于 達(dá)，龍華明，孫亞娟，鄭 渝

（1.天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300384；

2.天津工業(yè)大學(xué)，天津300381）

小直徑管管座角焊縫相控陣檢測(cè)探究*

于 達(dá)1，龍華明1，孫亞娟2，鄭 渝2

（1.天津誠(chéng)信達(dá)金屬檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津 300384；

2.天津工業(yè)大學(xué)，天津300381）

設(shè)計(jì)了用于小直徑管管座角焊縫檢測(cè)的掃查裝置，在獲得管座角焊縫截面圖的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟件模擬相控陣聲束線，并根據(jù)相控陣扇形掃描圖像，結(jié)合相應(yīng)探測(cè)布置圖，對(duì)小直徑管管座角焊縫的典型缺陷檢測(cè)圖譜進(jìn)行了識(shí)別和評(píng)定。該研究可解決管座角焊縫不同類型缺陷的定性和定位難題，對(duì)小直徑管管座角焊縫相控陣超聲檢測(cè)圖像識(shí)別和結(jié)果評(píng)定有一定借鑒作用，能較好地指導(dǎo)小直徑管管座角焊縫的相控陣檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)。

焊縫；相控陣檢測(cè)；計(jì)算機(jī)輔助；掃查裝置；缺陷圖譜

1 便于檢測(cè)管座角焊縫的掃查裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)通常由于主管壁過厚，或者主管側(cè)不方便檢測(cè)等原因只能進(jìn)行支管單側(cè)檢測(cè)，本研究針對(duì)該問題設(shè)計(jì)了用于支管檢測(cè)的掃查裝置。超聲相控陣技術(shù)扇形掃查方式在管節(jié)點(diǎn)焊縫上的運(yùn)用，可以減少探頭在支管外壁的移動(dòng)，同時(shí)多角度的電子掃描縮小了管節(jié)點(diǎn)焊接接頭的檢測(cè)盲區(qū)[1]。但相控陣探頭和編碼器體積較大，小直徑管管座角焊縫由于自身特殊結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)時(shí)很難保證探頭耦合始終良好及探頭編碼器的同步移動(dòng)，另外，在檢測(cè)焊縫缺陷時(shí)，相控陣楔塊的最佳位置未必在緊貼焊縫處，常規(guī)檢測(cè)裝置很難滿足上述三個(gè)條件，給檢測(cè)帶來困難[2]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

基于探頭良好耦合管壁，楔塊前沿與焊縫間距可調(diào)以及探頭與編碼器同步移動(dòng)的原則，本研究利用CAD設(shè)計(jì)和數(shù)控機(jī)床加工檢測(cè)裝置，如圖1所示，該裝置曾進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，取得良好結(jié)果，具備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件。

圖1 檢測(cè)裝置

在進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)掃查時(shí)保證楔塊與管壁垂直且良好耦合是檢測(cè)的難點(diǎn)。該裝置將編碼器和楔塊置于管壁兩側(cè)且對(duì)稱放置，外加彈簧和帶磁性軸承，確保楔塊耦合良好，實(shí)現(xiàn)編碼器同步移動(dòng)。管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于管座角焊縫相貫線的特殊結(jié)構(gòu)（見圖2中焊縫A位置與B位置在空間上存在一定距離），使用一般掃查裝置無法保證在檢測(cè)B位置時(shí)，楔塊可以緊貼焊縫。因此，設(shè)計(jì)該裝置楔塊突出裝置前沿15 mm用于確保檢測(cè)小直徑管管座角焊縫時(shí)楔塊與焊縫始終緊貼。檢測(cè)焊縫主管處缺陷時(shí)，相控陣楔塊的最佳位置未必緊貼焊縫處，因此該裝置前沿安裝長(zhǎng)度可調(diào)的螺絲，以調(diào)節(jié)楔塊前沿與焊縫之間的距離[3]，如圖3所示。

