先進超聲檢測技術在管道對接焊縫中的應用

李 健,任 濤,鄭 健,李 真,張志紅

1.河北中躍檢驗檢測有限公司,河北廊坊 065000

2.國家石油天然氣管網集團有限公司建設項目管理分公司,河北廊坊 065000

長久以來，超聲檢測技術和射線檢測技術都是各行各業最為重要且常用的兩種檢測手段，而超聲檢測技術則因其無電離輻射的特點，應用方式更為靈活，技術發展也更加多樣化。從管道對接焊縫的超聲檢測發展進程來看，也充分展現了這一特點，從傳統的常規超聲檢測開始，到自動焊接技術引入的全自動超聲檢測（AUT）技術，再到近年來出現的相控陣超聲檢測（PAUT）技術和獨立的衍射時差檢測（TOFD）技術。這些技術雖同屬超聲檢測技術，但3項先進超聲檢測技術的特點卻存在較大差異。大量現場檢測應用及對比驗證表明這幾種先進超聲檢測技術并不能簡單地相互替代。作為管網建設的參與者，無論是檢測、監理還是管理單位，只有充分了解這幾項先進超聲檢測技術的特點，才能夠針對不同的檢測需求，正確地選擇、使用這些先進超聲檢測技術，從而實現管網建設質量的有效提升。

1 技術特點及應用現狀

1.1 AUT技術

全自動超聲檢測（AUT）技術，是由于自動焊接技術的發明及推廣應用[1]，導致原有的常規檢測技術無法滿足其檢測需求，從而得到開發應用的。AUT技術發展至今，無論是基于常規超聲設備，還是基于相控陣超聲設備，其核心技術一直都是采用如圖1所示的分區掃查法[2]。該法的原理是將焊縫沿壁厚方向分成若干個分區（2～3 mm）進行檢測，焊縫左右分成上下游，每個分區又可以設置獨立的超聲檢測工藝，包括發射接收方式、激活孔徑、角度、聚焦深度等參數。其特別適合如CRC型及U型等坡口復雜、坡口角度變化多、填充坡口角度小的自動焊接坡口的檢測。獨立的分區波束設置，可根據坡口角度設置最理想的檢測工藝參數，從而得到準確的缺陷反射波幅，這一點在基于波幅測定長度以及進行驗收的超聲檢測標準中尤為重要。

圖1 分區掃查法示意

在AUT檢測過程中，因其全自動的檢測能力，涉及的設備、裝置較多，需要配備專用的檢測車，通過定制的軌道，將整個掃查裝置固定在軌道上，從而保證探頭距離焊縫中心線的距離不變，再加上其全自動的檢測過程，不需要任何外力輔助，通過馬達驅動單元，設置合理的檢測速度，保證整個檢測過程的連續性。因此，AUT檢測數據的質量穩定性在3種先進的超聲檢測技術中最高。此外，AUT采用雙門帶狀圖的數據顯示方式，能夠快速分析各分區數據結果，但因其檢測技術中包含了體積通道、TOFD通道，整體數據分析內容較多，結合其有分區定義的驗收標準，其數據分析效率在3種先進超聲檢測技術中適中。

在現場實際應用中，從2002年西氣東輸一線開始，AUT技術是幾乎所有管網項目自動焊焊縫所采用的檢測技術，這也印證了其技術特點對于自動焊焊縫缺陷檢測的適用性。與此同時，通過對其分區掃查法的分析可以發現，一旦焊縫進行返修，勢必會破壞原坡口，意味著如有新缺陷產生也與原坡口角度無關，那么AUT針對坡口設置的分區波束角度對于返修產生新缺陷的檢測適用性降低，因此針對返修焊縫，通常先使用AUT進行復檢，以確保缺陷得到清除，再使用PAUT檢測確定返修位置無新缺陷產生。

1.2 PAUT技術

相控陣超聲檢測（PAUT）技術，利用控制晶片的激發延遲[3]，使得波束在空間中干涉疊加，從而實現波束的偏轉、聚焦功能。與AUT一樣，PAUT也是一項可以獨立使用的檢測技術，對于焊縫檢測，其主要掃描方式包括扇形掃描和線性掃描，扇形掃描的特點是存在多個波束角度，檢測覆蓋面積較大，很容易實現檢測區域的全覆蓋，并且不需要太多的激活晶片；線性掃描的特點是波束角度一致，但需要大量的晶片才能實現檢測區域的全覆蓋。圖2對比了同一焊縫扇形掃描和線性掃描的全覆蓋設置，其中實現扇形掃描僅使用了探頭中的16個晶片，而相同覆蓋范圍時線性掃描使用了探頭全部64個晶片（16個晶片1組）。PAUT參數的設置及選擇性較多，其檢測設置存在多樣性，這也是相控陣超聲檢測特點之一，雖然檢測標準中有對檢測設置的基本要求，但仍然給予了檢測工藝制定者很大的自由度，比如掃描方式的選擇、波束角度的范圍、聚焦模式的選擇、聚焦深度的設定等，因此檢測標準中規定了驗證試塊，對檢測工藝的有效性進行單獨驗證。

