雙相不銹鋼鋼管對接環焊縫的相控陣超聲檢測

張 健，金 磊，田昌柱，劉 馳

(1.中興海陸工程有限公司，大連 116000；2.無錫市毅恒工程檢測有限公司，無錫 214086)

近年來，微電子和計算機技術飛速發展，促成了集相控陣信號產生、數據處理、顯示和分析等功能于一體的相控陣儀器的發展。隨著國內外(美國ASME、國際標準ISO以及中國GB和NB)相控陣超聲檢測標準的完善，相控陣超聲檢測已廣泛應用于海工、船舶、航空航天、石油化工、火電、核電等行業。

在設計時，對于FPSO(海上油氣工廠)上建模塊中材料為A790-S31803，規格為610 mm×46 mm(直徑×壁厚)的管線環焊縫，需要進行射線檢測。由于射線具有電離輻射，對檢測人員的人身安全危害嚴重，故在管線合攏組裝的過程中，不能實現射線檢測中心曝光，從而降低了射線檢測效率，影響項目進度。因此，承建方、檢測公司、業主和監造方進行協商后，建議采用相控陣超聲檢測代替射線檢測進行現場檢測。在實施相控陣超聲檢測前，需要使用帶缺陷的模擬試塊進行校準，以確定檢測結果的可靠性。

1 試樣的制作

試樣包括靈敏度對比試塊和用于驗證的人工缺陷模擬試管。

1.1 靈敏度對比試塊的制作

按照標準ASME BPVC.V-2019 《鍋爐及壓力容器規范第V卷 無損檢測》第4章焊縫超聲波檢驗方法中校準試塊的要求，筆者加工了2種靈敏度對比試塊(見圖1)。如圖1(a)所示，在原材料上加工長橫孔反射體，制作原材料靈敏度對比試塊，用于楔塊延遲的校準。如圖1(b)所示，按照焊接工藝焊接后進行切割，制作帶有焊縫的長橫孔和刻槽的靈敏度對比試塊，用于靈敏度校準和TCG(時間校正增益)曲線的制作等。反射體(長橫孔和刻槽)的詳細參數如表1所示(表中T為試件厚度)。

圖1 靈敏度對比試塊實物

表1 靈敏度對比試塊人工缺陷參數

1.2 模擬試管的制作

人工缺陷模擬試管采用切除對比試塊后的余料制作，依據ASME BPVC.V-2019 第4章——強制性附錄IX缺陷定量和分類的規程評定要求，確定缺陷的數量和位置。為了確定單面單側掃查工藝的可行性，在人工缺陷模擬試管上共制作了2組人工缺陷(共6個)，分別為上表面缺陷2個、內部缺陷3個以及根部缺陷1個，人工缺陷模擬試管實物如圖2所示。

圖2 人工缺陷模擬試管實物

依據ASME BPVC.V-2019第4章——強制性附錄IX的要求，計算每個缺陷的長度及高度(表面及近表面缺陷按照長高比系數為0.25計算，焊縫內部缺陷按照長高比系數為0.5計算)，人工缺陷模擬試管詳細參數如表2所示,其結構如圖3所示。

圖3 人工模擬缺陷試管結構示意

表2 模擬試管人工缺陷參數 mm

2 人工缺陷模擬試管上表面和根部缺陷的檢測

2.1 探頭

采用奧林巴斯A26線性和A17、A27矩陣相控

2.2 上表面缺陷的檢測

對于上表面刻槽，主要是利用爬波檢測，設置檢測角度為78°～83°。爬波是縱波從第一種介質中以第一臨界角附近(±30′以內)的角度進入第二種介質時，在第二種介質中產生的沿介質表面下一定距離，在橫波和表面縱波之間傳播的峰值波。上表面缺陷檢測時，將不同類型的探頭與楔塊進行組合，以觀察檢測效果，其檢測現場示例如圖4所示。

