压力管道对接焊缝典型缺陷的相控阵CIVA仿真与检测

2019-03-22，，，,，,，，

无损检测 2019年3期

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(1.宁波市劳动安全技术服务公司，宁波 315048；2.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048)

压力管道在现场安装组焊时，由于管道原材料、焊工焊接水平和责任心等原因，会产生各类焊接缺陷。通常包括外观缺陷和内部缺陷。目前在压力管道定期检验的过程中，外观缺陷通过目视检查可以很快发现，内部缺陷主要是通过常规超声检测和射线检测来确定[1]，其中较为常见的内部缺陷主要包括：未焊透、未熔合、夹渣、裂纹、气孔[2]。常规超声的缺陷检出率通常和缺陷的性质、位置角度，以及检测人员的技术与责任心有关，同时具有不可记录性，对于检测数据的复现存在较大困难；射线检测过程繁琐，工作量较大，需要特殊的辐射防护场地及辐射检测系统[3]。

笔者采用CIVA软件仿真了5类典型缺陷的相控阵检测，并与模拟试管的数据进行了比对，总结了相控阵检测5类典型缺陷的波形特征，为现场检测并快速判定缺陷性质提供借鉴。

1 相控阵CIVA仿真

1.1 CIVA仿真设置

采用压力管道对接焊缝进行建模，管道尺寸(外径×壁厚)分别为φ159 mm×8 mm，φ89 mm×5 mm两种规格。坡口类型为单“V”型60°坡口，根部间隙为2 mm，钝边高为1 mm，顶部余高为1 mm，底部余高为0.5 mm，管道材料选取为碳钢，密度为7.8 g·cm-3，纵波声速为5 900 m·s-1，横波声速为3 230 m·s-1。

线性阵列探头采用与Doppler FJA131型号相同的参数进行建模。FJA131探头参数为：阵元数n=16，晶片间距p=0.5 mm，晶片间隙g=0.1 mm，晶片高度W=10 mm，晶片宽度e=0.4 mm，主动窗长度A=n×e+g×(n-1)=7.9 mm，探头频率为7.5 MHz，-6 dB带宽为60%。采用横波折射角为55°的楔块，材料为Rexolite(聚苯乙烯交联树脂)，密度为1.05 g·cm-3，纵波声速为2 360 m·s-1，横波声速为1 160 m·s-1。压力管道对接焊缝CIVA仿真模型如图1所示。

图1 压力管道对接焊缝CIVA仿真模型

1.2 声场计算

以φ159 mm×8 mm压力管道的相控阵声场计算为例进行说明，模拟采用扇形扫查，角度范围为42°～73°，计算步进为0.5°，考虑到一次波检测无法覆盖焊缝上表面，因此采用二次波检测焊缝上表面，探头距离焊缝边缘10 mm[4]。对一次波和二次波中心声束的声场进行合成，计算出42°～73°范围内所有声束的声场，其中一次波检测聚焦法则选取方向与深度聚焦，聚焦深度为8 mm(试管壁厚处)，二次波聚焦深度为0 mm(上表面)，声场计算范围为10 mm×10 mm(长×宽)矩形区域，计算精度为0.1 mm，一次波和二次波覆盖情况与声场计算结果如图2所示。

图2 一次波和二次波覆盖情况与声场计算结果

根据合成声场的计算结果可知，一次波覆盖区域的声场强度可以满足检测要求，具有较高能量。二次波声场覆盖可以弥补一次波检测盲区，但是声场能量弱于一次波的。所设置的检测覆盖满足检测要求。

1.3 未熔合检测仿真

考虑到缺陷的设置应和超声检测试管缺陷相同，采用矩形面状缺陷(Rectangular)模拟坡口未熔合和根部未熔合，位置设置在坡口和根部，采用扇形扫查进行检测，未熔合尺寸(长×宽)为5 mm×2 mm，缺陷设置结果见图3，检测结果见图4。

