檢測手段。由于被檢管件材質及規格尺寸、檢修工期、現場輻射防護、探頭可放置及移動位置等多方面的原因，膠片法射線和常規超聲等傳統無損檢測手段在機組大修階段的使用受到了一定的限制。

相控陣超聲技術通過軟件的方式控制探頭中各晶片聲波發射或接收的時間延遲，改變各晶片發射或接收聲波到達工件某一位置時的相位關系，實現聲束的偏轉和聚焦，聲波信號接收后經過分析處理最終完成超聲成像的檢測技術。相控陣超聲檢測技術在檢測速度、現場輻射防護、檢測時間窗口、面積型缺陷檢出等方面有很大優勢。近幾年來，隨著計算機硬件和軟件技術的發展，相控陣超聲檢測儀器產品也越來越豐富，特別是便攜式相控陣超聲檢測儀的出現，使得相控陣超聲檢測技術在工業領域的應用越來越廣泛。

2.模擬仿真

本文通過CIVA仿真軟件對管道對接焊縫中常見的夾雜、裂紋、未熔合等缺陷類型進行模擬仿真。該軟件可內置超聲模塊，此模塊主要包括聲場計算和缺陷響應兩大功能，能根據模擬需求，設置不同類型不同規格的工件，并根據需要設置不同部位的缺陷，還可以根據實際需求設置任意規格的探頭、楔塊組合，設置合適的聚焦法則、探頭放置位置和移動軌跡，通過不斷試驗最終研發出適用于被檢管徑的相控陣超聲檢測工藝。

（1）模擬工件：

本次仿真模擬的工件規格如下所示：

①管徑38mm，壁厚3mm的管材的對接環焊縫;

②管徑60mm，壁厚7mm的管材的對接環焊縫。

（2）仿真結果：

①管徑38mm，壁厚3mm的管材的對接環焊縫仿真時設置了層間未熔合、夾渣和未焊透3類缺陷，仿真結果如下：

從如上直徑60mm壁厚7mm管件對接焊縫仿真結果可以得出：在設定管件對接焊縫中設置的不同類型缺陷都能被順利檢出。由于設定的管件壁厚較薄，本次仿真主要選用的二次波和三次波。

②管徑60mm，壁厚7mm的管材的對接環焊縫仿真時設置了裂紋、未焊透和夾渣缺陷，仿真結果如下：

從如上直徑60mm壁厚7mm管件對接焊縫仿真結果可以得出：在設定管件對接焊縫中設置的不同類型缺陷都能被順利檢出。在對該規格管件進行仿真時，主要采用一次波和二次波，同時由于該管件壁厚相對較大，探頭并非緊貼著焊縫邊緣進行檢測仿真，而是需要根據仿真計算得到軸向距離放置探頭，以此確保管件焊接接頭區域被完整覆蓋，在必要時，也可通過調整探頭位置，進行管件焊接接頭局部區域的檢測仿真。

從上述仿真結果我們可以看出，相控陣超聲檢測技術能順利檢測出不同管徑和壁厚管材對接焊縫中的不同類型缺陷，缺陷聲波反應信號清晰可辨識，相控陣超聲檢測技術在管材對接焊縫無損檢測中的應用是可行的。

3.試件檢測

（1）試件規格

為了對仿真結果進行驗證，按照仿真管材工件的規格，我們制作了如下檢測試件：

（2）試件檢測結果

對試件的檢測我們采用了射線檢測和相控陣超聲檢測兩種檢測方法，通過傳統的射線檢測方法對縣孔鎮超聲波檢測的結果進行驗證，從而充分論證相控陣超聲檢測技術檢測結果的可靠性，具體檢測結果如下：

②試件1檢測結果

試件1的規格為直徑38mm壁厚3mm，在試件1管件對接焊縫成形時設置了未焊透和夾雜2處缺陷，檢測結果如下：

圖5和圖6設計缺陷未焊透，相控陣檢測中，A側、B側兩側缺陷反射信號明顯，缺陷實際測量尺寸與射線檢測尺寸和設計尺寸相當，缺陷兩側反射信號當量相當。

圖7和圖8 設計缺陷夾渣，相控陣檢測中，A側、B側兩側缺陷反射信號明顯，缺陷實際測量尺寸與射線檢測尺寸相當，缺陷兩側檢測深度相當，缺陷當量相當。

圖9和圖10設計缺陷氣孔，相控陣檢測中，A側、B側兩側缺陷反射信號當量低，缺陷兩側檢測深度相當，缺陷實測尺寸與射線檢測尺寸相當。

射線和相控陣超聲檢測對比如下表：

②試件2檢測結果

試件2的規格為直徑60mm壁厚7mm，在試件2管件對接焊縫成形時設置了根部裂紋、未熔合和夾雜3處缺陷，檢測結果如下：

圖11和圖12未熔合（人工缺陷）射線檢測長度與相控陣檢測長度相當，但A側與B側檢測缺陷反射當量相差比較大。

圖13和圖14夾渣（人工缺陷），設計尺寸比射線檢測尺寸及相控陣檢測尺寸相當，A側與B側檢測缺陷反射當量幾乎無差別。

圖15和圖16設計缺陷裂紋，在圖譜中不易分辨，但用人工掃查中可以清晰顯示，利用6dB測長法比設計尺寸長。

射線和相控陣超聲檢測對比如下表：

4.結論

1）通過CIVA仿真模擬，不同規格管件對接焊縫中設置的不同類型的缺陷，均能順利檢測出，缺陷聲波響應信號清晰可辨;

2）根據CIVA仿真結果制備的對應的不同規格管件對接焊縫成形過程中設置的不同類型的缺陷，均能順利檢測出，缺陷聲波響應信號清晰可辨;

3）CIVA仿真模擬和對應試件的檢測結果基本一致;

4）不同規格管件對接焊縫成形過程中設置的不同類型的缺陷相控陣超聲檢測的結果與其對應的射線檢測結果基本一致;

通過初步研究可知，相控陣超聲檢測技術應用在管件對接焊縫的檢測中是可行的。隨著相控陣超聲檢測技術的不斷發展，其在管道對接焊縫檢測中將有更廣闊的應用前景。

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