張 磊

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300304)

1 超聲相控陣技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介

超聲相控陣技術(shù)源于雷達(dá)電磁波技術(shù)，早期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)，近20a來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。超聲相控陣技術(shù)同TOFD技術(shù)一樣，均屬于可記錄超聲檢測(cè)。在檢測(cè)過程中，相控陣探頭無須像常規(guī)超聲探頭做鋸齒型等掃查方式就能完成聲束對(duì)檢測(cè)區(qū)域的覆蓋，相對(duì)于射線檢測(cè)具有檢測(cè)速度快、安全性高、工作強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在無損檢測(cè)領(lǐng)域已有代替射線檢測(cè)的趨勢(shì)。國(guó)外已經(jīng)針對(duì)工業(yè)相控陣檢測(cè)技術(shù)制定了相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。其中ASME code case CC2557～CC2559，該系列案例對(duì)相控陣使用的校準(zhǔn)、掃查、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容均做出了詳細(xì)的規(guī)定。還有ASTM2491對(duì)超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)制定了指導(dǎo)性規(guī)范。甚至 ISO17635中強(qiáng)調(diào)在相控陣技術(shù)應(yīng)用過程中應(yīng)與TOFD技術(shù)結(jié)合。我國(guó)在2016年也頒布了首個(gè)相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T32563《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》，在機(jī)械行業(yè)得到獲得了廣泛應(yīng)用。在特種設(shè)備行業(yè)，目前的NB/T47013《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》還未涵蓋相控陣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)特檢協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《鋼制承壓設(shè)備焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)》正處于征求意見階段。當(dāng)前相控陣檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備行業(yè)的應(yīng)用多是基于經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或業(yè)主進(jìn)行自身質(zhì)量控制的需求。

2 超聲相控陣儀器分類

目前超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)分為AUT技術(shù)和PAUT技術(shù)[1]。 AUT稱為全自動(dòng)超聲波技術(shù)，包括常規(guī)超聲、TOFD和相控陣同時(shí)檢測(cè)，其檢測(cè)原理是按照區(qū)域劃分對(duì)焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)。如一個(gè)V型坡口的焊接接頭，在厚度方向上，由上至下分成多個(gè)不同厚度的檢測(cè)區(qū)域，每個(gè)檢測(cè)區(qū)域的高度為1～3mm。檢測(cè)過程中，對(duì)探頭晶片進(jìn)行設(shè)置，每一個(gè)檢測(cè)區(qū)域均由獨(dú)立的一組晶片負(fù)責(zé)掃查。在該區(qū)域內(nèi)聲束能夠聚焦，提高信噪比和檢測(cè)精度，同時(shí)能夠根據(jù)不同區(qū)域的缺陷類型設(shè)定聲束的偏轉(zhuǎn)，保證聲束和缺陷盡量垂直，提高缺陷檢出率。但AUT的儀器調(diào)試比較繁瑣，主要適用于檢測(cè)規(guī)格材質(zhì)基本不變的長(zhǎng)輸管道。況且儀器的調(diào)節(jié)、使用需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，加上設(shè)備的造價(jià)昂貴（目前一臺(tái)AUT設(shè)備約150萬元），上述特點(diǎn)限制了AUT的普遍應(yīng)用。PAUT與AUT最大的區(qū)別是無須對(duì)被檢測(cè)區(qū)域分層聚焦掃描，通常單層掃查僅需要S掃描完成對(duì)檢測(cè)區(qū)域的聲束覆蓋即可。加之設(shè)備簡(jiǎn)單便攜，造價(jià)較低（目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備最低約20萬元），能夠應(yīng)用于不同型式的焊接接頭檢測(cè)。

3 長(zhǎng)輸管道檢測(cè)

對(duì)于石油行業(yè)長(zhǎng)輸管道的檢測(cè)，目前主要采用射線檢測(cè)，且多采用爬行器中心曝光的透照方式。受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、增感屏質(zhì)量、射線線質(zhì)、曝光時(shí)間及自動(dòng)洗片機(jī)沖洗質(zhì)量的影響，底片往往灰霧度較大，嚴(yán)重影響了檢測(cè)靈敏度，造成部分裂紋類缺陷的漏檢。文獻(xiàn)[2]報(bào)道了PAUT相控陣在規(guī)格為Φ1 016mm×17.5mm管道對(duì)接焊縫上的應(yīng)用，在深度13mm處發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)度約540mm的裂紋缺陷，但底片兩次透照均未發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證了缺陷的存在。對(duì)其他焊口的根部裂紋缺陷，射線底片同樣未檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，因此相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)于裂紋類缺陷的檢出效果優(yōu)于射線檢測(cè)。文獻(xiàn)[3]采用0°楔塊，將聲束聚焦于管道壁厚，采用E掃描實(shí)現(xiàn)了對(duì)規(guī)格為Φ508mm、材質(zhì)為X70長(zhǎng)輸管道內(nèi)壁點(diǎn)狀腐蝕缺陷的檢測(cè)。文獻(xiàn)[4]同樣報(bào)道了在壓力容器內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)上，相控陣技術(shù)能夠?qū)Ωg缺陷的面積、深度進(jìn)行精確測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果直觀、可靠?？梢灶A(yù)見，在壓力容器不開罐檢測(cè)應(yīng)用上具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 法蘭密封面檢測(cè)

