双相不锈钢钢管对接环焊缝的相控阵超声检测

近年来，微电子和计算机技术飞速发展，促成了集相控阵信号产生、数据处理、显示和分析等功能于一体的相控阵仪器的发展。随着国内外（美国ASME、国际标准ISO以及中国GB和NB）相控阵超声检测标准的完善，相控阵超声检测已广泛应用于海工、船舶、航空航天、石油化工、火电、核电等行业。在设计时，对于海上油气工厂（FPSO）上建模块中材料为A790-S31803，规格为直径610mm，壁厚46mm的管线环焊缝，需要进行射线检测。由于射线具有电离辐射，对检测人员的人身安全危害严重，故在管线合拢组装的过程中，不能实现射线检测中心曝光，从而降低了射线检测效率，影响项目进度。因此，承建方、检测公司、业主和监造方进行协商后，建议采用相控阵超声检测代替射线检测进行现场检测。在实施相控阵超声检测前，需要使用带缺陷的模拟试块进行校准，以确定检测结果的可靠性。试样的制作试样包括灵敏度对比试块和用于验证的人工缺陷模拟试管。灵敏度对比试块的制作按照标准ASMEBPVC.V-2019《锅炉及压力容器规范第V卷无损检测》第4章焊缝超声波检验方法中校准试块的要求，加工了两种灵敏度对比试块。图1灵敏度对比试块实物如图1(a)所示，在原材料上加工长横孔反射体，制作原材料灵敏度对比试块，用于楔块延迟的校准。如图1(b)所示，按照焊接工艺焊接后进行切割，制作带有焊缝的长横孔和刻槽的灵敏度对比试块，用于灵敏度校准和TCG（时间校正增益）曲线的制作等。反射体（长横孔和刻槽）的详细参数如下：原材料对比试块试块编号：PAUT-SS-01人工反射体类型：长横孔长横孔位置：T/4、T/2、3T/4（T为试件厚度）长横孔尺寸：ф3mm×80mm带焊缝对比试块试块编号：T027973人工反射体类型：长横孔长横孔位置：焊缝中心：T/4、T/2、3T/4长横孔尺寸：ф3mm×70mm试块编号：T027972人工反射体类型：长横孔长横孔位置：坡口熔合线：T/4、T/2、3T/4长横孔尺寸：ф3mm×70mm人工反射体类型：刻槽刻槽位置：焊缝上表面刻槽尺寸：70mm×1mm×2mm试块编号：T027974人工反射体类型：刻槽刻槽位置：焊缝下表面刻槽尺寸：70mm×1mm×2mm模拟试管的制作人工缺陷模拟试管采用切除对比试块后的余料制作，依据ASMEBPVC.V-2019第4章强制性附录IX中对于缺陷定量和分类的规程评定要求，确定缺陷的数量和位置。为了确定单面单侧扫查工艺的可行性，在人工缺陷模拟试管上共制作了两组人工缺陷共6个，分别为上表面缺陷2个、内部缺陷3个以及根部缺陷1个，人工缺陷模拟试管实物如图2所示。图2人工缺陷模拟试管实物依据ASMEBPVC.V-2019第4章中强制性附录IX的要求，计算每个缺陷的长度及高度（表面及近表面缺陷按照长高比系数为0.25计算，焊缝内部缺陷按照长高比系数为0.5计算），人工缺陷模拟试管的结构示意和详细参数如下：图3人工模拟缺陷试管结构示意和缺陷参数（mm）1上表面刻槽长度10，高度2（垂直上表面）2上表面刻槽长度10，高度2（平行融合线）3焊缝上部未熔合长度14，高度5，深104焊缝中心夹渣长度14，高度5，深205焊缝下部未熔合长度14，高度5，深306根部刻槽长度10，高度2，深44人工缺陷模拟试管上表面和根部缺陷的检测探头采用奥林巴斯A26线性和A17、A27矩阵相控阵探头进行检测，探头具体参数如下：型号：2.25DM7X4-A17频率：2.25MHz晶片数量：双晶28（7×4矩阵）晶片间距：2.71mm激活孔径：19mm×12mm晶片高度：3mm尺寸：长34mm，宽16mm，高25mm型号：4DL32-32X12-A26频率：4MHz晶片数量：双晶32（线性）晶片间距：1mm激活孔径：32mm×12mm晶片高度：12mm尺寸：长48.2mm，宽16.5mm，高26.4mm型号：4DM16X2-A27频率：4MHz晶片数量：双晶32（16×2矩阵）晶片间距：1mm激活孔径：16mm×6mm晶片高度：3mm尺寸：长29mm，宽10mm，高20mm上表面缺陷的检测对于上表面刻槽，主要是利用爬波检测，设置检测角度为78°~83°。爬波是纵波从第一种介质中以第一临界角附近（±30′以内）的角度进入第二种介质时，在第二种介质中产生的沿介质表面下一定距离，在横波和表面纵波之间传播的峰值波。上表面缺陷检测时，将不同类型的探头与楔块进行组合，以观察检测效果，其检测现场示例如图4所示。