圖2 扇形掃描和線性掃描覆蓋對比/mm

在PAUT檢測過程中，PAUT設備更為便攜，僅需將探頭楔塊連接到帶有磁性輪的掃查裝置或者導軌上，便可實現半自動檢測。但與AUT檢測相比，無論是磁性輪掃查裝置或是導軌，都需要借助人力推動實現檢測，無法保證檢測全過程的受力一致，容易出現探頭水平位置的變化和耦合狀況的不一致，因此PAUT檢測數據的質量穩定性相對較差。PAUT數據可以顯示為A、B、C、D不同截面的二維視圖，支持在數據中添加焊縫坡口位置作為參考，由于整個視圖包含的信息及信號較多，數據分析時需要利用不同截面的視圖進行綜合評定、測量，其數據分析效率在3種先進超聲檢測技術中適中。

在管網現場檢測應用中，PAUT雖是一項可獨立使用的檢測技術，但其常規的扇形掃描或線性掃描方式、波束角度范圍、聚焦位置設置相對固定，特別是采用脈沖回波模式，很難在小角度坡口產生的缺陷處得到有效的反射回波，因此不適用于坡口角度變化較多、坡口角度小的CRC或U型坡口自動焊接焊縫的檢測。圖3說明了在脈沖回波模式下，若坡口處產生缺陷會形成波束反射情況，圖中有效接收位置與實際接收位置的差異，便會造成接收到反射波幅值的差異。因其具有便攜及工藝靈活的特點，常被用于檢測返修時是否有新缺陷產生，以及檢測單V型坡口的穿越、連頭等手工焊接焊縫。

圖3 小角度坡口脈沖回波檢測問題/mm

1.3 TOFD技術

與AUT和PAUT檢測原理不同，衍射時差檢測（TOFD）技術通過一發一收的探頭配置，能夠接收缺陷尖端形成的衍射信號，如圖4所示。衍射信號不受缺陷走向性的影響，設置工藝時無需考慮波束角度問題，適用于任何坡口形式對接焊縫的檢測。TOFD技術不依據波幅進行缺陷評定，可利用發散的波束，能夠覆蓋很大的檢測范圍，標準要求壁厚50 mm僅需1組TOFD探頭便可以實現檢測區域有效的覆蓋，與AUT和PAUT相比，TOFD的檢測設置最為簡單。但TOFD因始脈沖的周期數以及時差計算的方式，存在上下表面盲區，也無法識別缺陷在焊縫中的水平位置，因此TOFD不能單獨用于完成整個焊縫區域的檢測，需要與其他檢測技術合并使用。

圖4 反射與衍射的傳播路徑

單獨TOFD功能的設備非常便攜，在單獨TOFD檢測過程中，因其探頭楔塊體積相對較小，儀器內部僅需完成1組波束的發射接收，允許的檢測速度最快，受工件表面影響最小。TOFD檢測數據僅需要A、B視圖顯示，數據顯示更加直觀，并且不依賴信號的波幅進行測量，僅需進行延遲校準，將時間校正為深度后，便可利用信號的相位變化實現缺陷高度的精確測量。雖然TOFD檢測為了獲得衍射信號，使用的增益較高，對小缺陷也非常敏感，一定程度上增加了數據分析的難度，但綜合分析，其數據分析效率在3種先進超聲檢測技術中是最高的。

在管網現場檢測應用中，因TOFD存在上下表面盲區，無法單獨檢測使用；但其具有不受缺陷走向性影響、高度精準測量等特點，被強制要求作為AUT檢測中的一部分進行使用；在PAUT檢測標準中，對于壁厚8 mm及以上且結構允許時，同樣強制要求作為PAUT檢測的輔助檢測手段[4]。

2 對比實驗

2.1 實驗方法與實驗結果

因TOFD檢測無法單獨使用（因存在上下表面盲區），且AUT檢測中已包含TOFD技術，而PAUT檢測標準中也要求8 mm及以上壁厚應增加TOFD輔助檢測，因此未對TOFD進行對比實驗。為了直觀地體現AUT和PAUT技術應用特點的不同，實驗時利用圖5所示的22 mm的CRC型坡口AUT對比試塊上的根部 （ROOT）、鈍邊 （LCP）、熱焊（HP1&HP2）、填充（F1～F6）、蓋帽（GAP）目標反射體，進行PAUT檢測實驗。

圖5 AUT對比試塊設計圖/mm

實驗使用相同探頭及楔塊，參考SY∕T 4109—2020檢測標準，利用仿真軟件，分別設置PAUT扇形S掃描和PAUT線性E掃描的檢測工藝，見圖6。表1所示的2組檢測工藝參數均滿足標準的要求，能夠獨立使用AUT檢測對比試塊。