圖2 焊縫示意圖

圖3 相控陣楔塊結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)算法

2.1 試驗(yàn)材料與檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)材料采用Q235鋼管，橫波聲速為3233m/s。實(shí)測(cè)主管外徑為480mm，七個(gè)支管外徑為50 mm；主管壁厚22 mm，支管壁厚9.06 mm。超聲相控陣試驗(yàn)采用頻率5 MHz，32陣元，間距0.5 mm探頭；橫波楔塊傾角36°，最大偏轉(zhuǎn)范圍標(biāo)稱值為35°～75°。

2.2 分區(qū)及最佳激發(fā)晶片數(shù)目

由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，將支管外圓周4等份，分別埋藏管座角焊縫最常見缺陷（如根部未熔合、主管側(cè)裂縫、焊縫夾渣、焊縫氣孔群）。在支管處選取最具代表性的一點(diǎn)（支管和垂直主管軸線的交點(diǎn)處），運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助聲束覆蓋程序[4]，在該點(diǎn)處繪制焊縫截面，并調(diào)整相控陣探頭位置及聲束繪制角度，使聲束最佳覆蓋管節(jié)點(diǎn)焊縫接頭，覆蓋效果如圖4所示[5]。

圖4 聲束覆蓋焊縫接頭示意圖

圖4中，激發(fā)晶片為7-32，探頭距焊縫邊緣10 mm，扇形掃查角度為45°～80°，即其一次波、二次波可最大范圍覆蓋管接頭焊縫區(qū)域。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1常見缺陷檢測(cè)

坡口單面焊縫線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。圖5（a）表示由探頭聲束S掃描到的根部未熔合所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截圖[6]。可以看出，該缺陷是用超聲一次波（或0.5 S波）探到的[7]；圖5（b）為該缺陷的B掃描結(jié)果，結(jié)合S掃描可以得到未焊透缺陷的長(zhǎng)度和深度。

圖5 坡口單面焊縫線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果

主管側(cè)裂紋及未熔合線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。圖6（a）表示由探頭聲束S掃描到的主管側(cè)裂紋所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截圖[7]。圖6（a）還可以看出二次波檢測(cè)原理，用二倍焊縫厚度解釋了聲束與缺陷的鏡像效應(yīng)；表示了覆蓋截面S掃描圖像和缺陷鏡像，二次波延伸了一次波的掃描圖像，焊縫和缺陷均反映在鏡像中。相控陣檢測(cè)時(shí)裂紋高度是根據(jù)裂紋端角回波與裂紋衍射回波之間的傳播時(shí)間差測(cè)出的[8]。裂紋的相控陣測(cè)高指示值為3.3 mm，實(shí)際值為3 mm，測(cè)量誤差為0.3 mm。仔細(xì)觀測(cè)裂紋鏡像特征：反射信號(hào)波很強(qiáng)，聲像較大，二尖端衍射信號(hào)波幅較弱，聲像較小[9]。為準(zhǔn)確測(cè)量裂縫滋生高度，要特別注意水平光標(biāo)線通過該裂紋尖端衍射聲像中的交點(diǎn)位置（垂直光標(biāo)線為該裂紋在板厚方向的延伸線）。

圖6（b）為主管側(cè)未熔合B掃描圖譜，但要注意區(qū)分與根部缺陷二次波的偽缺陷的區(qū)別。

圖6 主管側(cè)裂紋及未熔合線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果

圖7 焊縫夾渣線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果

焊縫夾渣線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。圖7（a）表示由探頭聲束S掃描掃到的焊縫夾渣所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截圖。借助計(jì)算機(jī)軟件輔助程序可知夾渣缺陷亦為二次波掃查結(jié)果。圖7（b）為夾渣缺陷B掃查結(jié)果。夾渣缺陷的主要圖像特點(diǎn)，S和B掃查結(jié)果均是不規(guī)則缺陷圖像，反射信號(hào)波很強(qiáng)，聲像較大，左右移動(dòng)探頭缺陷凸顯會(huì)出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象[10]。但應(yīng)注意焊縫夾渣與密集氣孔缺陷的區(qū)別。

