李　衍

(無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會無損檢測專委會，無錫 214026)

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特殊結(jié)構(gòu)的常規(guī)和非常規(guī)超聲檢測
——ASME 2013 NDE亮點(diǎn)評析(續(xù))

李衍

(無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會無損檢測專委會，無錫 214026)

3　管接頭[6]

3.1概述

管接頭一般是指連接在圓筒形或球形容器上的管型入口或出口。最簡單的結(jié)構(gòu)是接管垂直插在本體上，接管與本體相貫線為一正圓。若接管斜插在本體上，則接管與本體相貫線為一橢圓。

管座焊縫的超聲檢測主要在開焊接坡口的工件(本體或接管)表面進(jìn)行。管接頭型式分安置式和插入式兩種。安置式是接管一側(cè)開坡口，而插入式是本體一側(cè)開坡口。兩種管接頭型式見圖25。

圖25　插入式和安置式管接頭示意

一般插入式管接頭UT的探頭布置和聲線示蹤如圖26所示。

圖26　管接頭UT探頭布置和聲線示蹤

對插入式管座焊縫采用PAUT法時，可視條件從內(nèi)探法或外探法兩種方式中選用一種進(jìn)行檢測。內(nèi)探法，即從接管內(nèi)壁進(jìn)行檢測；外探法，即從容器本體或接管外側(cè)進(jìn)行檢測。但視規(guī)范要求和可接近性，也可兩法并用。

3.2校驗(yàn)試塊

ASME給出的管接頭校驗(yàn)試塊見圖27，其主要適用于針對管接頭接管側(cè)焊縫熔合區(qū)及近接管基體金屬，用直探頭從接管內(nèi)壁以縱波法進(jìn)行檢測時的基準(zhǔn)靈敏度的校驗(yàn)。而管座焊縫用斜探頭從本體外側(cè)以橫波法進(jìn)行檢測時，應(yīng)另選試塊，另行校驗(yàn)。

圖27　管接頭接管內(nèi)側(cè)UT靈敏度校驗(yàn)試塊

對圖27所示的試塊尺寸和反射體(橫通孔)位置，應(yīng)使靈敏度校驗(yàn)足以覆蓋接管側(cè)焊縫熔合區(qū)和近接管管材熱影響區(qū)。若探測前接管內(nèi)表面有堆焊層，則校驗(yàn)試塊內(nèi)表面也應(yīng)有堆焊層。注意：① 校驗(yàn)試塊厚度T應(yīng)選用接管最大壁厚。② 試塊橫孔應(yīng)為橫通孔(全長38 mm)。③ 橫孔直徑應(yīng)按上述接管最大壁厚選用(與一般平板試塊選用方法類同)。④ 從接管側(cè)進(jìn)行探測時，若校驗(yàn)試塊厚度超過50 mm，應(yīng)按表6的要求增設(shè)橫孔。表中符號“○”表示孔位選用；“—”表示孔位不選用。

其他要求：① 該校驗(yàn)試塊厚度應(yīng)為接管最大壁厚值再加上19 mm。② 檢測的接管內(nèi)徑Di不大于500 mm時，校驗(yàn)試塊的探頭接觸面直徑應(yīng)與接管內(nèi)徑相同，或?yàn)?.9～1.5Di(見圖10)。③ 作為校驗(yàn)反射體的橫孔,其孔徑與試塊壁厚的關(guān)系,與非管型校驗(yàn)試塊(即平板試塊)加工要求相同。

表6　厚壁接管校驗(yàn)試塊的橫孔深度位置

3.3校驗(yàn)方法

管接頭接管內(nèi)側(cè)用直探頭縱波法檢測時，用于校驗(yàn)的橫孔數(shù)取決于檢測要求。若只要檢測接管側(cè)熔合區(qū)，就只需用相當(dāng)于接管壁厚的單個橫孔校驗(yàn)即可。

(1) 單孔法校驗(yàn)

將埋深相當(dāng)于接管壁厚的單個橫孔的反射回波調(diào)為80%±5% 滿屏高，以此作為基準(zhǔn)靈敏度波高。

(2) 多孔法校驗(yàn)

直探頭對準(zhǔn)埋深相當(dāng)于T/2的橫孔，將其反射回波調(diào)為80%±5%滿屏高；然后不改變增益，探頭對準(zhǔn)埋深相當(dāng)于T或3T/4的橫孔，記錄相應(yīng)回波高度，作出DAC曲線，按DAC曲線校驗(yàn)檢測靈敏度。

