輸水鋼管加勁環半熔透T型焊縫相控陣檢測

萬家瑞，曾建鋒，李兆恒

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2. 廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635)

1 概述

隨著城市化不斷發展，城市供水量逐年增加，長距離輸水工程是解決用水量迅速增加的措施之一，有時會出現長距離輸水管道，長度可達十幾公里乃至幾十公里[1]。長距離的輸水管道，采用的材料主要有：預應力混凝土管、預應力鋼筒混凝土管、鋼管、球墨鑄鐵管及玻璃鋼管[2]。鋼管作為一種應用歷史長、使用范圍廣泛的材料，具有承壓強度高、可靠性好、使用性能強等優點，因此，在有壓輸水工程項目中大量采用鋼管作為主要的輸水管道材料。

鋼管通常采用螺旋焊接與直縫焊接。焊接質量檢測常規方法主要有超聲波檢測、滲透檢測、磁粉檢測、射線檢測、渦流檢測。針對輸水鋼管T型焊縫內部焊接質量一般采用超聲波法進行檢測[3]。

近些年，國內外針對T型焊縫的超聲波檢測開展了廣泛的研究。廖忠佐等[4]采用單晶片斜探頭，通過模擬對比試件中T型焊縫未焊透深度的試驗，提出使用端點法，對組合焊縫未焊透深度進行檢測。鄧德亮等[5]提出使用直探頭在翼板上或短前沿探頭在腹板上探測T型焊縫未熔透區尺寸的方法。劉書宏和盧超[6]結合對稱及非對稱TOFD檢測方法對T形焊縫檢測開展了試驗，結果表明：TOFD檢測技術可對T形焊縫進行全面檢測。然而，常規的超聲波(UT)檢測技術一般采用單晶探頭，聲束發射角度單一，并且聲速角度難以連續變化，易造成缺陷漏檢；TOFD技術使用的是接收衍射波原理，衍射波信號的缺陷識別力較反射波信號的缺陷識別率低。相控陣超聲技術使用的是陣列晶片探頭，探頭尺寸與常規超聲檢測探頭尺寸相同，但聲束發射角度可以調整為一個范圍，在檢測范圍內角度是連續變化的，提高了缺陷檢出率，并且相控陣超聲的檢測聲像清晰，結果顯示直觀，定位準確[7]。

李強等[8]采用相控陣超聲檢測技術對機車T型管接頭焊縫進行試驗，結果表明相控陣超聲技術有較高的缺陷檢出率，檢測效率高。鄧倩[9]、林嘉[10]的研究亦有類似的結果。然而采用相控陣技術針對半熔透熔透T型焊縫進行檢測，國內缺乏成熟的理論研究及實操案例。目前，國內學者針對相控陣超聲檢測技術開展了系列研究，在超聲相控陣檢測技術上的研究與應用還主要集中在醫學領域，工業和工程上的應用還有待于研究與提高。大規模集成電路的發展，為數字化超聲相控陣檢測研究創造了良好的條件。在工業和工程的檢測中，根據檢測對象和檢測條件，合理選擇探頭及楔塊，合理制定檢測方案，具有重要意義。

本文立足于珠江三角洲水資源配置工程有壓輸水鋼內襯加勁環，采用超聲相控陣技術對加勁環的T型焊縫的具體檢測方法進行研究。

2 相控陣檢測原理及T型焊縫主要缺陷類型

2.1 相控陣基本原理

超聲波探頭是將一種通過壓電材料作為聲能和電能互相轉換的電氣元件。而超聲相控陣的探頭通常是由多個以一定方式排列組合的獨立壓電晶片組合的電氣元件。在超聲相控陣的探頭中，每個獨立的壓電晶片又稱為陣元，根據陣元的排列形式主要分為一維線陣，二維線陣，一維環陣，二維扇陣[11](如圖1所示)。

圖1 相控陣探頭陣元排列形式分類示意

由惠更斯原理可知，若干個點波源各自發射相干超聲波的合成超聲波的波陣面。反之亦然，整齊排列的微小換能器(陣元)發射的相干超聲波能形成特定的波束和波陣面[12]。

工業相控陣超聲成像技術采用了全新的發射與接收超聲波的方法，通過控制換能器陣列中各陣元的激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變由各陣元發射(或接收)聲波到達(或來自)物體內某點時的相位關系，實現聚焦點和聲束方位的變化，完成聲成像的技術，如聲束的偏轉是指在不更換楔塊的情況下，改變聲束的偏轉角度，而且比傳統超聲有著更加大的檢測范圍。聲束的聚焦是指在不通過機械的聚焦方式的情況下，實現聲束的聚焦，提高聲束的能量，即提高聲束的檢測靈敏度[13-15]。