图3 坡口、根部未熔合缺陷设置示意

图4 坡口、根部未熔合检测结果

从坡口未熔合检测结果可以看出，相控阵扇扫对未熔合缺陷信号具有较高灵敏度，一般采用一次波能覆盖近根部坡口未熔合。对于坡口未熔合，一个未熔合缺陷信号回波较高，另一个缺陷回波信号较弱，这与缺陷方向有关，若缺陷与声束方向垂直则回波强，若缺陷与声束方向夹角较小则回波弱。因此，若要检测未熔合缺陷，条件允许的情况下最好进行双侧扫查，以防漏检。

1.4 未焊透检测仿真

未焊透缺陷模型采用3个矩形面状缺陷(Rectangular)进行设置，模拟坡口双边未焊透，未焊透高度为坡口钝边的一半，取0.5 mm，长度为5 mm，未焊透缺陷设置示意如图5所示。

图5 未焊透缺陷设置示意

图6 未焊透一次波检测结果

计算过程选取直接(Direct)计算模式，未焊透一次波检测结果如图6所示。从未焊透模拟结果可以看出，相控阵技术对于未焊透缺陷具有较高的检出率，该未焊透两端均有明显回波，且靠近探头侧回波信号高，由于声波传播的特点，对于管道最好采用双侧扫查，以防坡口两侧深度不同的未焊透的漏检。

1.5 夹渣检测仿真

采用圆柱形夹渣来模拟条形夹渣，夹渣材料由氧化铝代替，密度为3.97 g·cm-3，位置处于熔合线处，埋藏深度为3 mm，采用条形夹渣专用模型(Cylindrical inclusion)进行设置，长度为10 mm，半径为0.5 mm，夹渣缺陷位置设置示意如图7所示。夹渣缺陷一次波检测结果如图8所示。

图7 夹渣缺陷位置设置示意

图8 夹渣缺陷一次波检测结果

图9 夹渣缺陷二次波检测结果

夹渣缺陷二次波检测结果如图9所示，从模拟结果可以看出，相控阵检测技术对于条形夹渣具有较高的检出率，由于采用了一次波5 mm深度聚焦检测，信号回波显示位置与实际情况较为吻合，但由于夹渣设置模型为圆柱体，参考超声圆柱体反射，存在一定的缺陷放大特点。

1.6 裂纹检测仿真

裂纹采用多面缺陷模型进行设置，裂纹的位置设置示意如图10所示，裂纹长度为10 mm，埋藏深度为3.5 mm。

图10 一次波和二次波检测裂纹缺陷覆盖情况及缺陷具体形貌示意

裂纹缺陷一次波和二次波检测结果如图11,12所示，从结果可以看出，裂纹缺陷的回波信号强度较强，且S扫波形稍显杂乱，存在缺陷放大的特点，这与裂纹的走向和大小有关。

图11 裂纹缺陷一次波检测结果

图12 裂纹缺陷二次波检测结果

1.7 气孔检测仿真

气孔采用球型缺陷(Spherical)进行设置，半径为1 mm，位于焊缝中部，埋藏深度为5 mm，气孔的位置设置示意如图13所示。

图13 气孔缺陷位置设置示意

气孔一次波、二次波检测结果如图14，15所示，从扫查结果可以看出，相控阵技术对于气孔类球型缺陷具有较高的检出率，一次波、二次波均有不同程度的缺陷放大，可采取设置聚焦深度为气孔埋藏深度进行再次检测，以减小缺陷放大带来的不利影响。

图14 气孔缺陷一次波检测结果

图15 气孔缺陷二次波检测结果

2 模拟试管检测过程

2.1 检测设置

采用φ159 mm×8 mm，φ89 mm×5 mm两种规格试管进行现场超声相控阵检测验证，这两种规格试管均由某无损检测试块制造公司加工，包含了压力管道对接焊缝中的典型5类缺陷，且均由射线检测和常规超声检测(UT)进行过验证，具体缺陷尺寸见表1，其中缺陷的各类信息与CIVA仿真中的设置相同。

检测采用以色列ISONIC 2010相控阵仪器、线性阵列相控阵聚焦探头和链式扫查器，φ159 mm×8 mm规格试管采用一次波和二次波扫查，φ89 mm×5 mm规格试管采用二次波扫查，现场检测工艺设置与CIVA仿真完全相同。

