基于幾種常用超聲方法的承壓設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)比對(duì)

1、 基于幾種常用超聲方法的承壓設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)比對(duì) 沈建民 張子健 許波 吳家喜 胡健 張小龍 柴軍輝Summary：脈沖反射法超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、常規(guī)線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣等幾種常用超聲方法是承壓設(shè)備對(duì)接焊縫埋藏缺陷檢測(cè)的有效手段，其適用范圍、檢測(cè)靈敏度、分辨率、缺陷定量精度等方面存在眾多差異。針對(duì)這些差異性，首先通過(guò)闡述檢測(cè)原理比較幾種方法的不同及其優(yōu)缺點(diǎn)，其次針對(duì)43 mm厚的對(duì)接焊縫模擬試板進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，并分析結(jié)果，明確幾種方法的適用情況，為今后承壓設(shè)備對(duì)接焊縫埋藏缺陷的檢測(cè)提供了一定的技術(shù)參考。Key：對(duì)接焊縫;脈沖反射法超聲檢測(cè);衍射時(shí)差法超聲檢測(cè);超聲相控陣檢測(cè)：T

2、H142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ：1001-2003（2021）06-0075-07DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.140 前言特種設(shè)備領(lǐng)域的承壓設(shè)備主要包含鍋爐、壓力管道和壓力容器，目前國(guó)內(nèi)大型石油化工企業(yè)成套裝置內(nèi)壓力容器和壓力管道數(shù)量眾多，在設(shè)備制造和連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，壓力容器和壓力管道的對(duì)接焊縫會(huì)產(chǎn)生各類缺陷，主要包括未焊透、未熔合、夾渣、氣孔和裂紋1。在制造階段中，GB 150.4-2011壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收和GB/T20801.5-2020壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第5部分：檢驗(yàn)與試驗(yàn)規(guī)定了對(duì)于埋藏缺陷的檢測(cè)方法和比例，此處提

3、及的超聲檢測(cè)方法包括：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）、可記錄的脈沖反射法和不可記錄的脈沖反射法;在役定期檢驗(yàn)過(guò)程中，TSG 21-2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和TSG D7005-2018壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則工業(yè)管道中規(guī)定了采用超聲方法檢測(cè)埋藏缺陷。目前使用較為廣泛的幾種超聲檢測(cè)方法主要有脈沖反射法超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、常規(guī)線陣超聲相控陣、全聚焦超聲相控陣，這幾種超聲檢測(cè)方法在使用過(guò)程中存在眾多差異，適用范圍和檢測(cè)側(cè)重點(diǎn)也不同。文中采用這幾種常用聲學(xué)方法，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)了43 mm厚對(duì)接焊縫模擬試塊，并比對(duì)檢測(cè)結(jié)果，分析總結(jié)每種方法的特點(diǎn)與適用性，為今后承壓設(shè)備制造和使

4、用過(guò)程中的埋藏缺陷檢測(cè)提供一定的技術(shù)支撐。1 檢測(cè)方法與原理1.1 脈沖反射法超聲檢測(cè)（A超）（1）檢測(cè)原理。超聲波探頭產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中，以一定的方向和速度向前傳播，當(dāng)遇到兩側(cè)聲阻抗存在差異的界面時(shí)，部分聲波被反射并被檢測(cè)設(shè)備接收和顯示，通過(guò)分析聲波幅度和位置等信息，評(píng)估是否存在缺陷及其大小、位置等。主要方法包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法，其中對(duì)接焊縫檢測(cè)使用較多的是缺陷回波法，通過(guò)傳播時(shí)間對(duì)缺陷定位，通過(guò)回波幅度對(duì)缺陷定量2。（2）優(yōu)點(diǎn)。穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè);缺陷定位較準(zhǔn)確;對(duì)面積型缺陷的檢出率較高;檢測(cè)成本低、速度快，設(shè)備輕便，對(duì)人體及環(huán)境無(wú)

