相控阵超声技术在HFW 钢管焊缝检测中的应用*

2020-07-23薛帏，熊超

焊管 2020年6期

薛帏，熊超

（1. 中石化石油机械股份有限公司沙市钢管分公司，湖北荆州434000；2. 湖北特种设备检验检测研究院荆州分院，湖北荆州434000）

HFW 钢管管径小，壁厚薄，焊缝窄（0.02～0.12 mm），高频焊接过程中热量集中，无填充金属，焊缝中若存在缺陷，经过挤压后呈线性或面状分布，且平行于焊缝延伸方向，此类缺陷采用超声波方法检测敏感度很高。

常规超声检测是依据A 型波幅高度和传播时间来判定缺陷是否存在，显示不直观，检测过程对人员的专业技能水平要求较高。而相控阵超声检测技术（PAUT）具有灵活可变的多角度扫描方式、动态聚焦的设计理念和缺陷显示方式多样化（波形、图形、数字）等优点，使超声检测在工业产品应用中发生了质的飞跃。 HFW 钢管焊缝检测中引用此技术，可提高缺陷检出率，降低检测难度。

本研究主要介绍了采用PAUT 技术对HFW钢管焊缝进行检测的工艺方法。

1 被检工件和主要设备参数

1.1 被检工件

被检工件为Φ355.6 mm×8.7 mm、 Φ273 mm×7.1 mm 和Φ219.1 mm×6.4 mm HFW 钢管，表面温度为15～28 ℃，检测部位是焊缝及热影响区。

1.2 主要设备参数

仪器放大器频率为0.5～15 MHz （数字频率105 MHz），衰减器精度为20 dB 范围内＜±1 dB 和60 dB 范围内＜±2 dB，显示方式是A 扫描、 C 扫描、 D 扫描、 S 扇扫描（显示方式可切换），探头规格为5 MHz/32EL 1.0 mm 和5 MHz/16EL 0.6 mm，楔块型号为SA6-N60S （40×28-L20）、 SA2-N60S（23×19-L10）、 SA2-55S-Φ219 （40×28-L20）、SA2-55S-Φ273.1 （40×28-L20）和SA2-55S-Φ355.6（40×28-L20）。

2 检测工艺与设备校验

（1）仪器零位校准。移除楔块，探头置于CSK-ⅠA 试块上，垂直扫描完好部位的大平底，用试块一次和二次底面回波的时间差，校准仪器和探头组合后的“零偏” 值。

（2）探头晶片校准。在探头不连接楔块的情况下扫描试块大平底，使一次底面回波达到基准波高，校准各晶片使不同阵元得到相应的衰减或补偿值，波幅均达到基准波高，检查各通道的衰减或补偿值应≤4 dB，否则应重新校准或检查探头等元件。

（3）楔块校准。将楔块与探头连接后无需使用试块即可进行校准。注意晶片序号从小到大应与楔块角度从小到大的安装方向一致。测定楔块角度、中心高度和前沿距离等参数。

（4）角度补偿（ACG）。声束扫描CSK-ⅠA或半圆试块圆弧面，找到最高回波后降低增益，确保在扫描范围内波高不超过满屏，获取整个扫描范围内的波高包络线，对各晶片接收到的能量进行相应衰减或补偿，使回波幅度均衡化和等量化。

（5）扫描方式。同一个缺陷在焊缝的一侧扫描和另一侧扫描反射回波幅度可能不同，回波当量有所差别，因此从焊缝两侧分别进行S 扫描，保证缺陷检出率。

（6）信号拾取。扫描过程中，图像丢失量不得超过整个扫描长度的5%，且不允许相邻数据连续丢失。耦合不良造成的单个图像数据丢失长度≤2 mm。

（7）对比标样（试块）。按标准要求备制对比标样，试块的材质、曲率半径与被检钢管相同或从被检钢管上截取。焊缝上钻Φ1.6 mm 竖通孔，焊缝内外表面加工平行于焊缝的人工刻槽（槽的深度为钢管母材公称壁厚的5%，宽度≤1 mm）。

（8）声束覆盖范围。多晶片多角度发射多束声波，使一次直射波声束覆盖焊缝中下部及热影响区，二次反射波声束覆盖焊缝中上部和热影响区，对焊缝区域100%检测。 “开始角度” 和“停止角度” 设置为35°～75°。