表1 UT试管缺陷参数

2.2 未熔合检测

φ159 mm×8 mm规格试管未熔合缺陷扫查结果如图16所示，经过测量，未熔合长度为11.0 mm，高度为2.2 mm，深度为1.6 mm，未熔合位置存在偏差是由于编码器在行走过程中发生了小范围偏移。

图16 φ159 mm×8 mm规格试管未熔合缺陷扫查结果

2.3 未焊透检测

φ159 mm×8 mm规格试管未焊透缺陷扫查结果如图17所示，经过测量，未焊透长度为11.0 mm，高度为2.3 mm，深度为5.7 mm。

2.4 夹渣检测

φ89 mm×5 mm规格试管夹渣缺陷扫查结果如图18所示，经过测量，夹渣长度为9.3 mm，高度为1.0 mm，深度为0.6 mm。

2.5 裂纹检测

φ89 mm×5 mm规格试管裂纹缺陷扫查结果如图19所示，经过测量，裂纹长度为13.1 mm，高度为2.0 mm，深度为1.7mm。

2.6 气孔检测

φ159 mm×8 mm规格试管气孔缺陷扫查结果如图20所示，经过测量，气孔当量为φ5.0 mm，深度为3.1 mm。

3 分析与讨论

3.1 未熔合结果分析

仿真与实际扇扫波形具有较高吻合性，因为CIVA仿真设置的未熔合缺陷和实际未熔合缺陷具有极高的相似度，均为面状缺陷，CIAV仿真未熔合缺陷具有较高的可靠性。现场对于相控阵未熔合波形的判断要点总结为，反射波幅较高，且端视图和扇扫图中位置显示在焊缝坡口处，通常情况下两侧扫查的回波波幅有较大区别，但特殊情况下，对于坡口对侧的未熔合缺陷无明显回波，CIVA仿真中也证实了这一点。

图17 φ159 mm×8 mm规格试管未焊透缺陷扫查结果

图20 φ159 mm×8 mm规格试管气孔缺陷扫查结果

3.2 未焊透结果分析

现场试管未焊透检测结果显示,该未焊透具有单边未焊透的性质，只有一个端点存在反射波；CIVA仿真结果显示,未焊透为根部较大的体积性缺陷，无论实际还是仿真，相控阵技术对于未焊透具有较高的检出率。现场对于相控阵未焊透波形判断要点总结为，反射波幅较高，但低于未熔合的，且端视图和扇扫图中位置显示在焊缝根部靠近坡口处，两侧扫查通常都存在明显的回波，且波幅无明显差别。

3.3 夹渣结果分析

现场试管检测结果表明,坡口处存在一处夹渣，反射波强度明显弱于未熔合的波形，且扇扫图形信噪比较高，杂波较少，这几点与CIVA结果相吻合，但也存在一定的差异，原因在于CIVA夹渣模型是光滑圆柱体模型，材料是氧化铝代替，实际条形夹渣并非理想圆柱体，且成分较为复杂，因此仿真相似度低于未熔合和未焊透的。同时从A扫图形可看出，夹渣反射波幅明显低于未焊透和未熔合的。

3.4 裂纹结果分析

通过比较结果可知：裂纹的反射波均显杂乱，仿真回波信号强度大于实际检测的，但是两者对于裂纹均有较高检出率，归结原因是：裂纹的模型与实际情况的相似度较低，在5类缺陷中是相似度最低的缺陷，因此仿真结果和实际存在一定差别。从A扫图形可看出，裂纹反射波幅低于夹渣的，裂纹波形通常显示较为杂乱，信噪比较低，这与裂纹的形貌和位置有关。

3.5 气孔结果分析

两者均能检出气孔，但实际检测结果显示，气孔一般反射信号较弱，根据声学理论，由于其反射体积小，是5类缺陷中反射信号最弱的，相控阵检测波幅并不高，最容易漏检，应结合一次波和二次波扫查。CIVA结果显示，气孔具有较高回波，因为在模型设置过程中，采用球形缺陷模型，实际气孔是近似球形，且所含介质并不唯一，反射回波信号强度不同。气孔反射波形通常较弱，且长度和高度一般较小。