5、害，現(xiàn)場(chǎng)使用較為方便。（3）局限性。難以對(duì)缺陷進(jìn)行精確的定性、定量，尤其是缺陷測(cè)高;對(duì)具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進(jìn)行超聲檢測(cè)困難;材質(zhì)、晶粒度等對(duì)檢測(cè)有較大影響;檢測(cè)結(jié)果顯示不直觀且無(wú)直接見(jiàn)證記錄;對(duì)人員技術(shù)要求較高。1.2 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)（TOFD）（1）檢測(cè)原理。衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)是通過(guò)超聲波與缺陷相互作用所產(chǎn)生的衍射波來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)接焊縫焊接質(zhì)量的超聲檢測(cè)方法，通常選用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式。此方法一般將探頭分布于焊縫兩側(cè)，在工件無(wú)缺陷部位，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波。有缺陷存在時(shí)，在直通波和底面反射波之間，接收探頭還會(huì)接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波。

6、掃查方式分為非平行掃查、平行掃查和偏置非平行掃查3。（2）優(yōu)點(diǎn)。缺陷的衍射信號(hào)與缺陷的方向無(wú)關(guān)，缺陷檢出率高;覆蓋范圍大;缺陷自身高度測(cè)量精確;實(shí)時(shí)成像，可儲(chǔ)存分析;定量不依賴于缺陷的回波幅度。（3）局限性。存在掃查面盲區(qū)和底面盲區(qū)，需采用有效手段進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè);衍射波信號(hào)較弱，容易被噪聲干擾;焊縫中下部缺陷容易被夸大，對(duì)于數(shù)據(jù)分析能力要求較高。1.3 常規(guī)線陣超聲相控陣（PAUT）（1）檢測(cè)原理。常規(guī)線陣超聲相控陣技術(shù)通過(guò)控制換能器陣列中各陣元激勵(lì)脈沖的時(shí)間延遲，改變各陣元發(fā)射聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，從而進(jìn)行掃描成像。通過(guò)設(shè)置掃查角度范圍、聚焦深度和焦點(diǎn)

7、尺寸等參數(shù)，在一定程度上克服了A超由于聲束的方向性導(dǎo)致的在缺陷檢出和定量上的限制，其中波束偏轉(zhuǎn)和波束聚焦都是基于波的疊加和干涉以及惠更斯原理4。（2）優(yōu)點(diǎn)。具有較高檢測(cè)效率，可在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快速線掃查或扇形掃查，免去了鋸齒形掃查;可設(shè)置聲束角度，通過(guò)設(shè)定多個(gè)檢測(cè)角度，可以對(duì)復(fù)雜形狀設(shè)備和在役設(shè)備進(jìn)行檢測(cè);可以對(duì)所要關(guān)注的部位進(jìn)行聚焦掃查，適用于現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)?？焖贆z測(cè)。（3）局限性。扇掃過(guò)程中需要采用一次反射波進(jìn)行表面掃查，檢測(cè)設(shè)備較為昂貴，對(duì)于不同規(guī)格的管道需要設(shè)置不同掃查工裝。1.4 全聚焦超聲相控陣（TFM）（1）檢測(cè)原理。全聚焦相控陣檢測(cè)過(guò)程主要包括兩個(gè)部分：全矩陣數(shù)據(jù)采集

8、（FMC）和全聚焦成像算法（TFM）。全矩陣數(shù)據(jù)采集原理如下：假定相控陣探頭具有n個(gè)陣元，依次激發(fā)每一個(gè)陣元，所有陣元接收回波信號(hào)并儲(chǔ)存，按照此規(guī)律依次激發(fā)所有陣元，直到最后一個(gè)陣元被激發(fā)，并被所有陣元接收，最后采集得到nn列時(shí)域超聲回波信號(hào)，因?yàn)楸徊杉瘮?shù)據(jù)可看作存儲(chǔ)在一個(gè)n行n列的矩陣中，所以稱之為全矩陣數(shù)據(jù)采集。全聚焦成像算法原理如下：針對(duì)所檢測(cè)區(qū)域設(shè)定一個(gè)自定義成像區(qū)，得到任意一點(diǎn)P（x，y）到任意一對(duì)晶片組合（M，N）的聲程分別為：SM，P為探頭晶片M到P點(diǎn)的聲程，SP，N為P點(diǎn)到探頭晶片N的聲程，以成像區(qū)中的聲程數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)FMC數(shù)據(jù)進(jìn)行相干疊加處理，獲得表征該點(diǎn)信息的幅值I （x