石油化工領(lǐng)域的管道連接會(huì)用到大量的法蘭。在設(shè)備運(yùn)行過程中，介質(zhì)會(huì)對(duì)法蘭密封面產(chǎn)生腐蝕，一定程度下可能造成法蘭泄漏。對(duì)于內(nèi)部是有毒介質(zhì)的管道，可能造成重大的人身及財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何在保證不停車的情況下對(duì)腐蝕量進(jìn)行有效的檢出成為無損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。由于法蘭的特殊結(jié)構(gòu)，不可能通過常規(guī)射線或超聲波方法進(jìn)行檢測(cè)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)，完美解決了法蘭密封面腐蝕的檢測(cè)。

通過相控陣儀器特有的三維軟件，根據(jù)法蘭的真實(shí)幾何尺寸建模，模擬真實(shí)聲束傳播路徑，然后再進(jìn)行檢測(cè)，可清晰地看到法蘭密封面的缺陷。文獻(xiàn)[5]采用5MHz、16晶片相控陣探頭對(duì)某天然氣集氣站規(guī)格為DN150的外輸管道旁通法蘭腐蝕進(jìn)行了檢測(cè)，有效發(fā)現(xiàn)了腐蝕缺陷，驗(yàn)證了該檢測(cè)方法的有效性。文獻(xiàn)[6]通過制作對(duì)比試塊，采用C掃描和S掃描方式成功發(fā)現(xiàn)了采油樹閥門本體和密封面的腐蝕缺陷。

5 小徑管焊接接頭檢測(cè)

在石油化工領(lǐng)域，直徑在100mm以下的小徑管應(yīng)用廣泛。由于管壁薄、管子曲率大，常規(guī)超聲檢測(cè)一是耦合困難，超聲波聲能損失大，再有采用較大K值檢測(cè)造成雜波過多，造成危害性缺陷的判別困難。另外，由于大部分為管排，采用射線檢測(cè)無法完成焊口100%檢測(cè)，為設(shè)備的安全運(yùn)行留下隱患。相控陣檢測(cè)具有專用的小徑管掃查裝置，采用自聚焦線陣探頭扇形掃查能夠有效、快速地發(fā)現(xiàn)焊接接頭內(nèi)的缺陷，缺陷顯示較為直觀。2018年4月，武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司與中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司共同起草編制的《鋼制承壓設(shè)備環(huán)形對(duì)接接頭相控陣超聲檢測(cè)》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)順利通過評(píng)審，并成功應(yīng)用于多個(gè)石化安裝及檢修項(xiàng)目。2019年3月，天津石化首次將“小徑管相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)”應(yīng)用于熱電鍋爐檢測(cè)，并獲得成功。技術(shù)人員在對(duì)188道焊口的檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)問題焊口4道，準(zhǔn)確率達(dá)到100%。中國(guó)石化總公司濟(jì)南煉油廠也與神華國(guó)能山東建設(shè)集團(tuán)有限公司等單位合作起草了DB37/T 3142-2018 《小徑管焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)。

6 鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)

在石油化工行業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)主要為大型動(dòng)靜設(shè)備起支撐作用，其焊接接頭的質(zhì)量尤為重要，尤其是梁、柱的T型焊接接頭。T型接頭受結(jié)構(gòu)影響，目前只能采用超聲波檢測(cè)方法。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11345《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》，但該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)采用多個(gè)不同角度的探頭在腹板和翼板的多個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，工作效率太低，且由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)位置的局限性，完全按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施存在很大困難，很容易造成缺陷漏檢。而采用相控陣檢測(cè)技術(shù)，如圖1所示，僅需要將探頭放置于翼板，采用S掃描的橫波一次反射法就能將要檢測(cè)的焊接接頭全覆蓋，大大提高了檢測(cè)效率。但對(duì)于焊縫中的橫向裂紋的檢測(cè)，同常規(guī)超聲一樣也存在一定的困難，將是下一步重點(diǎn)需要解決的問題[7]。

圖1 T型焊縫相控陣檢測(cè)示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，相控陣檢測(cè)技術(shù)相對(duì)于常規(guī)的超聲和射線檢測(cè)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，且已經(jīng)在石油化工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷備案實(shí)施，相控陣檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備行業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)于保證工程質(zhì)量起到有力的推動(dòng)作用。