（9）前沿距离。在保证焊缝被声波全覆盖的前提下，探头前沿距焊缝中心的距离越小越好。

（10）聚焦设置。调整聚焦参数，使聚焦声线覆盖所检测的目标区域。

（11）灵敏度校准和缺陷评定方法。参照SY/T 6423.3—2013 标准，以人工缺陷的反射回波达到满幅度的80%作为基准波高（验收界限），检测过程中以缺陷回波高度达到基准波高作为验收极限。动态扫描时，在基准灵敏度上适当增加补偿（波高不超过满屏）。

3 检测数据及原因分析

3.1 耦合因素对检测准确率的影响

良好的耦合效果是影响检测结论的关键环节。 HFW 钢管曲率大，壁厚薄，若检测过程中耦合不良，会造成探伤准确率降低的现象。采用32 阵元和与之匹配的35°平底面楔块组合检测Φ219 mm～Φ355.6 mm 钢管时的图像如图1 所示，检测结果见表1。

图1 中扇扫图像区域存在较多的干扰图像，若缺陷图形被干扰图像所覆盖，则会造成漏检，另外，耦合不良使传入被检工件的声波能量大幅度减少，降低探伤灵敏度。

图1 平底面楔块与钢管耦合不良时的图谱

由表1 可知， 32 阵元探头与平面楔块组合检测钢管纵焊缝，横波声束从钢管外圆斜入射周向扫描，因楔块尺寸较大（长×宽=55 mm×28 mm），检测过程中与钢管外弧面呈线接触，耦合不良，显示缺陷的尺寸与实际尺寸相差较大，并随着曲率的增加检出缺陷尺寸误差也增大，甚至出现漏检现象。

表1 32 阵元探头与平面楔块组合的检测结果

为提高耦合效率，将楔块设计成曲面，曲率半径与所检钢管的曲率一致，以便最大程度地减少耦合损失。图2 为根据被检钢管规格设计的专用曲面楔块，用于匹配32 阵元探头外圆周向检测钢管纵焊缝缺陷。

图2 根据被检钢管规格设计的专用曲面楔块

3.2 使用曲面楔块检测钢管纵焊缝缺陷的状况

将曲面楔块与相控阵探头组合后，对楔块参数进行校准时发现，显示的角度均比定制时的标称角度减小了12°～14°，且仪器示波屏噪声信号较多（如图3 所示），为了减少干扰信号对检测结论的影响，采取降低灵敏度的方法，使噪声信号下降至不影响观察评定的程度。再次对已知的缺陷进行探伤，检测结果见表2。

图3 使用曲面楔块时产生的噪声信号图谱

从表2 可以看出，降低噪声信号后，内表面毛刺台阶缺陷产生了漏检，其他检出缺陷显示的深度和长度与实际尺寸偏差值达到了4 mm 以上。由此可见，仅仅改善硬件的耦合条件，沿用原先的延时法则，无法达到提高检测准确率的效果。

表2 降低灵敏度后（降低噪声信号）的检测结果

3.3 采用小尺寸平面楔块与低阵元探头组合检测钢管纵焊缝缺陷的状况

实际工作中，定制、加工曲面楔块，周期长，费用高，楔块使用局限性大，且检测准确率低，不能满足检测工艺要求。为了降低成本，提高检测准确率，采用低阵元探头与小尺寸平面楔块组合方法，提高探头与钢管曲面的耦合效率，达到提高检测准确率的目的。

通过匹配选择，采用5 MHz/16EL 0.6 mm 小尺寸16 阵元探头，与SA2-N60S （23×19-L10）平面楔块组合。线性聚焦束宽度≤1 mm，阵元长度10 mm，宽度0.6 mm，间距0.6 mm。此项选配大幅度减小了探头尺寸，提高了检测HFW钢管纵焊缝缺陷的耦合效率。

3.3.1 对HFW 钢管焊缝内毛刺台阶的检测

HFW 钢管生产过程中，钢板两边缘被高频加热融化，通过挤压焊接在一起，焊缝上下表面被挤出的多余金属称为毛刺。通常钢管的内外毛刺都是要被刮除的，焊缝的外毛刺能直观看到，容易被去除，而内毛刺在钢管焊缝的内表面，刮除难度大，无法直接看到刮除后的质量状况，这里只讨论内毛刺的相控阵检测情况。根据其截面形状的不同， HFW 钢管的内毛刺可分为单边内毛刺和双边（梯形）内毛刺两大类（如图4 所示）。