9、，y）=f （FMC，SM，P，SP，N），采用該算法得到自定義成像區(qū)內(nèi)每點(diǎn)的成像，最終得到各點(diǎn)能量高度聚焦的效果5。（2）優(yōu)點(diǎn)。全聚焦超聲相控陣最大的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍的實(shí)時(shí)全部聚焦，具有較高信噪比、成像分辨率和檢出率，尤其針對(duì)于小缺陷，測(cè)量精度較高，對(duì)于焊縫裂紋定性和定量具有較高的準(zhǔn)確性。（3）局限性。首先檢測(cè)設(shè)備較為昂貴，其次檢測(cè)速度比常規(guī)線陣相控陣慢，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)較大，對(duì)于設(shè)備要求較高，一般不用于大批量對(duì)接焊縫掃查，通常用于缺陷精確定量。2 檢測(cè)結(jié)果及討論2.1 模擬試板針對(duì)承壓設(shè)備對(duì)接焊縫的常見(jiàn)缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是危害性較大的表面裂紋和埋藏裂紋，加工了43 mm厚對(duì)接焊縫模擬試塊，如表

10、1、圖1所示。2.2 檢測(cè)工藝2.2.1 脈沖反射法超聲檢測(cè)檢測(cè)工藝如表2所示。2.2.2 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)檢測(cè)工藝如表3所示。2.2.3 常規(guī)線陣超聲相控陣本次檢測(cè)所用設(shè)備是以色列ISONIC 2009相控陣檢測(cè)儀器，探頭為16晶片的線陣橫波探頭，頻率4 MHz，楔塊角度36，折射中心角度55。相控陣檢測(cè)主要參數(shù)如下：掃查方式為沿線掃查+扇掃描，記錄模式為編碼器，編碼器步進(jìn)1 mm，扇掃范圍3275，角度步進(jìn)1，聚焦深度43 mm，聲速5 900 m/s，評(píng)定線靈敏度為260-14 dB，掃查靈敏度為260-8 dB，檢測(cè)面為雙面單側(cè)，掃查速度30 mm/s，耦合補(bǔ)償為3 dB。2.2.4

11、 全聚焦超聲相控陣全聚焦相控陣檢測(cè)采用M2M公司的GEKKO攜式相控陣探傷儀，探頭參數(shù)如下：64晶片線陣探頭，頻率10 MHz，晶片中心距0.3 mm，長(zhǎng)度19.15 mm，寬度8 mm，楔塊角度36。檢測(cè)主要參數(shù)如下：采用輪式編碼器，步進(jìn)1 mm，全聚焦的波型模式為TT（橫波-橫波），全聚焦范圍寬度40 mm，高度45 mm，分辨率5.5采樣點(diǎn)/mm，基準(zhǔn)增益為75 dB，掃查增益為6 dB。2.3 檢測(cè)結(jié)果2.3.1 脈沖反射法超聲檢測(cè)結(jié)果常規(guī)A超檢出了模擬試板中的所有缺陷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。檢測(cè)波形如圖2所示。2.3.2 衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)結(jié)果TOFD檢出了所有缺陷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示

12、。TOFD檢測(cè)D掃結(jié)果如圖3所示。2.3.3 常規(guī)線陣超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果由于常規(guī)線陣相控陣扇掃存在一定范圍的盲區(qū)，所以采用單側(cè)雙面的方法進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)正反兩面的掃查，檢出所有缺陷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。常規(guī)線陣相控陣檢測(cè)圖譜如圖4所示。2.3.4 全聚焦超聲相控陣結(jié)果采用全聚焦超聲相控陣從單面單側(cè)進(jìn)行掃查，檢出了所有缺陷，缺陷情況如表7所示。全聚焦超聲相控陣檢測(cè)圖譜如圖5所示。2.4 討論分析對(duì)以上4種常用聲學(xué)檢測(cè)方法的結(jié)果進(jìn)行匯總比對(duì)，重點(diǎn)關(guān)注缺陷長(zhǎng)度、深度和自身高度的測(cè)量結(jié)果，如表8所示。由表8可知：（1）對(duì)于缺陷長(zhǎng)度的測(cè)量，A超由于是基于半波法進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，測(cè)量精度低于其余三種，TOFD和TF