表3 探頭參數

圖4 上表面缺陷的檢測現場示例

將探頭與楔塊組合后，將探頭對準上表面刻槽，前后移動探頭，使最高波幅達到滿屏幕的80%，并記錄此時探頭前沿至上表面刻槽的距離。然后后移探頭，波幅緩慢降低，當最高波幅降至滿屏幕的20%時，記錄此時探頭前沿至上表面刻槽的距離，檢測結果如表4所示。

由表4可知，A27+DNCR探頭與楔塊組合所產生波束移動距離最遠，A17+DN55L0組合效果次之，A26+DN55L-FD40-SS組合效果最差。

表4 上表面缺陷的檢測結果 mm

2.3 根部缺陷的檢測

對于根部缺陷，主要利用一次縱波檢測，設置檢測角度為37°50°，使根部刻槽信號達到滿屏的80%。儀器和探頭組合后顯示的基準靈敏度：A26探頭的基準靈敏度為36 dB;A27探頭的基準靈敏度為61 dB;A17探頭的基準靈敏度為51.5 dB。在基準靈敏度下，A26探頭的噪聲信號幅度為5%，A27探頭的噪聲信號幅度約為7%，而A17探頭的噪聲信號幅度約為15%，根部缺陷的檢測結果如圖5所示。A26探頭為線性探頭，且晶片尺寸比其他兩種探頭的大，發射能量大，因此對同一位置的反射體進行檢測時，基準靈敏度最低。A17探頭雖然基準靈敏度低，但是檢測頻率為2.25 MHz,導致根部刻槽和根部余高信號融合在一起，成為一個脈沖寬度很寬的脈沖信號，且噪聲信號幅度最高。檢測結果表明，根部刻槽的檢測效果A26探頭最優，A27探頭次之，A17探頭最差。

從以上檢測結果可以看出，對人工缺陷試管的上表面缺陷應采用A27+DNCR組合進行檢測，而對焊縫根部，應采用A26+DN55L-FD40-SS組合進行檢測。

3 相控陣超聲檢測方案

對材料為A790-S31803的管線環焊縫進行相控陣檢測時，可采用分區設置,分區檢測具有以下優勢。

(1) 針對不同檢測位置，設置不同的聚焦法則，以獲得良好的檢測能力，針對上、下表面的檢測采用深度聚焦，而對焊縫內部檢測采用聲程聚焦。

(2) 在實際檢測過程中，偏轉角度越大，較深反射體的調節越困難。分區檢測時應對較深部位采用較小角度進行檢測，以避免大偏轉角度調節較深反射體的難度。

對于不同分區的設置，TCG校準不同位置人工反射體信號及反射體測量位置如圖6所示。

圖6 不同位置人工反射體信號及反射體測量位置

4 檢測結果

為了驗證檢測效果，對圖3所示的人工缺陷試管，采用以下3種方法分別實施檢測:常規超聲縱波斜入射檢測;射線檢測;相控陣超聲檢測。在相控陣超聲檢測時，實施兩種檢測方案，一種是在焊縫兩側掃查，模擬單面雙側檢測；另一種是為了驗證單面單側檢測效果，實施單側直管側掃查+焊縫中心兩個方向的掃查。

4.1 上表面刻槽檢測結果

1#人工缺陷為垂直于工件的上表面刻槽；2#人工缺陷為平行于坡口面的上表面刻槽，傾斜角度為15°±2°，兩種人工缺陷模擬的都是焊縫上表面裂紋，其檢測結果如下。

(1) 常規超聲縱波斜探頭檢測，沒發現任何信號。

(2) 射線檢測可以清晰發現缺陷，其結果如圖7所示。

圖7 1#和2#缺陷的射線檢測結果

(3) 相控陣超聲技術檢測。在焊縫兩側掃查時，由于焊縫蓋帽寬度為38～40 mm，A27+DNCR相控陣超聲設備組合對上表面深度的檢測能力約為19 mm，因此只能發現探頭側缺陷，不能發現探頭對側焊縫的上表面刻槽缺陷，1#缺陷顯示波幅約為95%，而2#缺陷顯示波幅約為60%，2#缺陷上表面刻槽波幅降低主要是因為該刻槽是平行坡口面，焊縫兩側掃查結果如圖8所示。