3.4檢測方法

除滿足UT掃查一般要求外，直探頭在接管內(nèi)壁應(yīng)對整圈管接頭進(jìn)行掃查，聲束要覆蓋焊縫接管側(cè)整個熔合區(qū)加上焊縫趾部外25 mm范圍。探頭可繞被檢區(qū)作圓周或軸向移動。顯示屏顯示覆蓋范圍至少為接管壁厚的1.1倍。接管不能全部檢測時(如因可接近性受限，手持探頭移動困難)，應(yīng)在檢測報告中注明。

3.5掃查布置圖

按ASME 要求，承壓設(shè)備UT前應(yīng)作出掃查布置圖。在掃查布置圖中，為適應(yīng)管座焊縫的PAUT，尤需交代被檢焊接接頭結(jié)構(gòu)的幾何細(xì)節(jié)。這些細(xì)節(jié)相關(guān)于被檢焊縫的曲率變化，或探頭掃查表面的曲率變化。操作者除需了解曲率連續(xù)變化對聲束傳播的影響外，還需了解探頭移動過程中聲束方向或角度的相應(yīng)變化。有的探頭可能需要作楔塊修整，以與探測面耦合良好。

建模仿真有助于應(yīng)對管座焊縫UT中碰到的所有問題。聲線示蹤仿真可顯示探頭實(shí)際檢測位置，預(yù)測聲束中心線的行蹤。圖28即為插入式管座焊縫相控陣檢測探頭的布置示例，用一般市售軟件可給出遵循相控陣所用延時法則的聲線示蹤和聲束覆蓋范圍圖。

圖28　插入式管接頭相控陣檢測外探法超聲掃查布置和聲線示蹤圖(軟件ESBeam Tool)

用簡圖表示的細(xì)化仿真，還可表示所用探頭楔塊是否需要修整。歐標(biāo)EN-1714就有這方面的要求(ASME SE-2491和國標(biāo)GB 11345也吸納了該要求)：若楔塊底面與探測面之間的間隙G>0.5 mm，則楔塊底面應(yīng)作修整，以與探測面吻合。只要已知探頭底面主尺寸和工件內(nèi)徑，G值可借助于幾何三角算出。

掃查條件仿真還可細(xì)化，以修整探頭位置相對于焊縫標(biāo)高的變化。焊縫標(biāo)高與探頭位置的相對變化示例見圖29。容器本體與接管相貫線的最高點(diǎn)在0°和180°，而相貫線的最低點(diǎn)在90°和270°。圖29示出了容器本體與接管相貫線位置對探頭標(biāo)位的影響：0°和180°時最小(0 mm)，90°和270°時最大。其他中間點(diǎn)位置對探頭標(biāo)位的影響趨勢可依次推斷：0°→90°和180°→270°，由小而大；90°→180°和270°→360°,由大而小。

圖29　探頭和焊縫標(biāo)位變化示意

接管垂直連接到圓筒上時，表面位移的估算公式如下：

(1)

式中:d為最大位移；R為容器半徑；r為接管半徑。

例如，直徑250 mm的管子連接到直徑1 000 mm的容器上，則在90°和270°位置時，容器表面位移約為15.4 mm。

有關(guān)從容器外表面進(jìn)行掃查的細(xì)節(jié)，列在外探法中討論。以下介紹建模工具如何用于設(shè)計插入式管座焊縫從接管內(nèi)表面進(jìn)行檢測的方法。

3.6內(nèi)探法案例

這里列舉內(nèi)探法實(shí)例，說明借助于帶編碼器的機(jī)械掃查裝置，如何采用PA線陣探頭從接管內(nèi)表面，對插入式馬鞍形管座焊縫進(jìn)行掃查并顯示圖像和記錄結(jié)果的檢測方法要領(lǐng)。

3.6.1管接頭試樣的制作

最常見的管座焊縫結(jié)構(gòu)型式如圖25所示。對圖30所示插入式接管連接端伸出容器內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)，通常是用單晶探頭在接管內(nèi)壁靠近接管伸出端的區(qū)域，作上下來回“光柵”式移動(老方法是用普通單探頭作單一機(jī)械移動)。但當(dāng)焊接接口呈馬鞍形，即接管連接端與容器接口成形一致時，由于“光柵”掃查距離始終隨接管管端形狀變化，因此要求使用特意設(shè)計制作的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)，以免探頭移動偏離接管連接端位置。