13、M的測(cè)長(zhǎng)結(jié)果最為接近，考慮到TOFD檢測(cè)原理和TFM檢測(cè)原理，可認(rèn)為兩者在缺陷測(cè)長(zhǎng)方面具有較高的可靠性，PAUT的測(cè)長(zhǎng)準(zhǔn)確性略低于TOFD和TFM;（2）對(duì)于非表面開(kāi)口缺陷深度的測(cè)量，仍然是TOFD和TFM兩者的測(cè)深結(jié)果最為接近，A超的測(cè)量精度明顯提高，與TOFD和TFM差距較小，PAUT的結(jié)果與A超類似，誤差較小，因此在測(cè)深方面，四種聲學(xué)技術(shù)均具有較高的準(zhǔn)確性，但值得注意的是，對(duì)于表橫裂紋這類表面開(kāi)口缺陷，TFM法由于近場(chǎng)區(qū)的影響，測(cè)量會(huì)不準(zhǔn)確，需采用單側(cè)雙面或者雙面雙側(cè)進(jìn)行掃查，A超測(cè)出的是缺陷最高回波處的深度，PAUT采用了單面雙側(cè)檢測(cè)，TOFD通過(guò)測(cè)量直通波下沉情況進(jìn)行判斷，具有較高的

14、準(zhǔn)確性;（3）對(duì)于缺陷自身高度的測(cè)量，雖然NB/T47013.3-2015承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)給出了A超缺陷測(cè)高方法，但實(shí)際應(yīng)用難度較高，需要較高的操作水平且測(cè)量結(jié)果易受雜波干擾，所以應(yīng)用不廣泛，綜合考慮TOFD檢測(cè)原理與試板加工預(yù)制缺陷情況，認(rèn)定TOFD測(cè)高結(jié)果最為接近真實(shí)狀況，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，可以得出TFM結(jié)果與TOFD結(jié)果最為接近，但仍需注意近場(chǎng)區(qū)的影響，PAUT測(cè)量準(zhǔn)確性次之，因此在缺陷測(cè)高方面，TOFD檢測(cè)結(jié)果最為可靠，TFM和PAUT檢測(cè)結(jié)果具有較高的可靠性，A超一般不用于測(cè)高。3 結(jié)論（1）脈沖反射法超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)、常規(guī)線陣超聲相控陣和全聚焦相控陣都可

15、用于在制或者在役承壓設(shè)備對(duì)接焊縫埋藏缺陷的檢測(cè)。（2）基于碳鋼材質(zhì)的中厚板對(duì)接焊縫，單從缺陷測(cè)長(zhǎng)精度方面考慮，首選TFM和TOFD方法，其次是PAUT，最后是A超，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)需綜合考慮檢驗(yàn)檢測(cè)效率與成本，目前承壓設(shè)備定期檢驗(yàn)中使用較為廣泛且可靠性較高的方法是PAUT，對(duì)缺陷精確定量時(shí)采用TFM和TOFD方法。（3）對(duì)于缺陷測(cè)深和測(cè)高，首選是TOFD方法，其次是TFM方法，然后是PAUT，最后是A超。A超只能測(cè)定缺陷最高回波處的深度，與實(shí)際深度存在一定偏差，若采用TOFD方法，需針對(duì)表面盲區(qū)和底面軸偏離盲區(qū)采取有效的檢測(cè)手段進(jìn)行彌補(bǔ)，會(huì)增加一定的工作量，目前承壓設(shè)備對(duì)接焊縫埋藏缺陷的檢測(cè)方法主要是采用PAUT大面積快速掃查，對(duì)于需要精確測(cè)高的缺陷，采用TOFD或者TFM方法進(jìn)行定量。Reference：張子健，吳家喜，張小龍，等.壓力管道對(duì)接焊縫典型缺陷的相控陣CIVA仿真與檢測(cè)J. 無(wú)損檢測(cè)，2019，41（3）：45-51.龔浩，鄧志剛. 可記錄脈沖反射法超聲檢測(cè)的試用實(shí)例J. 中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，29（7）：45-46.楊晶，趙亮，王希. 相控陣和超聲衍射時(shí)差法在球罐裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用J. 無(wú)損檢測(cè)，2019，41（1）：35-38.蔡亮，高帥，牛志勇，等. 超聲相控陣技術(shù)在壓力容器焊縫無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用J. 石油和化工設(shè)備，2020，23（11）：