圖8 焊縫兩側掃查結果(上表面刻槽)

把焊縫蓋帽磨平后，在焊縫中心采用A27+DNCR設備組合掃查時，可以發現焊縫邊緣刻槽信號，1#刻槽波幅高度約為40%，2#刻槽波幅高度約為25%，其結果如圖9所示。因此在焊縫中心檢測時，需要仔細辨別超過20%波幅的上表面信號，必要時需要輔助表面檢測方法加以驗證。

圖9 焊縫中心掃查結果(上表面刻槽)

4.2 坡口未熔合檢測結果

3#和5#人工缺陷分別位于焊縫兩側坡口熔合線處，且為上、下兩個不同區域，檢測結果如下。

(1) 采用常規超聲縱波斜探頭檢測，在焊縫蓋帽沒有磨平時，臨近上表面的3#缺陷無法檢出；用45°縱波和60°縱波斜探頭均可在焊縫兩側檢出位于焊縫中下部位的5#缺陷， 45°縱波斜探頭檢測的最高波幅為SL+0.5 dB，60°縱波斜探頭檢測的最高波幅為SL+6.3 dB。將焊縫余高磨平后，使用縱波45°斜探頭騎在焊縫上掃查時，可以在其對側發現3#缺陷，波幅為SL+3.2 dB，檢測結果如圖10所示。

圖10 3#和5#缺陷常規超聲檢測結果

(2) 采用射線檢測可以發現兩個缺陷，其結果如圖11所示。

圖11 3#和5#缺陷射線檢測結果

(3) 相控陣超聲采用A27+DNCR設備組合進行檢測，3#人工缺陷位于坡口熔合線靠近上表面的位置，因此探頭位于缺陷對側檢測時波幅高，而在缺陷側檢測時波幅低，這是由于相控陣大角度偏轉角在缺陷對側檢測時，缺陷與大角度波束接近垂直，而在缺陷側檢測時，波束入射與缺陷有較大的傾角，因此3#人工缺陷對側波幅為156%，而缺陷側波幅為40%；5#人工缺陷位于坡口熔合線靠近焊縫根部的位置，在焊縫兩側掃查均可得到滿意的檢測結果，缺陷側波幅高度為88%，對側波幅高度為249%，檢測結果如圖12所示。

為了驗證單側檢測結果，焊縫余高磨平后，在焊縫中心用A27+DNCR設備組合檢測后發現，3#人工缺陷波幅為250%，5#人工缺陷波幅為94%，此次檢測波幅高度均高于人工缺陷側的波幅，且檢測信號的位置也處于坡口融合線的位置，更容易對缺陷定性(見圖12)。

圖12 A27+DNCR組合的缺陷檢測結果

針對焊縫中下部5#人工缺陷的檢測效果，也采用A26+DN55L-FD40-SS組合，使用與A27+DNCR組合相同的聚焦法則在焊縫兩側檢測，檢測結果表明，5#人工缺陷對側波幅為250%，5#人工缺陷側波幅為94%，波幅均高于A27+DNCR組合的檢測效果。A26+DN55L-FD40-SS設備組合的檢測結果如圖13所示。

圖13 A26+DN55L-FD40-SS組合的缺陷檢測結果

4.3 焊縫中夾渣物檢測結果

4#人工缺陷為內部夾渣，位于焊縫中心位置，其檢測結果如下。

(1) 常規超聲縱波斜探頭檢測，只有采用60°縱波探頭檢測時能夠發現，在焊縫一側采用60°縱波進行檢測，缺陷波幅高度為SL-10.4 dB，而在另一側無法檢出，檢測結果如圖14所示。