圖30　插入式接管連接端伸出容器本體內(nèi)壁示意

E掃時，可安置一個線陣PA探頭，使之以固定的跨距，沿接管圓周內(nèi)表面，對管座焊縫進(jìn)行相控陣E掃。先用公式求出沿連接管口的表面位移(參閱3.6.2)，選用適當(dāng)探頭，以確保探頭陣列始終處于固定深度位置，而E掃時的聲束覆蓋范圍足以跟蹤焊縫的馬鞍形。注意：對壁厚很大的焊縫，探頭不可能用一個位置覆蓋整個被檢焊縫。

為應(yīng)對插入式管座焊縫的實(shí)際UT，預(yù)先制作了驗(yàn)證演示用的焊接試樣實(shí)物。焊接試樣的制作要求見表7。

表7　插入式管接頭焊接試樣的制作要求　mm

為評定相控陣仿真聚焦法則對檢測的有效性，在焊接試樣焊縫區(qū)用電火花加工制作了4條模擬裂紋的線槽，另外還在焊縫中兩個區(qū)域特意制作了代表體型缺陷的密孔。管接頭試樣外觀見圖31，埋藏缺陷的性質(zhì)和位置見圖32。電火花線槽的長×寬×深為15 mm×1 mm×4 mm,分別位于0°、90°、180°和270°位置，密孔分別位于40°和330°位置。

圖31　管接頭試樣實(shí)物外觀與尺寸示意

圖32　管接頭試樣中的缺陷布位示意

3.6.2管接頭掃查建模

(1) 位移計算

從接管內(nèi)表面對插入式管接頭進(jìn)行檢測，先要評估0°與90°位置之間的焊縫位移。實(shí)際上，這些數(shù)值從圖29即可得知，估算位移為15.4 mm。

(2) 探頭選用和放置

采用聲線示蹤模式選用探頭和楔塊，確定適應(yīng)焊縫位移的探頭位置。由此，決定選用楔塊為0°的工業(yè)用線陣探頭(7.5 MHz，60晶片陣列，芯距1 mm，被動聲闌10 mm，聚苯乙烯延遲塊厚度20 mm)。使用聲線示蹤軟件，探頭置于接管內(nèi)表面0°位置，選用適當(dāng)?shù)纳疃榷ㄎ?，使得聲束?0°位置位移最大時也能同樣覆蓋被檢區(qū)而有效檢測焊縫。

(3) 聚焦法則選定

因探頭定位要對接管內(nèi)表面進(jìn)行機(jī)械跟蹤，故應(yīng)適當(dāng)配置聚焦法則，使超聲波束能對被檢焊縫和熱影響區(qū)實(shí)施體積覆蓋。插入式管接頭內(nèi)探法聚焦法則的設(shè)置效果示例如圖33所示。

圖33　插入式管接頭內(nèi)探法線掃聚焦法則設(shè)置效果圖例

為使用多種聲束角度獲得被檢體積的覆蓋重疊性，提高缺陷檢出率，配置了0°、10°和-15°三種縱波E掃方式進(jìn)行掃查。此配置的聲闌尺寸為12 mm (每一聚焦法則激活12個相鄰陣元)，沿探頭全長依次激活。

(4) 探頭底面曲率

因探頭楔塊底面為平面形狀，按使用的曲率建模軟件，測出探頭楔塊平底面與接管內(nèi)表面的最大間隙為1.79 mm，故要求楔塊底面修整，以與接管內(nèi)表面吻合。

(5) 探頭移動機(jī)械方式

對管接頭采用UT內(nèi)探法在接管內(nèi)表面探測時，可接近性會明顯限制操作者移動探頭，以致影響有重復(fù)性的編碼結(jié)果。因此，設(shè)計探頭工裝夾具時，要列入建模仿真內(nèi)容。這方面可借助于CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)來設(shè)計探頭工裝夾具，同時為定位編碼器的移動提供方便。

將探頭設(shè)定在適當(dāng)?shù)纳疃任恢?，并配置編碼動作，安裝于掃查器(圖34)上。掃查器由以下各部分組成：三腳定心規(guī)，頂面夾頭，導(dǎo)向螺絲(調(diào)節(jié)探頭深度位置)，探頭夾頭(圖34中所示有一斜楔，也可換裝其他楔塊或探頭)，旋轉(zhuǎn)軸(頂部曲柄控制)。耦合劑的微型輸送管道，探頭和編碼器的電子線路均未示出，但可通過對中彈簧之間的空缺進(jìn)行排布。