图4上表面缺陷的检测现场示例将探头与楔块组合后，将探头对准上表面刻槽，前后移动探头，使最高波幅达到满屏幕的80%，并记录此时探头前沿至上表面刻槽的距离。然后后移探头，波幅缓慢降低，当最高波幅降至满屏幕的20%时，记录此时探头前沿至上表面刻槽的距离，检测结果如下：探头类型楔块类型探头前沿至上表面刻槽距离母材上扫查焊缝上扫查A17DN55L01711A26DN55L-FD40-SS1810A27DNCR2519由上可知，A27+DNCR探头与楔块组合所产生波束移动距离最远，A17+DN55L0组合效果次之，A26+DN55L-FD40-SS组合效果最差。根部缺陷的检测对于根部缺陷，主要利用一次纵波检测，设置检测角度为37°~50°，使根部刻槽信号达到满屏的80%。仪器和探头组合后显示的基准灵敏度：A26探头的基准灵敏度为36dB；A27探头的基准灵敏度为61dB；A17探头的基准灵敏度为51.5dB。在基准灵敏度下，A26探头的噪声信号幅度为5%，A27探头的噪声信号幅度约为7%，而A17探头的噪声信号幅度约为15%，根部缺陷的检测结果如图5所示。图5根部缺陷的检测结果A26探头为线性探头，且晶片尺寸比其他两种探头的大，发射能量大，因此对同一位置的反射体进行检测时，基准灵敏度最低。A17探头虽然基准灵敏度低，但是检测频率为2.25MHz，导致根部刻槽和根部余高信号融合在一起，成为一个脉冲宽度很宽的脉冲信号，且噪声信号幅度最高。检测结果表明，根部刻槽的检测效果A26探头最优，A27探头次之，A17探头最差。从以上检测结果可以看出，对人工缺陷试管的上表面缺陷应采用A27+DNCR组合进行检测，而对焊缝根部，应采用A26+DN55L-FD40-SS组合进行检测。相控阵超声检测方案对材料为A790-S31803的管线环焊缝进行相控阵检测时，可采用分区设置，分区检测具有以下优势：(1)针对不同检测位置，设置不同的聚焦法则，以获得良好的检测能力，针对上、下表面的检测采用深度聚焦，而对焊缝内部检测采用声程聚焦。(2)在实际检测过程中，偏转角度越大，较深反射体的调节越困难。分区检测时应对较深部位采用较小角度进行检测，以避免大偏转角度调节较深反射体的难度。对于不同分区的设置，TCG校准不同位置人工反射体信号及反射体测量位置如图6所示。图6不同位置人工反射体信号及反射体测量位置检测结果为了验证检测效果，对图3所示的人工缺陷试管，分别采用常规超声纵波斜入射检测、射线检测、相控阵超声检测3种方法实施检测。在相控阵超声检测时，实施两种检测方案，一种是在焊缝两侧扫查，模拟单面双侧检测；另一种是为了验证单面单侧检测效果，实施单侧直管侧扫查+焊缝中心两个方向的扫查。上表面刻槽检测结果1号人工缺陷为垂直于工件的上表面刻槽；2号人工缺陷为平行于坡口面的上表面刻槽，倾斜角度为15°±2°，两种人工缺陷模拟的都是焊缝上表面裂纹，其检测结果如下：(1)常规超声纵波斜探头检测，没有发现任何信号。(2)射线检测可以清晰发现缺陷，其结果如图7所示。图71号和2号缺陷的射线检测结果(3)相控阵超声技术检测，在焊缝两侧扫查时，由于焊缝盖帽宽度为38~40mm，A27+DNCR相控阵超声设备组合对上表面深度的检测能力约为19mm，因此只能发现探头侧缺陷，不能发现探头对侧焊缝的上表面刻槽缺陷，1号缺陷显示波幅约为95%，而2号缺陷显示波幅约为60%，2号缺陷上表面刻槽波幅降低主要是因为该刻槽是平行坡口面，焊缝两侧扫查结果如图8所示。图8焊缝两侧扫查结果（上表面刻槽）把焊缝盖帽磨平后，在焊缝中心采用A27+DNCR设备组合扫查时，可以发现焊缝边缘刻槽信号，1号刻槽波幅高度约为40%，2号刻槽波幅高度约为25%，其结果如图9所示。因此在焊缝中心检测时，需要仔细辨别超过20%波幅的上表面信号，必要时需要辅助表面检测方法加以验证。图9焊缝中心扫查结果(上表面刻槽)坡口未熔合检测结果3号和5号人工缺陷分别位于焊缝两侧坡口熔合线处，且为上、下两个不同区域，检测结果如下：(1)采用常规超声纵波斜探头检测，在焊缝盖帽没有磨平时，临近上表面的3号缺陷无法检出；用45°纵波和60°纵波斜探头均可在焊缝两侧检出位于焊缝中下部位的5号缺陷，45°纵波斜探头检测的最高波幅为SL+0.5dB，60°纵波斜探头检测的最高波幅为SL+6.3dB。将焊缝余高磨平后，使用纵波45°斜探头骑在焊缝上扫查时，可以在其对侧发现3号缺陷，波幅为SL+3.2dB，检测结果如图10所示。