超声相控阵技术在石油化工领域中的应用进展

2020-07-25张磊

化工设计通讯 2020年8期

张磊

（中海油安全技术服务有限公司，天津 300304)

1 超声相控阵技术发展简介

超声相控阵技术源于雷达电磁波技术，早期应用于医学检测，近20a来，随着计算机技术的不断发展，相控阵在工业领域内广泛应用。超声相控阵技术同TOFD技术一样，均属于可记录超声检测。在检测过程中，相控阵探头无须像常规超声探头做锯齿型等扫查方式就能完成声束对检测区域的覆盖，相对于射线检测具有检测速度快、安全性高、工作强度低等特点，在无损检测领域已有代替射线检测的趋势。国外已经针对工业相控阵检测技术制定了相应的检测标准。其中ASME code case CC2557～CC2559，该系列案例对相控阵使用的校准、扫查、数据处理等内容均做出了详细的规定。还有ASTM2491对超声相控阵检测系统的性能评价制定了指导性规范。甚至 ISO17635中强调在相控阵技术应用过程中应与TOFD技术结合。我国在2016年也颁布了首个相控阵检测标准GB/T32563《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》，在机械行业得到获得了广泛应用。在特种设备行业，目前的NB/T47013《承压设备无损检测》还未涵盖相控阵检测标准，中国特检协会团体标准《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测》正处于征求意见阶段。当前相控阵检测技术在特种设备行业的应用多是基于经国家批准的企业标准或业主进行自身质量控制的需求。

2 超声相控阵仪器分类

目前超声相控阵检测技术分为AUT技术和PAUT技术[1]。 AUT称为全自动超声波技术，包括常规超声、TOFD和相控阵同时检测，其检测原理是按照区域划分对焊接接头进行检测。如一个V型坡口的焊接接头，在厚度方向上，由上至下分成多个不同厚度的检测区域，每个检测区域的高度为1～3mm。检测过程中，对探头晶片进行设置，每一个检测区域均由独立的一组晶片负责扫查。在该区域内声束能够聚焦，提高信噪比和检测精度，同时能够根据不同区域的缺陷类型设定声束的偏转，保证声束和缺陷尽量垂直，提高缺陷检出率。但AUT的仪器调试比较繁琐，主要适用于检测规格材质基本不变的长输管道。况且仪器的调节、使用需要经验丰富的技术人员，加上设备的造价昂贵（目前一台AUT设备约150万元），上述特点限制了AUT的普遍应用。PAUT与AUT最大的区别是无须对被检测区域分层聚焦扫描，通常单层扫查仅需要S扫描完成对检测区域的声束覆盖即可。加之设备简单便携，造价较低（目前国产设备最低约20万元），能够应用于不同型式的焊接接头检测。

3 长输管道检测

对于石油行业长输管道的检测，目前主要采用射线检测，且多采用爬行器中心曝光的透照方式。受现场环境、增感屏质量、射线线质、曝光时间及自动洗片机冲洗质量的影响，底片往往灰雾度较大，严重影响了检测灵敏度，造成部分裂纹类缺陷的漏检。文献[2]报道了PAUT相控阵在规格为Φ1 016mm×17.5mm管道对接焊缝上的应用，在深度13mm处发现了长度约540mm的裂纹缺陷，但底片两次透照均未发现，后经弯曲试验验证了缺陷的存在。对其他焊口的根部裂纹缺陷，射线底片同样未检测发现，因此相控阵检测技术对于裂纹类缺陷的检出效果优于射线检测。文献[3]采用0°楔块，将声束聚焦于管道壁厚，采用E扫描实现了对规格为Φ508mm、材质为X70长输管道内壁点状腐蚀缺陷的检测。文献[4]同样报道了在压力容器内壁腐蚀检测上，相控阵技术能够对腐蚀缺陷的面积、深度进行精确测量，检测结果直观、可靠。可以预见，在压力容器不开罐检测应用上具有广阔的应用前景。

4 法兰密封面检测

石油化工领域的管道连接会用到大量的法兰。在设备运行过程中，介质会对法兰密封面产生腐蚀，一定程度下可能造成法兰泄漏。对于内部是有毒介质的管道，可能造成重大的人身及财产损失。因此，如何在保证不停车的情况下对腐蚀量进行有效的检出成为无损检测领域的一个重要课题。由于法兰的特殊结构，不可能通过常规射线或超声波方法进行检测，超声相控阵检测技术的出现，完美解决了法兰密封面腐蚀的检测。

通过相控阵仪器特有的三维软件，根据法兰的真实几何尺寸建模，模拟真实声束传播路径，然后再进行检测，可清晰地看到法兰密封面的缺陷。文献[5]采用5MHz、16晶片相控阵探头对某天然气集气站规格为DN150的外输管道旁通法兰腐蚀进行了检测，有效发现了腐蚀缺陷，验证了该检测方法的有效性。文献[6]通过制作对比试块，采用C扫描和S扫描方式成功发现了采油树阀门本体和密封面的腐蚀缺陷。

5 小径管焊接接头检测

在石油化工领域，直径在100mm以下的小径管应用广泛。由于管壁薄、管子曲率大，常规超声检测一是耦合困难，超声波声能损失大，再有采用较大K值检测造成杂波过多，造成危害性缺陷的判别困难。另外，由于大部分为管排，采用射线检测无法完成焊口100%检测，为设备的安全运行留下隐患。相控阵检测具有专用的小径管扫查装置，采用自聚焦线阵探头扇形扫查能够有效、快速地发现焊接接头内的缺陷，缺陷显示较为直观。2018年4月，武汉中科创新技术股份有限公司与中国石化上海石油化工股份有限公司共同起草编制的《钢制承压设备环形对接接头相控阵超声检测》企业标准顺利通过评审，并成功应用于多个石化安装及检修项目。2019年3月，天津石化首次将“小径管相控阵超声波检测技术”应用于热电锅炉检测，并获得成功。技术人员在对188道焊口的检测中，发现问题焊口4道，准确率达到100%。中国石化总公司济南炼油厂也与神华国能山东建设集团有限公司等单位合作起草了DB37/T 3142-2018 《小径管焊接接头相控阵超声检测技术规程》，应用于施工现场。

6 钢结构检测

在石油化工行业，钢结构主要为大型动静设备起支撑作用，其焊接接头的质量尤为重要，尤其是梁、柱的T型焊接接头。T型接头受结构影响，目前只能采用超声波检测方法。执行标准为GB/T 11345《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》，但该标准规定应采用多个不同角度的探头在腹板和翼板的多个位置进行检测，工作效率太低，且由于现场检测位置的局限性，完全按照标准实施存在很大困难，很容易造成缺陷漏检。而采用相控阵检测技术，如图1所示，仅需要将探头放置于翼板，采用S扫描的横波一次反射法就能将要检测的焊接接头全覆盖，大大提高了检测效率。但对于焊缝中的横向裂纹的检测，同常规超声一样也存在一定的困难，将是下一步重点需要解决的问题[7]。