壓力管道超聲檢測技術的應用探討

【摘要】通過分析影響脈沖反射法的相關因素，選用合適的儀器、探頭、試塊及耦合劑，運用脈沖反射法對壓力管道環向對接焊縫進行試驗。測量結果表明：直射波法或一次反射波法能夠對缺陷的回波幅度和指示長度進行定位、定量。根據超聲檢測技術的原理，在對回波進行判斷時，需要注意并仔細分析在實際檢測過程中產生回波的原因，避免造成誤判。

【關鍵詞】壓力管道；超聲檢測；技術應用

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.052

Discussion on Application of Ultrasonic Testing Technology for Pressure Pipeline

XUE Xiaopeng

（China Nuclear Power Station Operation Service Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Abstract： By analyzing the main factors affecting the pulse reflection method， the appropriate instrument， probe， test block and coupling agent are selected， and the pulse reflection is used to test the annular butt weld of the pressure pipe. The measurement results show that the direct radiation wave method or the primary reflection wave method can locate and quantify the echo amplitude and the indicated length of the defects. According to the principle of ultrasonic detection technology， when judging the echo， it is necessary to pay attention to and carefully analyze the cause of the echo in the actual detection process to avoid misjudgment.

Key words： pressure pipeline； ultrasonic detection； technology application

壓力管道被廣泛運用至化工、船舶、火電廠、核電站等生產領域，由于大部分必須在高溫高壓甚至是處于輻照等極端環境下運轉，因此對于壓力管道的原材料加工、焊接工藝、安裝過程、役前及在役檢查等各環節均有極為苛刻的要求。無損檢測技術是確保生產安全運轉與產品質量達標的科學方式之一。因此在壓力管道各個成型環節中，通過無損檢驗中滲透、磁粉、超聲、射線、泄漏等檢驗方法利用材料的物理性質因缺陷而發生變化的現象進行單獨檢驗互相驗證確保產品符合質量要求，基于此，本文就超聲檢測技術在壓力管道的應用進行探討，以便為檢測工作的開展帶來一些參考與借鑒。

1.1原理

超聲檢測技術基于超聲波在材質中的傳播特性，及超聲波與材質缺陷的相互作用機制來開展檢測。理論上，超聲波在無限大均勻介質中是以直線傳播的，實際上，任何介質必然會有邊界，當超聲波在非均勻介質中傳遞，或者從一類介質傳播到另一類介質時，因為介質的聲阻抗出現了改變，超聲波會在聲阻抗轉變的分界面上形成反射、折射以及透射現象，進而來辨別被檢測物質是否存在缺陷[1]。通常用來發現缺陷及對其進行評估的常用信息為：①反射波的幅度；②反射波距離始波的位置。因此需要依靠長時間的超聲檢測實踐與對材質、加工工藝深入認知，依靠對檢測中察覺的缺陷開展解剖、探析、印證，來豐富工作經驗，可以從顯示屏中體現的缺陷回波的靜態與動態波形，起波速率，回波前沿的陡峭水平以及回波后沿的降低斜度，波峰形狀，回波占寬，移動探頭過程中缺陷回波的起伏、位置、數量與包絡形狀，多次反射底波的次數與起伏的降低規律，底波高度的損失狀況等等，再參考缺陷在被檢查工件中的位置、劃分狀況、缺陷的當量規格、拓展狀況，基于實際的材質特性、記憶與超聲波的基礎理論知識進行科學辨別，達到較為精準定位、定量[2]。

1.2影響因素

重要場合的壓力管道一般會在預制、安裝及在役階段便會對其進行定期檢驗，焊接接頭會使壓力管道存在應力集中與應力腐蝕的問題。因此利用超聲波檢驗技術確保焊接接頭質量的同時，要充分了解影響檢驗結果的主要影響因素，包括：

1）儀器的分辨力、信噪比、脈沖發射與接收系統、水平線性及垂直線性的校準等均會對缺陷的回波幅度和檢出能力產生較大的影響。

2）探頭性能不佳存在兩個聲束或者聲束軸線與探頭幾何中心偏差較大導致缺陷定位能力下降，楔塊的磨損同樣會導致K值減小，從而影響缺陷的定位，同時探頭的頻率及K值對檢驗結果也極為重要。

3）壓力管道的溫度對聲速的影響、表面粗糙度對耦合的影響、壓力管道內部存在的應力對聲波的傳播速度和方向的影響。

4）壓力管道的材質、厚度、焊接結構，會形成不同的結構波、雜波、變形波從而影響對缺陷波的判別。

5）缺陷的性質和分布狀態及方向[3]。

2.1試驗的儀器、試塊、探頭及耦合劑

儀器采用OLYMPUS-EPOCH 650超聲探傷儀。校準試塊采用CSK-IA試塊（如圖1），GS-3試塊（如圖2）；探頭1個，探頭型號為5Z×6×2.5；標準試管（Φ89×6）1根。