图103号和5号缺陷常规超声检测结果(2)采用射线检测可以发现两个缺陷，其结果如图11所示。图113号和5号缺陷射线检测结果(3)相控阵超声采用A27+DNCR设备组合进行检测，3号人工缺陷位于坡口熔合线靠近上表面的位置，因此探头位于缺陷对侧检测时波幅高，而在缺陷侧检测时波幅低，这是由于相控阵大角度偏转角在缺陷对侧检测时，缺陷与大角度波束接近垂直，而在缺陷侧检测时，波束入射与缺陷有较大的倾角，因此3号人工缺陷对侧波幅为156%，而缺陷侧波幅为40%；5号人工缺陷位于坡口熔合线靠近焊缝根部的位置，在焊缝两侧扫查均可得到满意的检测结果，缺陷侧波幅高度为88%，对侧波幅高度为249%，检测结果如图12所示。图12A27+DNCR组合的缺陷检测结果为了验证单侧检测结果，焊缝余高磨平后，在焊缝中心用A27+DNCR设备组合检测后发现，3号人工缺陷波幅为250%，5号人工缺陷波幅为94%，此次检测波幅高度均高于人工缺陷侧的波幅，且检测信号的位置也处于坡口融合线的位置，更容易对缺陷定性，如图12所示。针对焊缝中下部5号人工缺陷的检测效果，也采用A26+DN55L-FD40-SS组合，使用与A27+DNCR组合相同的聚焦法则在焊缝两侧检测，检测结果表明，5号人工缺陷对侧波幅为250%，5号人工缺陷侧波幅为94%，波幅均高于A27+DNCR组合的检测效果。A26+DN55L-FD40-SS设备组合的检测结果如图13所示。图13A26+DN55L-FD40-SS组合的缺陷检测结果焊缝中夹渣物检测结果4号人工缺陷为内部夹渣，位于焊缝中心位置，其检测结果如下：(1)常规超声纵波斜探头检测，只有采用60°纵波探头检测时能够发现，在焊缝一侧采用60°纵波进行检测，缺陷波幅高度为SL-10.4dB，而在另一侧无法检出，检测结果如图14所示。图144号缺陷常规超声波检测结果(2)4号缺陷射线检测结果如图15所示。图154号缺陷射线检测结果(3)相控阵超声检测，4号人工缺陷预埋藏深度约为20mm。A27+DNCR在两侧均能发现该缺陷，其最高波幅为41%，另一侧波幅为27%，这是由于缺陷倾角会导致波幅低，如图16所示。图164号缺陷的A27+DNCR检测结果而使用A26+DN55L-FD40-SS设备组合检测后发现，缺陷最高波幅为30%，结果如图17所示。比较两种规格探头的检测结果可知，A27+DNCR设备组合检测波幅高度略高，因此A26探头在该区域的检测能力低于A27探头。图174号缺陷的A26+DN55L-FD40-SS检测结果根部刻槽检测结果6号人工缺陷为根部刻槽，其检测结果如下：(1)常规超声纵波斜探头检测，采用纵波45°斜探头在焊缝两侧均能发现该缺陷，表现为一个刻槽和根部融合在一起的脉冲宽度较宽的反射信号，焊缝两侧的检测波幅分别为SL-3.2dB和SL+1.8dB，检测结果如图18所示。图186号缺陷常规超声波检测结果(2)6号缺陷射线检测结果如图19所示。图196号缺陷射线检测结果(3)相控阵超声检测，A27+DNCR组合在焊缝两侧均能发现该缺陷，且有较好的显示效果，检测波幅分别为55%和91%，其结果如图20所示。图206号缺陷的A27+DNCR检测结果A26+DN55L-FD40-SS组合也能区分根部刻槽和余高反射体信号，检测波幅为61%和185%，其结果如图21所示。图216号缺陷的A26+DN55L-FD40-SS检测结果检测结果分析(1)综合比较A27+DNCR组合和A26+DN55L-FD40-SS组合的检测效果，矩阵探头A27+DNCR组合主要针对厚度小于30mm部位的检测，且可在大偏转角时产生爬波以检测表面缺陷；而线性探头A26+DN55L-FD40-SS组合主要针对厚度大于30mm部位的检测，检测焊缝根部缺陷时有较高的信噪比和分辨力。(2)现场对接形式主要为直管与直管对接或直管与部件（法兰、三通或弯头）对接。当直管与部件对接时，若部件侧满足探头扫查空间要求，则可采用直管与直管对接的检测工艺进行单面双侧检测，检测现场如图22所示。图22直管与构件对接检测现场(3)当直管与部件对接，部件侧部分位置不满足扫查空间的要求，检测现场如图23所示。此时除了在直管侧扫查外，还应把此位置的焊缝余高磨平，在焊缝中心做正反两次扫查。在对检测图谱进行分析时，以直管侧扫查为主；对焊缝中心扫查时发现的可疑位置，需要补充其他方法对表面进行检测，比如增加阵列涡流或其他表面检测方案；对剩余满足扫查空间要求的位置