固定的CAD模型可變成動畫，即使整套裝置放在接管中，也可觀察因幾何形狀可能碰到的機(jī)械障礙或問題(如焊縫位移軌跡等)。

圖34　管接頭內(nèi)探法掃查器外觀圖片

3.6.3掃查結(jié)果

使用配置的儀器和裝置，按照建模仿真軟件(ESBeam Tool)設(shè)置的聚焦法則，用IIW試塊中的φ1.5 mm 橫孔進(jìn)行校驗(yàn)，調(diào)整基于時間-校準(zhǔn)-增益(TCG)的靈敏度水平，對管座焊縫進(jìn)行PAUT。

圖35為C型顯示掃查匯總結(jié)果，圖中示出了插入式管接頭用內(nèi)探法PAUT檢出的面型和體型缺陷。

圖35　管接頭焊接試樣內(nèi)探法PAUT檢出的面型和體型缺陷的C型顯示

3.6.4CIVA 建模軟件仿真結(jié)果

要制作原尺寸的管接頭焊接試樣，費(fèi)用很高。為使類似的精細(xì)掃查省時省力，建模仿真已成為國際上一些重要法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的通用選項。

圖36示出了管接頭接管內(nèi)探法中，探頭在不同位置檢出的缺陷顯示圖像的仿真結(jié)果 ：包括兩個“最高點(diǎn)”(0°，180°)，兩個“最低點(diǎn)”(90°，270°)，兩個“中間點(diǎn)”(40°，325°)。

圖36　管接頭接管內(nèi)探法中探頭在不同位置檢測出的缺陷顯示的仿真結(jié)果

3.7外探法案例[7]

3.7.1概述

對插入式管接頭使用外探法時，建模仿真可為實(shí)現(xiàn)聲束全覆蓋而必須考慮的物理參數(shù)提供依據(jù)，建模仿真和實(shí)際掃查結(jié)果表明：用聲線示蹤編程作出的掃查布置圖，能提供所需覆蓋范圍的適當(dāng)指示。不管是從容器本體或接管外表面掃查，用于駕馭探頭動作的機(jī)械裝置可設(shè)計得盡量簡單。

3.7.2方法要領(lǐng)

(1) 管接頭實(shí)樣

其為插入式接管，接管直徑250 mm，容器直徑1 000 mm，接管和容器壁厚分別為13,12.5 mm。管接頭無補(bǔ)強(qiáng)板之類配件，實(shí)施外探法無障礙。

(2) 掃查布置圖

探頭布置和聲線示蹤如圖37所示。為保證管座焊縫和熱影響區(qū)體積全覆蓋，采用繞管二次掃查，探頭前緣與接管表面水平距離分別為15,25 mm。

圖37　插入式管接頭外探法掃查布置示意

(3) 掃查器

插入式管座焊縫檢測用的探頭掃查器如圖38所示。探頭架上裝有彈簧，探頭繞管作周向掃查時，可借助彈簧使探頭緊壓在容器表面。當(dāng)探頭從本體-接管相貫線最高點(diǎn)(0°或180°)向最低點(diǎn)(90°或270°)下移時，靠彈簧機(jī)構(gòu)也能確保探頭與容器表面聲耦合良好。

圖38　插入式管接頭外探法掃查器外觀

圖39　相控陣平面探頭在容器外表面上的最大間隙

(4) 探頭參數(shù)

所選用的探頭參數(shù)為:5L16線陣(5 MHz、16陣元、被動聲闌10 mm、芯距0.6 mm)，S掃，16陣元主動聲闌，始陣1#，40°～70°，橫波。用16線陣探頭可減少接觸面積，以盡量減少探頭的搖擺和耦合問題。此要求很重要，因接管周圍本體的表面曲率是連續(xù)變化的，楔塊不可能逐個修整匹配。具體要求為探頭底面與本體表面間的最大間隙G不大于0.5 mm (由計算得知此最大間隙G為0.224 mm，見圖39)。

(5) 掃查結(jié)果

用裝好探頭的PAUT儀器，并用IOW試塊中φ1.5 mm橫孔校驗(yàn)聚焦法則，調(diào)好基于TCG(時間校準(zhǔn)增益)的靈敏度水平，即可用ESBeam工具建模設(shè)定的聚焦方法對管座焊縫進(jìn)行檢測。

圖40為相控陣B掃和C掃圖像的匯總結(jié)果,圖中可見掃查管座焊縫檢出的缺陷。掃查坐標(biāo)水平軸一般用度數(shù)表示。C掃(俯視圖)能準(zhǔn)確標(biāo)繪缺陷位置，但B掃不能使所有缺陷深度成像(由于曲率效應(yīng)使實(shí)際深度相對于計算深度有變)。然而，通過CIVA建模仿真，氣孔信號能準(zhǔn)確標(biāo)繪在焊縫體積中。