2.2采集過程及結果

2.2.1儀器校準

在采用超聲波一次反射波法對焊縫進行檢驗時，儀器的垂直線性、水平線性對檢驗結果影響很大，故依據JB/T 10061—1999《A型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》內相關標準對其進行校驗，校驗結果如表1、表2。

2.2.2儀器參數、探頭參數校準與測量

儀器單位設置為mm，頻率5 MHZ，選擇適當的能量與阻尼，利用CSK-IA試塊對探頭前沿進行測量：探頭前沿為L=6 mm，K=2.51（68.3°）。聲速3283 m/s，并繪制距離-波幅曲線（DAC曲線），如圖3所示。基準靈敏度66.4 dB。

2.2.3檢驗實施

基礎靈敏度提高6 dB作為掃查靈敏度，將探頭放置在試管掃查面上，在焊縫兩端2 KT范圍內進行掃查，在保持探頭與焊縫中心線垂直的同時做大致10°至15°的擺動；掃查速度不大于150 mm/s，探頭每次移動需要保證至少有15%探頭寬度的重疊，避免掃查速度過快導致缺陷的漏檢與誤檢[4]。對于發現的缺陷采用6 dB法對其缺陷的指示長度進行測量。當發現缺陷波時，在找到最大波幅時，記錄此時的深度H、滿屏80%的最大增益值及此刻探頭中心的位置，分別向前向后緩慢移動探頭，使缺陷波最高波幅降至原來一半時，此時探頭中心線的距離為缺陷的指示長度L，并記錄其數值[5]。在測量的過程中，還需要結合回波的實際參數，對其進行分析，避免進行誤判。對焊縫兩端的試驗結果記錄其最大值（見表3）。

通過本次試驗表明：

1）由于管徑較小，常規橫波斜探頭與試管表面接觸面積較小，耦合效果不良，為保證良好的耦合，通常需要選用小探頭或者將有機玻璃斜楔加工成與管材相吻合的曲面，以改善其耦合性能，提高檢測靈敏度[6]。對于管徑較小的壓力管，通常由于壁厚較小，雜波、結構波較多，尤其是不銹鋼材質更甚，會嚴重影響對缺陷波的判斷。

2）對于同一位置的缺陷，需要在焊縫兩側以相同方式進行掃查，由于缺陷的性質及方向的特殊性，在一側進行掃查時，得到的反射波信號與另一側存在較大的差別，在本試驗及實際檢驗過程中，通常選取反射波信號最大的一側進行記錄。

3）在對缺陷進行定位、定量時，最大幅值達到9.5 dB，深度誤差達到18.6%，長度誤差達到10%。理論和實際表明，在已知人工缺陷的情況下，仍會存在結果誤差，那么在對在役期間的壓力管道進行超聲波檢測的過程中，現場的工況是否會

對超聲波信號造成影響、位置是否滿足檢驗范圍及焊縫表面狀態是否會產生結構信號或者雜波信號等限制條件下，單憑顯示的波形對缺陷進行定性通常比較困難，誤判的概率也比較高，還需對顯示的各類特征、焊接工藝、運行工況等加以分析，結合實際工作經驗、尺寸量取、結構分析及互相驗證等一系列輔助手法進行確定。

4）實際檢測過程中，運用超聲波技術對壓力管道進行檢測時，對于各類型缺陷的顯示，通常需要結合尺寸，以區分假信號和變形波。選擇合適的超聲檢測系統，良好的分辨力、信噪比、探頭頻率、晶片尺寸及合適的探頭聲場，運用底波法或者一次反射波法，合理正確地使用校準試塊，可以準確地發現一定尺寸的缺陷。

依據上述，超聲波檢測技術對壓力管道的運用試驗，其在檢測中的優點也較為顯著，而隨著我國經濟水平的不斷進步，超聲波檢測技術也愈發成熟、創新，同時超聲波檢測技術也有諸多不同的種類，所以應當融合實際的檢測物體或者是檢測構架，科學挑選合理的超聲波檢測技術開展檢測，進而提高檢測成果的精確性，從而充分提高我國的科技水準，促進我國科技的迅速、高效進步。

【參考文獻】

[1]楊鵬.超聲導波檢測技術在壓力管道檢測中的應用[J].化工管理，2021（30）：67-68.

[2]許波，張子健，柴軍輝，等.超聲導波B掃成像技術在壓力管道腐蝕檢測中的應用[J].化工機械，2022，49（1）：156-159.

[3]邢譚芳，李越，邵玉龍.無損檢測技術在壓力容器和壓力管道中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2023，43（14）：59-61.

[4]侯文峰.無損檢測技術在壓力管道檢驗中的綜合應用研究[J].現代工業經濟和信息化，2021，11（6）：142-144.

[5]利觀寶.低頻磁致伸縮超聲導波及漏磁檢測組合新技術在壓力管道檢驗中的應用[J].特種設備安全技術，2022（5）：55-57.

【作者簡介】

薛曉鵬，男，1994年出生，學士，研究方向為無損檢測。

（編輯：李鈺雙）