图4 内毛刺台阶类型

相控阵超声检测通过图像显示缺陷的坐标位置，非常直观地区分钢管内毛刺台阶的位置和类型。单边和双边（梯形）内毛刺台阶的检测图谱如图5 所示，钢管内毛刺台阶的相控阵检测结果与实物对比见表3。

图5 检测出的单边和梯形内毛刺台阶图谱

从表3 可以看出，检测内毛刺台阶的精确度非常接近实际情况，并且能够区分出单边内毛刺和梯形内毛刺的位置、类型等特征。但是，从图像信号强度（反射回波幅度）来看，毛刺台阶的高度值有明显的差异。例如：毛刺台阶高度为0.3 mm 的Φ355.6 mm×8.7 mm 试样，其回波高度仅为基准波高的15%；毛刺台阶高度分别为0.6 mm 和0.55 mm 的Φ273 mm×7.1 mm 和Φ219.1 mm×6.4 mm 试样，回波高度达到了基准波高的90%以上。

表3 钢管内毛刺台阶相控检测结果与实物对比

为进一步了解不同毛刺台阶高度的检测状况，收集了Φ355.6 mm×8.7 mm 钢管内毛刺缺陷试样52 件和Φ219.1 mm×6.4 mm 试样51 件进行了对比，结果见表4 和表5。

表4 Φ355.6 mm×8.7 mm 钢管内毛刺台阶高度与缺陷回波幅度统计结果（焊缝单侧）

从表4 和表5 可看出，内毛刺高度≤0.5 mm时，回波高度低于基准波高≤65%；内毛刺台阶高度＞0.5 mm 时回波高度明显升高（≥85%），按照SY/T 6423.3—2013 判定为超标缺陷，不合格。

表5 Φ219.1 mm×6.4 mm 钢管内毛刺台阶高度与缺陷回波幅度统计结果（焊缝单侧）

3.3.2 对HFW 钢管焊缝未熔合缺陷的检测

HFW 钢管焊缝的未融合缺陷基本垂直于钢管上下表面，平行于焊缝延伸方向，在焊缝中呈面状分布。根据未熔合缺陷在焊缝中分布的位置不同分为：焊缝上部未熔合、焊缝下部未熔合和焊缝贯穿性未熔合3 种情况（如图6 所示）。

图6 HFW 钢管焊缝未熔合缺陷种类

相控阵检测对HFW 钢管焊缝中的各种类型的未融合缺陷检出率都很高。由于未融合缺陷大多垂直于钢管表面，在焊缝两侧扫描检测所显示的回波幅度基本相同。检测出的未熔合缺陷图像如图7 所示，检测数据统计结果见表6。

从表6 可以看出，相控阵检测对未融合缺陷的检出率高，定位准确，显示缺陷的长度和深度值与缺陷的实际尺寸大小非常接近。在不移动探头的情况下，能同时发现上焊缝未融合和下焊缝的毛刺台阶缺陷（如图7 （b）所示）。

图7 相控阵检测HFW 钢管未融合缺陷图谱

表6 焊缝未熔合缺陷检测出的数据统计结果

3.3.3 对HFW 钢管焊缝裂纹缺陷的检测

HFW 钢管焊缝的裂纹缺陷主要分布在焊缝区域的上下表面或近表面。由于裂纹缺陷具有方向性强和面积性的特点，焊缝一侧扫描信号较低或无信号（如图8 （a）所示），而另一侧检测有显示（如图8 （b）所示）。考虑到裂纹缺陷的特性，检测时应在焊缝两侧均进行扫描探伤，评定缺陷当量时，以缺陷回波幅度高的一侧为主。

3.3.4 对HFW 钢管焊缝氧化物夹杂的检测

HFW 钢管焊缝组织中的氧化夹杂物尺寸较小，挤压后沿壁厚方向形成条形的片状缺陷，以链状存在于焊缝熔合线部位，当夹杂物含量达到焊缝截面的5%以上，或单个夹杂物面积尺寸较大时，对焊缝冲击韧性有较明显的影响，试样断口分布显示为尺寸较小的灰斑。此类缺陷的单个尺寸通常在10～20 μm，当超声波遇到尺寸小于1/2 波长的障碍物时，会发生绕射现象而无法检出。只有当氧化夹杂物聚集形成大于1/2 波长的缺陷才可能被检出。