圖40　管接頭試樣缺陷的外探法B掃和C掃圖像顯示匯總

(6) PA掃查建模仿真

如前所述，依靠軟件建模仿真省時省力。為確認(rèn)聲線跟蹤?；^程，在CIVA仿真軟件中配置了管接頭的試樣和PAUT建模。此建模仿真包括設(shè)置典型缺陷，以及使用與實(shí)際掃查一樣的仿真PAUT探頭和楔塊。

檢測結(jié)果可從幾個仿真靶體上看到。此應(yīng)用實(shí)際上就是用CIVA軟件來仿真超聲與缺陷的相互作用，可謂PAUT的第二階段——檢測結(jié)果的評定認(rèn)可。

圖41示出了CIVA仿真軟件對管座焊縫相控陣外探法中檢出缺陷進(jìn)行仿真處理的結(jié)果實(shí)例。

圖41　CIVA軟件對管座焊縫相控陣外探法中檢出缺陷的仿真結(jié)果

借助于探測數(shù)據(jù)和CIVA建模仿真軟件，還可作出管座焊縫的B掃極坐標(biāo)圖，如圖42所示。此圖很好地展示了檢出缺陷的相似性。只有325°位置的密孔顯示信號較弱(因表面曲率影響缺陷反射波的接收)。

圖42　管接頭試樣缺陷仿真處理前后的外探法B掃極坐標(biāo)圖

3.8結(jié)論

(1) 建模仿真可用于插入式管座焊縫檢測的掃查布置的設(shè)置和檢測驗(yàn)證。

(2) 整個管座焊縫的馬鞍形形狀變化，均可用公式建模仿真，并通過實(shí)際掃查進(jìn)行驗(yàn)證。

(3) 對聚焦法則的選擇，以及探頭和楔塊的選擇，可借助于建模仿真(ESBeamTool聲線跟蹤)結(jié)果，確定聲束有無足夠的體積覆蓋范圍,來判定合格與否。

(4) 楔塊底面的修整要求可由建模仿真軟件(ES楔塊耦合間隙軟件)確定。

(5) CAD建模仿真可用于設(shè)計掃查裝置，目視驗(yàn)證與焊縫形狀幾何干擾識別。

(6) CIVA半解析建模仿真可用于模擬管接頭試樣中的缺陷，為驗(yàn)證使用方法的檢測能力提供方便。

(7) ASME 2013版對承壓設(shè)備制造質(zhì)量有關(guān)UT的CI要求，不只適用于一般對接接頭對接焊縫的檢測，也適用于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的管座焊縫的檢測。采用帶編碼器的機(jī)械掃查裝置，制作模擬焊接試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并使用建模仿真軟件繪制掃查布置圖和記錄檢測結(jié)果，是貫標(biāo)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵程序。

有關(guān)承壓設(shè)備特殊結(jié)構(gòu)、特殊材料涉及的PAUT物理基礎(chǔ)、技術(shù)背景以及特性驗(yàn)證細(xì)節(jié)，詳見最新參考文獻(xiàn)[8]。

[1]ASME BPVC (2013) Section V, Article 4Ultrasonic examination methods for welds[S].

[2]HUDGULL R J. Handbook on the ultrasonic examination of austenitic clad steel components [M]. Luxembourg: European Commission, Joint Research Center, Institute of Advanced Materials, 1994:8-21.

[3]李衍.小徑薄壁管超聲相控陣檢測[J].無損探傷， 2012，36(3):1-4.

[4]ASME B 31.1Code case 179 use of ultrasonic examination in lieu of radiography for B 31.1 applications in materials 1/2 in. or less in wall thickness [S].

[5]ASME B 31.3Code case 181 use of alternative ultrasonic examination acceptance criteria in ASME B 31.3[S].

[6]李衍.管座焊縫內(nèi)探法相控陣超聲自動檢測[J].無損探傷， 2014，38(1)：1-6.

[7]TANARRO A, GARCIA A. Ultrasonic inspection of complex nozzles—application of new technologies[J]. NDT Net, 1998,3(3):1-4.

[8]王悅民，李衍，陳和坤.超聲相控陣檢測技術(shù)和應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2014.

Evaluation of NDE Key Requirements in 2013 ASME Code：Conventional and Unconventional UT Techniques for Special Construction (Sequel)

LI Yan

(NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society, Wuxi 214026, China)

2014-10-27

李衍(1940-),男,高級工程師,主要從事承壓設(shè)備的無損檢測工作。

10.11973/wsjc201512017

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0068-07