如圖2所示，當激勵陣元的高壓脈沖信號的延時呈線性分布時，聲束發生偏轉；當激勵陣元的高壓脈沖信號的延時呈一定曲率分布時，聲束發生聚焦或者偏轉聚焦。

圖2 聚焦及偏轉聲束形成示意

2.2 T型半熔透焊縫特點

如圖3所示，管壁和加勁環通過焊接形成了T型接頭，根據焊接方式的不同，可以分為焊條焊、氣體保護焊和埋弧焊。由于半熔透T型焊縫的加勁環不開坡口直接進行焊接，因此在T型焊縫中將會出現一定的未熔透的區域。在進行超聲波檢測時，未熔透區域反射的超聲回波往往會與其他缺陷回波疊加，影響其他缺陷的檢出率。

圖3 未熔透型T型焊接接頭示意(單位：mm)

2.3 主要缺陷類型

T型焊縫常見的缺陷類型有：裂紋、未焊透、未熔合、氣孔和夾渣等。

裂紋：一種對焊縫危害最大的缺陷，裂紋不僅會降低焊接位置的承載能力，還會因裂紋末端的尖銳引起應力集中，從而導致裂紋的深度和長度變大，最終導致焊縫結構的破壞，甚至造成嚴重的事故。

未熔合：在焊接時，由于焊接電流過小，焊接速度太快、焊接角度不當、坡口未清理干凈而導致的焊道和母材之間或者焊道與焊道之間未完全熔化的缺陷稱為未熔合。該種缺陷一般還伴隨焊縫夾渣，也是一種極為危險的缺陷形式。

氣孔：在焊接時，由于空氣的濕度過大、焊條未烘干、保護氣體純度或氣壓不夠導致焊接金屬與外界的侵入氣體在焊縫金屬凝固之前殘留在焊縫內部所形成的孔洞。氣孔的存在破壞了焊縫的致密性，減少了有效截面，降低了接頭的機械強度。但是由于氣孔邊緣較為圓滑，不會引起應力集中，因此不屬于危險型缺陷，在規范規定的情況下允許有一定氣孔存在。

夾渣：焊條在熔化時候產生的氧化皮或者焊接過程中生成的氧化物、硫化物等雜質形成的熔渣，在熔池金屬未凝固殘留在焊縫內部形成的不規則形狀缺陷稱為夾渣，與氣孔類似，夾渣不屬于危險型缺陷。

3 T型焊縫檢測方案設計

3.1 焊縫檢測方案設計原則

為了達到最好的檢測效果，在對T型焊縫檢測時，應考慮以超聲波束軸線盡可能與可能存在的缺陷延伸面垂直，才能獲得最佳的反射條件。其次應考慮超聲波束能通過掃查面完全覆蓋檢測區域。再次應考慮盡可能提高檢測效率。

3.2 T型焊縫參數

每節鋼管長為12 m，鋼管外壁設6個加勁環，環高為0.12 m，環寬為28 mm，每個環之間為2.2 m。輸水管加勁環具體尺寸如圖3所示，管壁厚度t為26 mm，翼板厚度為28 mm，翼緣板高度為120 mm，坡腳高度為12 mm，坡口類型為I型坡口，焊縫類型為雙面角焊縫的組合焊縫，管壁、加勁環及焊縫的材質均為鋼[16]。

3.3 相控陣探頭選擇

針對T型焊縫的材質與尺寸，采用廣東多普勒公司生產的5L128-0.6×10-B57-U-110-2.0-P1型相控陣探頭，探頭激發頻率為5 MHz，單個探頭中有128個線性陣元，單個陣元寬度e為0.2 mm、相鄰陣元中心距為0.6 mm，陣元長度為10 mm，探頭等效孔徑長度為76.4 mm。楔塊采用廣東多浦樂公司生產的SB57-N0L-IHC-AOD 50型楔塊，機油作為耦合劑，采用直接接觸式方法在管壁內側檢測。

計算該探頭的近場長度為：

=123.7 mm。

已知焊腳距離管壁內側位置為38 mm，而最有可能出現缺陷的部位為焊縫的焊腳處。因此，聚焦點應設置為38 mm左右。由于聚焦點小于進場范圍內，由此可知該探頭可以獲得較好的聚焦效果。探頭等效孔徑長度為76.4 mm，大于焊縫掃查面12×2+28=52 mm，完全覆蓋檢測區域，滿足檢測需求。

3.4 掃查方式選擇

以T型焊縫的橫截面作為掃查面，并將焊道方向定義為索引方向。聲束偏轉角為0°，為了獲得更好的檢測效果，應將聲束的聚焦點設置在焊縫根部位置，即距離探頭38 mm處，將相控陣探頭置于加勁環對應的管壁內側，再沿焊道方向移動探頭，探頭具體放置位置見圖4。

