蔚道祥*

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院）

0 引言

目前，天然氣和石油等能源產(chǎn)品需求量快速增加，石油管線建設處于飛速發(fā)展階段。與鐵路運輸相比，管道運輸具有安全、經(jīng)濟、效率高等特點[1]。由于管道在焊接過程中容易產(chǎn)生缺陷，服役環(huán)境也較為復雜（如高溫、高壓、腐蝕等），同時管道往往還要承受沖擊、疲勞等惡劣工況，這會使管道的使用性能惡化，甚至產(chǎn)生開裂造成事故，因此，對管道開展無損檢測是管道建設和在役使用過程中的重要工序[2-3]，也是管道安全運行，避免發(fā)生事故的重要保證。

目前管道環(huán)焊縫內(nèi)部缺陷的檢測手段主要為常規(guī)超聲檢測和射線檢測，超聲檢測方法的原理是被檢對象內(nèi)部組織變化會對超聲波的傳播產(chǎn)生影響，采用該方法檢測時對被檢對象表面清潔度要求較高。對于曲率半徑較大的管道[4]，常規(guī)超聲檢測聲束擴散嚴重，缺陷波反射率低，易造成缺陷漏檢情況，因此檢測結果可靠性較低。同時檢測波形較為復雜，檢測結果不可記錄，對檢測人員的現(xiàn)場經(jīng)驗要求較高。射線檢測方法存在較為明顯的缺點：（1）作業(yè)時間局限性比較大，一般只能在晚上進行檢測；（2）射線對于人體有一定程度的傷害，檢測人員在作業(yè)時存在一定風險；（3）射線檢測對于裝置內(nèi)的一些精密儀器有不利影響；（4）檢測結果比較繁瑣，檢測效率低、成本高、檢測周期長等。鑒于此，本文提出采用超聲相控陣檢測技術開展管道環(huán)焊縫檢測研究。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測技術采用脈沖回波技術將多角度多聲束掃描成像。超聲相控陣檢測系統(tǒng)包括接收和發(fā)射兩部分。該系統(tǒng)使用不同形式的陣列換能器，采用邏輯控制電路控制各個壓電晶片的激發(fā)時間，從而按照需求來變換合成的波陣面的曲率半徑、指向性、聚焦孔徑等參數(shù)，實現(xiàn)波束的合成、方向偏轉(zhuǎn)及會聚等控制的目的，檢測儀上可以顯示實時成像，能夠提高分辨率、信噪比和檢測靈敏度[5-6]。接收同樣可遵循的激發(fā)聚焦法則，由于激發(fā)的超聲波是按照一定的時間差發(fā)射的，在聲波接收時需要對信號進行延時補償，從而達到相位一致，合成波束，如圖1 所示。

圖1 相控陣系統(tǒng)原理

2 標準試樣

針對曲率半徑小于200 mm 的管道環(huán)焊縫檢測，GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》標準中并沒有直接給出檢測工藝的選取方法，只是提出了管徑小于200 mm 時應按照常規(guī)超聲標準進行檢測。由于被檢工件曲率半徑小于200 mm時，探頭和檢測對象接觸面耦合度較差，會大大影響檢測結果的準確性，所以在進行檢測時需選取配備曲率楔塊的探頭，對探頭進行較準時選用的試樣也需要具備一定曲率。常規(guī)超聲檢測用的CSK 系列試樣表面是平的，無法滿足曲率探頭較準要求。試樣的表面曲率和被檢測工件曲率近似，并且存在不同聲程的反射體的要求，本試驗選取“小徑管焊接接頭超聲波檢驗專用試樣DL-1”進行線性校準，試樣的具體參數(shù)如表1 所示，校準時利用試樣的圓弧面來確定聲速和探頭延遲情況。 DL 試樣尺寸如圖2 所示。

表1 采用的DL-1試樣參數(shù)及適用范圍

圖2 DL試樣（單位：mm）

對于超聲相控陣儀器需要較準分辨率和線性，在ASME 2779 標準中有相關規(guī)定，利用B 型試樣對儀器的水平分辨率、S 掃分辨率、深度分辨率等進行較準，從而保證檢測結果的準確性。B 型試樣如圖3 所示。

圖3 相控陣B型試樣示意圖（單位：mm）

3 儀器設備

本文采用的儀器為OmniScanMX2 奧林巴斯相控陣超聲探傷儀，該超聲相控陣儀最大可支持32 通道，如圖4 所示。該儀器具有采集速率快、檢測周期短、可速度設置、便于創(chuàng)建報告等特點。該儀器具有以下特點：（1）模塊化平臺；（2）多組性能；（3）種類齊全的模塊系列；（4）寬大的觸摸屏；（5）雙軸編碼與數(shù)據(jù)歸檔性能。結合被檢工件實際尺寸，本次試驗探頭選用5.0L32-1.0-10 型自聚焦線陣相控陣探頭，頻率為5 MHz，共32 陣元。為了實現(xiàn)半自動化監(jiān)測，采用了奧利巴斯鏈條式掃查器，根據(jù)管徑大小選取相應的掃查器，實現(xiàn)缺陷定位的問題，在實際檢測過程中應時刻保持掃查器正常運行。

