相控阵检测技术在压力管道对接焊缝检测中的应用及常见问题

相控阵检测技术在压力管道对接焊缝检测中的应用及常见问题

刘慧红 ,胡俊丰

湖北鑫宏图检测科技有限公司    湖北荆门 448000

摘要：介绍了相控阵检测技术的原理，总结了其在压力管道对接焊缝检测应用中需注意的要点、存在的问题等。

关键词：  相控阵、压力管道、存在的问题

一、检测仪器和器材

检测仪器采用奥林巴斯公司生产的ＯＭＮＩＳＣＡＮ－ＭＸ２超声相控阵检测仪、ＧＥ 生产的ＵＳＮ６０、探头采用７．５ＣＣＥＶ３５．１６（７．５ＭＨｚ　１６晶片探头）以及单晶直探头和斜探头。

1.检测方案

针对压力管道母材检测，初始检测方案采用ＵＳＮ６０（主要）＋ＯＭＮＩＳＣＡＮ－ＭＸ２（辅助）的方式。在现场检测中发现，传统的Ａ扫超声波仪器采用普通的单晶斜探头扫查时，发现管道内壁处有大量疑似缺陷信号。当改变探头方向进行复核，发现缺陷不在同一水平位置，结合管道内壁腐蚀情况后判断，内壁腐蚀或结焦导致疑似缺陷信号，为真实缺陷的有效识别带来了极大的干扰。相控阵检测仪器具备Ａ 扫、Ｂ扫描、Ｃ扫描、Ｓ扫描图像显示，成像直观等特点，传统Ａ扫超声波仪器需要更换多个探头才能实现疑似缺陷区域的全覆盖，超声相控阵能够在不更换探头的前提下实现３０°～７０°的全覆盖，效率得到了极大地提升。

对传统的Ａ 扫超声波仪器发现的疑似缺陷信号区域进行超声相控阵检测后发现，疑似缺陷信号均是由于内壁腐蚀或结焦导致的。因此压力管道检测，最终采用ＯＭＮＩＳＣＡＮ－ＭＸ２（主要）＋ＵＳＮ６０（辅助）的方式。

二、压力管道对接焊缝检测的现状

在很多大型石油化工和发电装置中，经常会碰到一些压力管道对接焊缝，这些焊缝往往又承载着高温或高压的介质，其焊缝质量对整个装置运行来讲至关重要，受焊缝周边空间结构的限制，常用的射线和超声检测不能对焊缝从各个角度全方位进行透照，再加之射线检测存在辐射，作业时间受到限制，使得其检出率、可靠性以及检测效率均大打折扣，而相控阵检测技术的应用正好能解决压力管道对接焊缝常规检测时的一些问题， 因此，从长远的质量安全和经济效益两个方面来看，该技术在压力管道对接焊缝检测中的应用非常具有实际意义。

三、相控阵检测技术的原理

首先，相控阵检测技术的理论是建立在常规A超的理论基础之上的，常规A超所遵循的一些理论（如反射、折射、波形产生及波形转换等）相控阵同样遵循，与常规A超相比较的话，不同之处体现如下（以最为常见的扇扫为例）：

常规A超所用的是单一晶片的探头，其声束在工件中以唯一的角度传输，由于声束方向单一，因此可能会有一部分缺陷检测不到或回波低而无法判断，当一个常规的探头想要改变声束角度，我们就要改变探头，一个探头对应的是一个角度（K值）；而相控阵探头类似于将一个完整的晶片分割成若干相同的小晶片（称之为阵元），通过对每个独立小晶片发射和接收声波的延时控制（延迟法则） 来实现声束的偏转和聚焦，从而实现单个探头多个角度（如：40°-70°，角度步进为1°时，理解为相当于31个不同K值普通单探头的效果）。

   实际应用中的要点

1相控阵仪器和探头是最重要的两个组件，各自有反映其能力的参数指标，仪器一般讲“通道数”，探头一般讲“频率、晶片（阵元）数、激发孔径”，“表1”能体现出仪器与探头相互组合后对激活孔径的而影响。

2.探头频率、晶片（阵元）数、激发孔径的选择就与被检工件的厚度、材质、结构形式等相关了；  

2.1频率：与常规超声类似，检测碳钢和低合金钢工件时，选择频率相对较高；检测奥氏体不锈钢粗晶材料工件时，选择频率相对较低；检测薄工件时，选择频率相对较高；检厚工件时，选择频率相对较低。（按标准中推荐值选择即可 ）

2.2 晶片（阵元）数：同样的激发孔径下，晶片数增加时，探头偏转能力是增强的；而晶片数越高，探头的价格也是越高的，而且对仪器通道数性能的要求也要提高，检测成本有所增加，所以，一般满足了检测覆盖和灵敏度的前提下，没有必要选择过多的晶片数量，总体而言，较薄工件，选择晶片数相对较小，较厚工件，选择晶片数相对较大。（按标准中的推荐值选择即可 ）

2.3激发孔径：较大的激发孔径，能带来更深的聚焦，但如果孔径过大，楔块通常也会大，又不利于现场检测的放置，总体来讲，与常规超声晶片尺寸相差不大。（按标准中的推荐值选择即可 ）

五．结束语 

存在的问题

在现场实施检测的过程当中，有两个需要验证的问题：

第一、仪器设置和校准结束后，要有一个扫查覆盖的验证，一是确认声束是否满足了的检测区域的覆盖；二是确认覆盖满足的情况下，楔块边缘（或最小角度声束出射点）与焊缝中心最小的距离是否≥（焊缝宽度/2 +热影响区），否则探头（楔块）无法放置。

第二、根部信号的验证问题，对于单面焊双面成型的管道焊缝，根部的错边、局部余高过高、表面凹坑、根部未焊透、根部未熔合在多角度的相控阵探头下都有可能产生反射信号，信号位置几乎相同，除了靠A扫信号来判别外，还可以通过制作试块，扫查获取信号来进行对比验证进行分析，为了方便观察根部的情况，特制作3/4整圈的焊缝试件；

参考文献

[1]周一亮,蒋虎斌,徐亚莉,宋贺斌,宋平.超声波相控阵对焊缝检测的图形判读研究[J].检验检疫学刊,2019,29(6):108-109.

[2]邹昊,何浩华.超声相控阵检测技术及石油输送管检测应用[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(22):53-54.