圖6 S掃描和E掃描檢測工藝/mm

表1 PAUT扇形掃描和線性掃描參數設置

按照上述參數，在儀器中分別建立S掃描和E掃描設置文件，并使用相同試塊上?2 mm的橫通孔分別進行TCG校準，校準深度滿足標準要求的2.2T。兩組設置校準完成后，分別增加6 dB表面補償，在掃查裝置上設置正確的探頭水平偏移值，對AUT對比試塊進行檢測，保存檢測數據，并對檢測數據進行分析得到表2中的對比結果。為保證數據結果的有效性，S掃描和E掃描分別按照上述步驟進行2次校準及掃查，并分別記錄各反射體的反射波幅。

表2 S掃描與E掃描檢測數據對比

2.2 實驗結果分析

從填充區目標反射體的實驗結果看，表面的蓋帽槽因形成端角發射，兩種掃描方式接收到的反射波幅均較高，分別對比兩側反射體的平均值最高波幅差異，上游蓋帽槽S掃描波幅平均值（658%）比E掃描波幅平均值（187%）高10.9 dB，下游蓋帽槽S掃描波幅平均值（433.5%）比E掃描波幅平均值（147.5%）高9.4 dB，分析原因為S掃描檢測到蓋帽的角度為45°，此時橫波角度未發生波形轉換，其反射率強，而E掃描檢測到蓋帽的角度為60°，該角度反射率較低，實驗結果驗證了圖8所示的鋼中不同角度橫波的端角反射率；填充6平底孔因貼近上表面，波束實際傳播的串列路徑與發射路徑相近，近似于形成端角反射，因此能夠很好地接收到反射波幅；其他填充1～填充5平底孔發射體，無論是PAUT的S掃描還是E掃描都無法發現填充1區至填充5區的平底孔反射體，而平底孔反射體模擬的側壁未熔合缺陷，正是自動焊中容易出現的缺陷，可見常規的PAUT檢測設置無法滿足填充坡口角度較小的CRC型及U型自動焊坡口的檢測要求。

圖7 AUT對比試塊體積通道反射體/mm

圖8 AUT對比試塊體積通道反射體

從體積通道45°平底孔的檢測實驗可以發現，S掃描和E掃描能夠發現缺陷，但存在波幅差異。對于如圖7所示體積通道的3個相同角度、不同深度的反射體來說，S掃描因波束角度不同，檢測到3個反射體的波束角度均不一致，因此得到的反射波幅差異相對較大，上游3個體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（142.5%）與最低波幅平均值（58.5%）相差7.7 dB，下游3個體積通道反射體S掃描得到的最高波幅平均值（103.5%）與最低波幅平均值（51%）相差6.1 dB。從圖5扇形掃描的掃查計劃圖可以發現，檢測到上方體積通道3的波束角度更接近于45°，因此得到的反射波幅最高；E掃描因波束角度一致，本次實驗設置為60°，因此得到的反射波幅相對一致性較好，上游3個體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（30%）與最低波幅平均值（22%）相差2.7dB，下游3個體積通道反射體E掃描得到的最高波幅平均值（27%）與最低波幅平均值（17%）相差4 dB。

通過對比表2中的PAUT扇形掃描和線性掃描的實驗數據不難發現，雖然兩組設置參數均滿足SY∕T 4109—2020的標準要求，且使用相同的反射體進行了TCG校準，具有相同的檢測靈敏度，但因兩組設置使用的超聲角度不同，對于除填充1～填充5外其他檢測到的反射體，也存在反射波幅不一致的情況，實際檢測時便會造成因設置不同，導致評判結果的不一致。正因這一超聲原理性問題的存在，在ISO 13588—2019相控陣超聲檢測標準中規定[5]，無論采用何種掃描方式，若使用僅基于波幅作為缺陷評判依據時，波束角度與垂直坡口入射角度之間不應大于6°，如此在保證PAUT檢測工藝靈活性的同時，又保證了檢測結果評定的一致性。

3 結束語

通過上述理論分析及實驗驗證可以發現，3種先進無損檢測技術特點及適用范圍存在差異，AUT檢測技術能夠適用于所有坡口形式的檢測，雖然原始檢測工藝對于返修焊縫新產生的缺陷不適用，但從實驗結果來看，因PAUT無法發現小角度坡口面上的缺陷，對于返修后的焊縫還應進行AUT復檢，以確保超標缺陷被返修清除；PAUT檢測技術常規的扇形掃描或線性掃描不適用于坡口角度較小的CRC型或U型坡口檢測，其線性掃描方式因檢測角度一致，在檢測不同深度、相同走向和大小的缺陷時，得到的反射波幅一致性更好，因此當PAUT技術應用于焊縫檢測時，特別是同時使用基于波幅的驗收標準，在滿足波束對檢測區域全覆蓋的標準最低要求時，工藝設計時還應關注波束與坡口所成的角度；TOFD技術對于存在上下尖端信號的缺陷能夠精準地測量其自身高度，尤其對于厚壁工件檢測，具有工藝設置簡單、檢測速度快等特點，但因其存在上下表面盲區，無法單獨使用。因此，在實際管網建設項目中，應根據擬被檢測的對象，針對性地選取合理的先進超聲檢測技術，以避免因檢測技術的不適用而引發爭議，甚至影響工程質量。