圖4 奧林巴斯超聲相控陣檢測儀器

4 檢測試樣

為了驗證整套檢測系統(tǒng)的有效性，并結合工業(yè)中常用管道尺寸，加工了 112 mm×12 mm×320 mm和 158 mm×12 mm×300 mm 兩種規(guī)格含自然缺陷試樣，材料為20#鋼，缺陷相關信息可見表2。

表2 缺陷試樣

5 檢測結果

5.1 試樣1檢測結果

超聲相控檢測采用扇形掃查整個管道環(huán)焊縫，與常規(guī)超聲檢測不同，超聲相控陣檢測技術不需要前后移動探頭位置，只需要確定傳感器距離焊縫中心線距離，固定掃查器的位置，然后從0 標記位置轉(zhuǎn)動掃查器一圈即可完成整個管道的掃查工作。制定檢測工藝時要滿足檢測靈敏度又要確保聲場覆蓋整個檢測區(qū)域，可根據(jù)檢測試樣的厚度來確定探頭的角度掃查范圍，通常扇形掃查角度設置為35°～75°，在該角度范圍內(nèi)制作曲線（如DAC 或TCG）比較困難時，可根據(jù)實際檢測情況對角度進行適當調(diào)整。用手動方式將探頭與被檢工件進行耦合，采用時基方法，將探頭沿著管道外壁進行周向掃描。在掃查過程中需要關注主要探頭和被檢工件表面的耦合情況，若C掃描視圖中出現(xiàn)斷續(xù)圖像或者其他顯示異常，則需要重新進行檢測，確保信號耦合良好。

圖5 和圖6 為超聲相控陣檢測結果，其中A 掃描視圖與常規(guī)超聲檢測相同，可通過幅值判斷缺陷的當量大小，S 掃描視圖可以確定缺陷在焊縫中的位置，C 掃描視圖可以確定缺陷長度及其在管道環(huán)向的位置。結合視圖三種掃描視圖可對缺陷進行準確的定性和定位分析。超聲相控陣檢測結果還包含B 掃描視圖和D 掃描視圖等，可結合實際檢測需求，在儀器中調(diào)取相應的檢測視圖。在軟件中可直接提取缺陷的相關參數(shù)，其中A%代表缺陷幅值，DA為缺陷深度，PA為探頭距離焊縫中心線距離，S（m-r）為缺陷長度,S（m）為缺陷終端位置,S（r）為缺陷起始位置,U（m-r）表示缺陷的高度，U（r）為上端點深度。

圖5 試樣1缺陷F1檢測結果

圖6 試樣1缺陷F2檢測結果

缺陷檢測尺寸如表3 所示，其中F1 和F2 兩個缺陷均被檢出，選定缺陷后，可在相控陣儀器中自動讀取缺陷的相關參數(shù)，但需注意的是，S 掃描中的閘門需要選中缺陷，儀器才能讀出缺陷的實際參數(shù)，否則可能會導致誤判。F1 缺陷在儀器中讀出位置、長度、深度與實際值較為接近，結合A 掃描和S 掃描可大致確定該缺陷的性質(zhì)。

表3 試樣1檢測結果

5.2 試樣2檢測結果

試樣2 的檢測結果如圖7 和圖8 所示，具體尺寸可見表4，F(xiàn)1 和F2 2 個缺陷在掃查圖像中均被檢出。缺陷的檢測尺寸與實際值對比可知，檢測結果較為準確，誤差較小，可滿足實際檢測需要。

圖7 試樣2缺陷F1

圖8 試樣2缺陷F2

表4 試樣2檢測結果

6 結語

通過對 112 mm×12 mm×320 mm 和 158 mm×12 mm×300 mm兩種規(guī)格含自然缺陷試樣進行超聲相控陣檢測試驗后可知，采用超聲相控陣檢測技術得到的缺陷位置、長度和深度與缺陷實際情況較為符合。試驗結果表明，超聲相控陣檢測技術對管道環(huán)焊縫內(nèi)缺陷具有足夠的檢測靈敏度和分辨力，證明了超聲相控陣檢測技術具有一定程度的有效性和可靠性。

另外，相對于常規(guī)超聲檢測，超聲相控陣檢測技術只需調(diào)整相關參數(shù)和固定掃查器的相對位置，將掃查器轉(zhuǎn)動一圈，不需要采用鋸齒形掃查，大大提高了檢測效率，同時對于檢測人員的現(xiàn)場經(jīng)驗要求相對也較低。