圖14 4#缺陷常規超聲波檢測結果

(2) 4#缺陷射線檢測結果如圖15所示。

圖15 4#缺陷射線檢測結果

(3) 相控陣超聲檢測。4#人工缺陷預埋藏深度約為20 mm。A27+DNCR在兩側均能發現該缺陷，其最高波幅為41%，另一側波幅為27%其檢測結果，這是由于缺陷傾角會導致波幅低，如圖16所示；而使用A26+DN55L-FD40-SS設備組合檢測后發現，缺陷最高波幅為30%，結果如圖17所示。比較兩種規格探頭的檢測結果可知，A27+DNCR設備組合檢測波幅高度略高，因此A26探頭在該區域的檢測能力低于A27探頭的。

圖16 4#缺陷的A27+DNCR檢測結果

圖17 4#缺陷的A26+DN55L-FD40-SS檢測結果

4.4 根部刻槽檢測結果

6#人工缺陷為根部刻槽，其檢測結果如下。

(1) 常規超聲縱波斜探頭檢測，采用縱波45°斜探頭在焊縫兩側均能發現該缺陷，表現為一個刻槽和根部融合在一起的脈沖寬度較寬的反射信號，焊縫兩側的檢測波幅分別為SL-3.2dB和SL+1.8 dB，檢測結果如圖18所示。

圖18 6#缺陷常規超聲波檢測結果

(2) 6#缺陷射線檢測結果如圖19所示。

圖19 6#缺陷射線檢測結果

(3) 相控陣超聲檢測。A27+DNCR組合在焊縫兩側均能發現該缺陷，且有較好的顯示效果，檢測波幅分別為55%和91%，其結果如圖20所示；A26+DN55L-FD40-SS組合也能區分根部刻槽和余高反射體信號，檢測波幅為61%和185%，其結果如圖21所示。

圖20 6#缺陷的A27+DNCR檢測結果

圖21 6#缺陷的A26+DN55L-FD40-SS檢測結果

5 檢測結果分析

(1) 綜合比較A27+DNCR組合和A26+DN55L-FD40-SS組合的檢測效果，矩陣探頭A27+DNCR組合主要針對厚度小于30 mm部位的檢測，且可在大偏轉角時產生爬波以檢測表面缺陷；而線性探頭A26+DN55L-FD40-SS組合主要針對厚度大于30 mm部位的檢測，檢測焊縫根部缺陷時有較高的信噪比和分辨力。

(2) 現場對接形式主要為直管與直管對接或直管與部件(法蘭、三通或彎頭)對接。當直管與部件對接時，若部件側滿足探頭掃查空間要求，則可采用直管與直管對接的檢測工藝進行單面雙側檢測，檢測現場如圖22所示。

圖22 直管與構件對接檢測現場

(3) 當直管與部件對接，部件側部分位置不滿足掃查空間的要求(檢測現場見圖23)。此時除了在直管側掃查外，還應把此位置的焊縫余高磨平，在焊縫中心做正反兩次掃查。在對檢測圖譜進行分析時，以直管側掃查為主；對焊縫中心掃查時發現的可疑位置，需要補充其他方法對表面進行檢測，比如增加陣列渦流或其他表面檢測方案；對剩余滿足掃查空間要求的位置，則同樣執行單面雙側檢測。

圖23 直管與部件對接焊縫檢測現場(掃查受限)

6 結語

采用相控陣超聲技術對材料為A790-S31803規格為φ610 mm×46 mm的管線環焊縫進行檢測，檢測結果表明，其具有以下優勢。

(1) 相控陣超聲具有良好的缺陷檢測能力，缺陷顯示直觀、重復性好，且能夠較準確提供缺陷的長度、深度和高度等信息。

(2) 完成規格為φ610 mm×46 mm管線對接環焊縫的檢測用時約30 min，射線檢測則需要約792 min(以剛出廠Ir192，能量為100 Ci，采用雙壁單影透照測算)，相比之下，相控陣超聲檢測提高了檢測效率。

(3) 相控陣超聲檢測不產生輻射，不妨礙其他工種的現場施工，提高了生產效率。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測技術優秀論文評選”活動優秀獎。