焊縫氣孔群線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。圖8（a）表示由探頭聲束S掃描到的焊縫氣孔群所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截圖。借助計(jì)算機(jī)軟件輔助程序可知焊縫氣孔群亦為二次波掃查結(jié)果。圖8（b）為焊縫氣孔群B掃查結(jié)果。氣孔群的主要圖像特點(diǎn)：S掃描和B掃查結(jié)果均是不規(guī)則點(diǎn)狀缺陷圖像，個(gè)別點(diǎn)狀缺陷反射信號(hào)波很強(qiáng)，聲像較大，左右移動(dòng)探頭缺陷會(huì)出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象。但應(yīng)注意與焊縫夾渣缺陷的區(qū)別。

圖8 焊縫氣孔群線陣相控陣超聲探頭檢測(cè)結(jié)果

3.2 常見偽缺陷的識(shí)別

（1）余高結(jié)構(gòu)回波。檢測(cè)時(shí)焊縫余高會(huì)產(chǎn)生反射回波，很容易耦合不好，余高和未焊透均無回波，無法辨別未焊透是否存在，因此要借助A掃描來判斷是否存在缺陷。焊接接頭的A掃描結(jié)果如圖9所示。

（2）端角結(jié)構(gòu)回波。由于管座的特殊結(jié)構(gòu)管座底面端角出會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)回波?？筛鶕?jù)深度以及B掃描判斷出，底面端角回波在B掃描中自始至終都會(huì)出現(xiàn)。

圖9 焊接接頭的A掃描結(jié)果

（3）根部缺陷二次回波。很容易和主管裂紋混淆，一般偽圖像都是伴隨根部缺陷一次回波而出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)根部未熔合應(yīng)首先考慮是不是二次回波的偽圖像，同時(shí)可根據(jù)裂紋缺陷聲像的特點(diǎn)（反射信號(hào)波很強(qiáng)，聲像較大，二尖端衍射信號(hào)波幅較弱，聲像較?。┻M(jìn)行區(qū)分。

（4）端角結(jié)構(gòu)二次回波。該偽圖像特征明顯，很容易區(qū)分，這里不再做詳細(xì)解釋。

3.3 C掃描補(bǔ)充試驗(yàn)

小直徑管管座角焊縫常見缺陷的C掃描結(jié)果如圖10所示，由圖10可以清晰看到，夾渣缺陷較為明顯，而其他缺陷很難識(shí)別。

圖10 管座角焊縫C掃描結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）小直徑管管座角焊縫曲率大的特殊機(jī)構(gòu)只能借助掃查裝置才可保證探頭與管壁良好耦合。

（2）計(jì)算機(jī)輔助程序克服了相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)設(shè)置的盲目性。

（3）對(duì)圖譜和偽圖像的識(shí)別可解決管座角焊縫不同類型缺陷的定性和定位難題。

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Phased Array Inspection Research on Socket Fillet Weld of Small Diameter Pipe

YU Da1,LONG Huaming1,SUN Yajuan2,ZHENG Yu2
(1.Tianjin Chengxinda Metal-testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China;
2.Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300381,China)

In this article,the scanning device to detect small diameter pipe socket fillet weld was designed.Based on obtaining fillet weld cross section graphic，using computer software to simulate phased array beam line,according to the phased array sector scan images,combined with the corresponding detection arrangement,it carried out identification and evaluation for typical defects inspection map of small diameter pipe socket fillet.This study can solve the qualitative and positioning problems of different types of defects,provide reference for phased array inspection UT image identification and result evaluation of small diameter pipe socket fillet weld;it can better guide technology design of small diameter pipe socket filled weld phased array inspection.

weld;phased array inspection;computer-aided;scanning device;defects map

TE973.6

B

1001－3938（2015）08-0016-04

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃基金“稀土微合金化 Zr基非晶合金的微觀結(jié)構(gòu)與斷裂行為探究”（項(xiàng)目號(hào)13JCQNJC02900）。

于 達(dá)(1988—)，男，碩士研究生，主要從事無損檢測(cè)方面的學(xué)習(xí)及研究。

2015-03-31

謝淑霞