基于CIVA仿真的管帽焊縫相控陣超聲檢測工藝

劉禮良，饒耀平，鄧 進，楊 齊

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；2.國家市場監督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029；3.北京燕華工程建設有限公司，北京 102501)

某廠在安裝合成反應器換熱管管帽的過程中，發現其焊縫坡口面處存在未熔合類缺陷，曾采用射線雙壁雙影垂直照射法對現場換熱裝置的端部φ89 mm管帽焊縫進行射線檢測，因管帽局部壁厚較厚且焊縫結構復雜，所以其檢測靈敏度較低且難以得到缺陷的尺寸信息。換熱管材料為S32168，管帽結構檢測位置如圖1所示，重點檢測部位為兩側坡口面(位置1和位置2分別為焊接接頭坡口面，以下稱位置1為側壁坡口，位置2為斜邊坡口)。

圖1 管帽結構檢測位置示意

筆者對焊縫組織進行金相檢驗[1]，并基于金相檢驗結果，分析相控陣超聲檢測工藝[2]，設計并研制了專用楔塊，根據檢測對象設計制作了專用對比試塊，將仿真工藝在模擬試塊上進行檢測，對檢測工藝進一步優化，在實際工件上進一步檢測，以驗證檢測工藝的可行性。

1 相控陣超聲檢測工藝及檢測裝置研制

1.1 焊縫金相檢驗

抽取一個外徑為89 mm，管壁厚度為6 mm，管帽厚度為17 mm的試件進行解剖，觀察焊縫組織結構、晶粒大小及特點，用于指導相控陣仿真[3]與工藝制定。其金相檢驗結果如圖2所示。

圖2 管帽母材焊縫金相檢驗結果

1.2 相控陣檢測工藝仿真分析

對上述規格工件進行建模，焊縫參數與現場實際焊縫坡口一致。經仿真分析，探頭放置在管帽端面上較放置在管壁上的檢測結果更好，仿真得到的工藝參數如表1所示。

表1 管帽端面上探頭仿真工藝參數

將探頭放置在管帽上，采用一次波垂直入射進行相控陣超聲檢測，仿真結果如圖3所示。

圖3 探頭放置在管帽端面處的相控陣超聲檢測仿真結果

從仿真結果可知：① 將相控陣探頭放置在端面不同位置，采用不同角度入射，可使超聲聲束垂直入射于側壁坡口和斜邊坡口，若存在未熔合類面狀缺陷，將會有較好的檢測效果；② 采用該種檢測方式，聲束不僅能完全覆蓋，還可調整儀器和探頭參數，使超聲聲束聚焦于整個坡口面，可更有效地提高缺陷檢出率和缺陷定量精度；③ 從管帽端面檢測，管帽上方有足夠的檢測空間。

1.3 專用楔塊的研制

由仿真分析結果可知，需選用特殊角度的楔塊進行檢測，由于市場上無合適匹配的楔塊，故根據需求通過SolidWorks 3D軟件進行探頭結構設計，確定相關技術參數；加工制作完成后，將楔塊連接探頭進行聲場測試。經多次調試修改，最終確定楔塊聲學參數和結構，其外觀如圖4所示。

圖4 相控陣專用楔塊外觀

1.4 專用對比試塊的研制

根據需求設計對比試塊，檢測針對的主要是側壁及斜邊坡口處未熔合類缺陷，故反射體類型為平底孔比較合理[4]。對比試塊需要在側壁及斜邊坡口的不同位置分別設置φ2,φ3.2,φ4.5 mm平底孔，共設計加工4塊對比試塊，各對比試塊中的平底孔尺寸及位置如表2所示。經加工制作，對比試塊實物如圖5所示。

表2 專用對比試塊平底孔尺寸及位置 mm

圖5 專用對比試塊實物

1.5 專用掃查裝置的研制

管帽結構較為特殊，目前國內外現有的掃查裝置均無法滿足檢測要求，故需研制專用掃查裝置。根據工件特點設計的掃查裝置如圖6所示。

圖6 管帽結構專用掃查裝置

2 試驗驗證及結果分析

試驗所需的儀器和耗材包括：Isonic 2009相控陣超聲檢測主機、相控陣超聲探頭(頻率為7.5 MHz,晶片個數為16)、專用楔塊、專用掃查裝置；CSK-ⅠA試塊、專用對比試塊及模擬試塊。

2.1 對比試塊試驗結果

將仿真得到的相控陣超聲檢測工藝應用在對比試塊上，并采用專用掃查裝置進行調校，檢測結果如圖7所示。

圖7 各對比試塊的相控陣超聲檢測結果

將對比試塊檢測結果進行分析，結果如表3所示。

由表3可知：① 采用該相控陣檢測系統和專用檢測工藝，能夠檢出對比試塊中所有的反射體；② 缺陷當量與實際缺陷尺寸偏差可控制在±0.5 mm以內。

表3 管帽焊縫相控陣檢測數據 mm

對3號對比試塊缺陷進行重復測量，在試驗過程中，探頭位置不變，掃查裝置不拆卸，總共進行了8次試驗，將后面7次試驗結果分別與第1次試驗結果進行對比分析，結果如表4所示。

由表4可知，進行重復測量時，其誤差不大于0.2 mm，重復測量結果基本一致。

表4 3號對比試塊重復試驗與第1次試驗結果對比

每天每次對3號與4號對比試塊進行一次檢測，每天均重新安置掃查裝置，總共進行了7天試驗，將后6天試驗結果與第1天結果進行對比，結果如表5所示。

表5 3,4號對比試塊每天定點試驗與第1天試驗結果對比

由表5可知：① 檢測結果可重復性好；② 定點監測時，當量誤差不大于0.4 mm。

2.2 模擬試塊工藝驗證

采用該相控陣檢測系統和專用檢測工藝[5]對其他管帽焊縫工件(即模擬試塊)進行相控陣檢測，發現2個管帽工件在側壁處存在缺陷。

將第1個管帽工件(缺陷當量為φ1.5 mm)現場解剖(見圖8)。

圖8 第1個管帽模擬試塊解剖現場

將第2個管帽工件(缺陷當量為φ1.5 mm)進行現場解剖(見圖9)。

圖9 第2個管帽模擬試塊解剖現場

3 結語

(1) 采用專用楔塊和掃查裝置的相控陣檢測系統和專門的檢測工藝，在硬件設計和靈敏度設置等重要環節，已盡可能排除了人為因素的影響，可充分保證檢測的可重復性，減小了定量誤差，有效提高了檢測效率。

(2) 采用該相控陣超聲檢測系統及專用相控陣檢測工藝對管帽焊縫側壁和斜邊坡口面未熔合類面狀缺陷檢測具有良好的檢出率及定量精度。

(3) 采用該相控陣超聲檢測系統與專用檢測工藝可解決管帽焊縫的實際檢測需求。