SAWL 鋼管超聲相控陣檢測技術的研究與應用

呂成秀，劉勝斌，陳英杰，汪 超，張志明

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

一種超聲相控陣檢測系統，是根據石油管行業的需求而開發較成熟的大型產品。其檢測能力滿足DEC-OGP-S-PL-003-2020-1《國家管網集團設計與工程建設準則》的要求。該檢測系統共19 個探頭，包括兩套縱向超聲相控陣檢測系統（即4 個32晶元相控陣探頭）獨立檢測焊縫區和焊縫鄰近5 mm 的內部和外部縱向缺陷；一套X 形（或兩套K 形）超聲相控陣檢測系統（即4個32 晶元相控陣探頭）和一套相控陣輪式探頭（即2 個32 晶元相控陣探頭和1 個常規超聲波探頭組合）檢測焊縫和焊縫鄰近5 mm 橫向缺陷檢測；另外由一套串列式超聲相控陣檢測系統（即由4 個32 晶元相控陣探頭組合使用）主要針對對鋼管焊縫中部缺陷進行檢測。該檢測系統調校快速便捷、準確度高、誤報率低、檢測速度快（最高檢測速度可達20 m/min）、管端盲區小（管端焊縫盲區為50 mm，母材盲區為80 mm）。

1 檢測原理

1.1 超聲相控陣技術

檢測原理是通過控制相控陣探頭中每個晶元的激勵（或接收）脈沖的時間差，來改變由各晶元發射（或接收）聲波到達（或來自）工件內部的相位關系，實現聚焦點和聲束角度的變化。由于超聲相控陣探頭中的每個晶元的時間差可實現動態變化，所以超聲相控陣檢測技術利用多晶元聲束角度可控和可動態聚焦兩大特點，進行多角度扇掃，迅速找到主聲束角度，通過主聲束角度實現鋼管超聲相控陣檢測能夠快速、便捷進行儀器調整、調校。超聲相控陣陣元一般掃查范圍覆蓋很多個角度，檢測過程中通常扇掃角度為35°～75°，中心角為55°，楔塊角度可選擇35°，鋼中折射角為53°。

1.2 壓電晶片超聲波

超聲波的檢查原理是采用頻率高于20 kHz 的超聲波，通過不同的波形對工件進行檢測，工件的內部的不連續性導致檢測的波速不一致，通過顯示在檢測平面上的位置不同而評判工件的內部質量的一種檢測方法。超聲波探頭必須與被測材料盡量靠近，并且在探頭和被測材料之間要有耦合劑作為介質。檢測期間，所有探頭處在離工件外表面同一距離，超聲波的耦合由耦合劑來完成。為了使超聲波很好地進入鋼材，聲波必須兩次通過耦合界面，檢測是主要通過縱波或橫波波形來完成。鋼管超聲波檢測主要是通過縱波或橫波，檢測鋼管內部裂紋、氣孔、未焊透、分層、面積等。

2 超聲相控陣檢測系統

2.1 檢測范圍

超聲相控陣檢測系統是用來檢測大口徑直縫埋弧焊焊管的超聲相控陣的，主要檢測范圍滿足API Spec 5L《管線鋼管規范》（第46版）、GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》等標準要求。其中，鋼管材料等級為A 級～X120，外徑508～1422 mm，鋼管的壁厚和長度分別為8.0～42.0 mm、8.0～12.5 m。

2.2 對比樣管人工缺陷分布

選用規格直徑1422 mm×32.1 mm 的鋼管，按照DEC-OGPS-PL-003-2020-1 標準要求制作對比樣管[1-2]，對比樣管應具有8 個N5 刻槽、1 個位于焊縫中間部位的Φ1.6 mm 豎通孔，8 個焊縫坡口面上Ф3.0 mm 平底孔，4 個位于焊縫兩側25 mm 范圍內Φ6.060+0.25mm 平底孔。圖1 為對比樣管人工缺陷分布示意。

圖1 對比樣管人工缺陷分布示意

2.2 檢測方法

超聲相控陣檢測系統是按照在鋼管焊縫及母材上，縱向缺陷、橫傷向缺陷、焊縫中間部位缺陷、母材缺陷的發現能力進行的探頭排列檢測系統（圖2）。該系統以檢測直縫埋弧焊管焊縫缺陷和焊縫兩側25 mm 的母材缺陷為目的，配備19 個探頭，包括：兩套縱向超聲相控陣檢測系統Level 1 和Level 2（即4 個32 晶元相控陣探頭）獨立檢測焊縫區和焊縫鄰近5 mm 的內部和外部縱向缺陷；一套X 形（或兩套K 形）超聲相控陣檢測系統Level 5和Level 6（即4 個32 晶元相控陣探頭）和一套相控陣輪式探頭Level 3（即2 個32 晶元相控陣探頭和1 個常規超聲波探頭）檢測焊縫和焊縫鄰近5 mm 橫向缺陷；一套串列式超聲相控陣檢測系統Level 4（即4 個16 晶元相控陣探頭）檢測焊縫中部缺陷；一套分層超聲波檢測系統Level 7（即4 個常規超聲波探頭）主要檢測鋼管直焊縫兩側25 mm 范圍內的母材分層缺陷。每個探頭的相互距離可根據鋼管壁厚及管徑進行調整。