圖4 加勁環截面檢測示意

4 鋼管加勁環焊縫實測結果及分析

使用0°超聲波相控陣探頭在輸水鋼管管壁內側上進行檢測，探頭從自設的焊縫起點沿焊道延伸方向移動獲得掃描后的A、B、C掃圖(如圖5所示)。

圖5 鋼管加勁環T型焊縫相控陣實測示意

通過C掃圖，可以先確定缺陷大致位置。再結合A、B掃圖，根據6dB法則就可以計算缺陷大致長度。

由C掃圖顯示，在距起點位置170.0 mm左右出現1#缺陷，1#缺陷為條狀缺陷，位于焊縫右側焊腳處。在缺陷位置移動相控陣探頭，然后觀察A掃圖，根據6dB法綜合判斷，1#缺陷長度為18 mm。

繼續移動探頭，距起點位置297.6 mm、321.8 mm及375.7 mm均存在點狀缺陷。將3處位于右側焊腳處的點狀缺陷命名為2#、3#、4#缺陷。在缺陷位置移動相控陣探頭，然后分別觀察A掃圖，并根據6dB法綜合判斷，2#、3#、4#缺陷的長度均為2 mm。

根據讀取A掃中顯示的超聲相控陣探頭接受到缺陷回波所用時間及鋼中縱波波速，可計算缺陷距管壁內側面距離，再結合觀察缺陷A掃圖的波形，根據典型的缺陷波形特點，可對缺陷類型進行估判。

4.1 1#缺陷類型判斷

1#缺陷距起點170.0 mm，缺陷長度為18 mm，通過計算該處缺陷距管壁內表面36.8 mm，此處為T型焊縫焊腳處。1#缺陷A型掃描的回波型號幅度偏低，波幅主峰附近存在多處小峰，呈現出鋸齒形態。將超聲相控陣探頭沿焊道方向左右移動，波幅變動劇烈，轉動探頭朝向，波幅也有變化，由此可以判斷1#缺陷為夾渣。

4.2 2#缺陷類型判斷

2#缺陷距起點297.6 mm，缺陷長度為2 mm，通過計算該處缺陷距管壁內表面33.80 mm，此處為T型焊縫焊腳處。2#缺陷A型掃描的回波型號回波幅度小、波形穩定。回波只存在單個主峰，將探頭沿焊道方向前后稍稍移動或稍稍轉動探頭朝向，回波幅度變化劇烈，可見該處缺陷幾乎沒有延伸長度，可以判斷2#缺陷為氣泡。

4.3 3#缺陷類型判斷

2#缺陷距起點321.8 mm，缺陷長度為2 mm，通過計算該處缺陷距管壁內表面37.80 mm，此處為T型焊縫焊腳處。根據3#缺陷A型掃描的回波型號，并通過觀察對應位置加勁環處T型焊縫焊腳，發現此處在焊縫表面存在明顯氣孔，由此可以判斷3#缺陷為表面氣泡。

4.4 4#缺陷類型判斷

4#缺陷距起點375.7 mm，缺陷長度為2 mm，通過計算該處缺陷距管壁內表面37.50 mm，此處為T型焊縫焊腳處。根據4#缺陷A型掃描的回波型號，并通過觀察對應位置加勁環處T型焊縫焊腳，發現此處在焊縫表面存在咬邊,由此可以判斷4#缺陷為咬邊。

將T型接頭存在缺陷的位置使用氣刨刨開，對比分析各缺陷實際長度與檢測長度，長度檢測誤差為0.2～0.8 mm、深度檢測誤差為-0.9～0.3 mm，誤差均小于1 mm以內，預判缺陷類型與實際缺陷類型基本吻合，檢測效果良好(如表1所示)。

表1 T型接頭組合焊縫缺陷試驗對比結果 mm

5 結語

1) 針對有壓輸水鋼內襯加勁環的半熔透T型焊縫的特點和主要缺陷類型，本文提出了相控陣超聲波檢測T型焊縫的檢測原則和檢測方案，探討了采用0°直角相控陣探頭針對有壓輸水鋼內襯加勁環的半熔透T型焊縫缺陷位置的檢測方法，并根據6 dB法則對缺陷尺寸進行估算，檢測結果以彩圖形式直觀展現，可以清晰判讀檢測結果，效果良好。

2) 在鋼管內壁側使用相控陣直角探頭，采用聚焦于焊縫焊腳處的垂直入射法進行檢測，可有效提高缺陷檢出率，缺陷圖形清晰，缺陷長度和缺陷深度的誤差均小于1 mm，預判缺陷類型與實際缺陷類型基本吻合，檢測效果良好。