圖2 探頭布置

2.2.1 縱向傷檢測

鋼管焊縫縱向缺陷檢測主要是由兩組超聲相控陣檢測探頭和管體外表面通過具有導向性的射流來耦合，由流動水作為檢測時的耦合劑。兩組相控陣探頭分別與焊縫垂直布置，Level 1和Level 2 縱向相控陣探頭，其中Level 1 檢測鋼管外表面和外焊焊縫坡口面上缺陷，Level 2 檢測鋼管內表面和內焊焊縫坡口面上缺陷，探頭之間的距離可以根據鋼管的直徑和壁厚進行單獨調整，來實現檢測鋼管焊縫的內外傷（Level 1 和Leve 2 的檢測范圍可以根據項目的要求進行調整）。同時利用超聲相控陣技術聚焦法則特征對每組探頭主聲束的角度、探頭激發晶片數量等參數進行調整，達到超聲相控陣檢測聲束最優化，在此過程中無需任何機械調整。相控陣探頭可以分為一個或多個發射和接收單元，用于焊縫內外部缺陷和坡口缺陷的檢測。

縱向傷檢測主要是利用相控陣檢測技術聚焦法則和多晶片特征，將每組縱向相控陣探頭分為兩組發射和接收單元，其中一組發射和接收單元主要檢測焊縫上內（或外）部缺陷（即樣管上邊部N5刻槽、中部N5 刻槽和直徑1.6 mm 豎通孔），另一組發射和接收單元主要檢測焊縫上坡口缺陷（即樣管上焊縫75%或25%深度的平底孔）。縱向傷檢測采用頻率3 MHz、32 晶片（晶片尺寸為14 mm×14 mm），外殼尺寸為直徑40 mm 的探頭（W3GPA32）。

2.2.2 橫向傷檢測

橫向傷檢測主要有K 式檢測和輪式檢測兩種，在實際檢測過程中它們均獨立使用。

（1）K 式檢測。橫向傷的K 式檢測實際是由兩組K 式合并形成“等腰梯形”的結構布局，探頭均分布在焊縫兩側（圖2 中Level 5 和Level 6 橫向相控陣探頭）。通常該相控陣探頭應分別與焊縫成45°夾角放置，檢測入射角度的選取通過軟件在扇掃圖上設置，根據檢測缺陷部位的特征，一般選取45°±3°作為最佳焊縫橫向缺陷檢測（即樣管上橫向N5 刻槽和Φ1.6 mm 豎通孔）角度，如圖8 超聲相控陣橫向傷檢測主聲束設置原理圖。為了方便后續部件的更換及設備的維護保養，橫向傷檢測采用的相控陣探頭、探頭固定器、檢測耦合方式等于縱向傷檢測保存一致。

（2）輪式檢測。橫向傷的輪式檢測是由一個滾輪與鋼管外焊縫直接接觸，滾輪里前后安裝等高的兩個相控陣探頭和一個常規縱波探頭，兩個相控陣探頭通過自發自收的方式進行檢測橫向缺陷（即樣管上橫向N5 刻槽和Φ1.6 mm 豎通孔），一個常規縱波探頭主要是在檢測時作為滾輪與鋼管外焊縫接觸的監視功能，主要由油脂裝在滾輪里面作為檢測耦合劑。

2.2.3 串列式檢測

串列式檢測是由超聲相控陣檢測探頭和管體外表面通過具有導向性半水浸法耦合檢測，由4 個相控陣探頭組成，探頭與焊縫垂直布置。利用相控陣檢測技術聚焦法則和多晶片特征，將串列式相控陣每組探頭分為兩組發射和接收單元，分別檢測內外焊縫中間部位缺陷（即樣管上焊縫42%和58%深度的平底孔）。串列式檢測采用頻率3 MHz、16 晶片，晶片組尺寸為8 mm×9 mm，外殼尺寸為直徑24 mm 的探頭（B5NC15PA16）。

在串列式檢測中，根據水平位置與缺陷埋藏深度、探頭入射角的關系，計算出聲波發射探頭距離焊縫的水平距離，移動手輪，將探頭移動至對應位置，調整聲波接收探頭與發射探頭的間距，使對應出現缺陷回波，此時通過相控陣扇掃功能，選取合適角度范圍（一般40°～70°），此時會形成一個在此角度范圍內的扇掃圖，通過移動光標選取最佳的主入射角度作為串列檢測角度。

3 結束語

超聲相控陣檢測系統的核心技術優勢是性能穩定、相控陣多晶元多角度扇掃等，具有焊縫激光跟蹤和檢測耦合監視功能，可以避免鋼管漏檢和誤檢。主要體現在以下3 個方面。

（1）超聲相控陣檢測設備是精密無損檢測系統，采用多通道配備19 個探頭（包括14 個32 晶元相控陣探頭和5 個常規超聲波探頭），可滿足DEC-OGP-S-PL-003-2020-1 的要求。

（2）超聲相控陣檢測技術能進行多角度扇掃，迅速找到主聲束角度，通過主聲束角度實現鋼管超聲相控陣檢測能夠快速、便捷進行儀器調整、調校。

（3）采用先進成熟的超聲相控陣檢測技術和設備，模塊化設計、多角度扇掃工藝，探架固定（每個探架單獨起落），鋼管運動和檢測系統固定的檢測方式，保證該系統結構合理，性能安全可靠，操作方便簡捷。