输气管道对接焊缝的相控阵超声检测

吴 豪，艾会荣，路晓卫

(1.天津市达安特工程检测有限公司，天津 300000；2.中石化河北建投天然气有限公司,石家庄 050002)

近些年来，国内的经济实力不断增强，能源消费量迅速增长，经济社会发展面临着能源不足的制约，为有效缓解能源供应短缺、优化能源结构、保护环境，国内油气长输管道的建设急剧增加，预计到2025年,国内油气长输管道里程数将达到24万km。某在建天然气管道一期工程项目的线路长约750 km，对接焊缝数量约65 000道，主要涉及管道规格(直径×壁厚)为φ1 016 mm×17.5 mm,φ1 219 mm×26.2 mm，材料为X70、X80高强度钢，易出现延迟裂纹，设计压力高达10 MPa，安全风险较大。

以往在建长输管道对接焊缝常用的检测方法为射线检测，重要线路段(穿越、高后果区等)补充进行超声检测。但超声检测速度慢、效率低，且人为因素对检测结果影响较大，检测数据和检测过程不可记录，检测质量监管较为困难。为了保证检测质量，确保检测进度，项目上经过多方调研，引入了相控阵超声检测技术，整个线路对接焊口实施“三个一百”的检测模式，即100%射线检测，100%相控阵检测，100%TOFD(超声波衍射时差法)辅助相控阵对缺陷进行高度测量，确保了检测结果的可靠性。笔者分别从相控阵超声检测技术的设备选型、人员要求、工艺制定、模拟试件设计制作和与射线检测整体情况比对等几个方面介绍了相控阵超声检测技术在该项目中的应用情况。

1 相控阵超声检测技术

1.1 相控阵超声检测原理

相控阵超声检测技术是通过计算机严格控制多个压电晶片或阵元激发超声波顺序及时间差，以实现超声波不同相位的叠加和干涉，从而得到预先设计的波束入射角度、入射范围及焦点位置等，即形成可控制的超声波辐射场形状[1]。其工作原理如图1所示。

图1 相控阵探头工作原理示意

1.2 相控阵超声检测技术对比常规超声检测的优势

(1)相控阵超声检测技术具有检测速度快，检测效率高的优点。相控阵采用电子方法控制声束范围和声束扫描，探头固定不动便能利用扇扫或线扫对检测区域实现全覆盖。配合扫查装置(比如导轨、导链等)，可以数十倍地提高现场检测效率。

(2)具有良好的声束可达性，能对复杂几何形状的工件进行探查。相控阵超声检测能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务[1]。

(3)检测灵敏高。利用相控阵的聚焦特性，可以提高特定区域的声场信号强度、回波信号幅度、信噪比及分辨力，从而提高缺陷的检出率，以及缺陷深度、长度的测量精度[2]。

(4)丰富的几何结构成像技术。相控阵利用先进的计算机技术，并结合被检件建模信息，将A扫信号重构，可得到A，B，S，C，D，3D等不同成像模式，具有更丰富的被检件信息显示，有利于实施对复杂工件的检测和缺陷的判定。

(5)检测数据可记录保存。数据以电子文件格式存储，有利于对可疑信号进行分析，提高缺陷的判定准确率，并有利于管理者对检测质量进行监管，将人为影响因素降到最低。

2 相控阵超声检测工艺的制定

该项目相控阵超声检测标准执行GB/T 32563-2016 《无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法》和项目制定的《相控阵超声检测技术规程》，评定标准执行SY/T 4109-2013 《石油天然气钢制管道无损检测》中超声检测部分的评定要求。项目又结合自身线路工程的特点，加入了12点钟和6点钟方向不允许存在咬边缺陷的要求，又把标准条款的相关要求进行细化，制定了该项目专用的相控阵超声检测工艺规程，其对相控阵检测设备、器材、检测工艺、检测人员等方面提出了更切合实际的要求。

2.1 设备和器材

(1)相控阵探头应一次激发32阵元实施检测。该项目所涉及到的管道壁厚为17.5 mm和26.2 mm。标准GB/T 32563-2016中推荐的相控阵探头频率范围为4 MHz10 MHz，主动孔径尺寸为825 mm。

检测灵敏度随着探头频率的增大而提高，但频率增大，衰减增大。因此在保证声束穿透力和检测灵敏度的前提下，选择了5 MHz频率的相控阵探头。

主动孔径尺寸与现场检测息息相关：主动孔径尺寸的增大不但能提高声束的穿透能力，还能提高检测系统的分辨力；但主动孔径尺寸越大，探头前沿就越大，不利于直射波对焊缝根部的覆盖。5 MHz-32-0.6-10相控阵探头外观如图2所示。为了确定合适的主动孔径尺寸，使用5 MHz-32-0.6-10相控阵探头分别一次激发16阵元(主动孔径为9.6 mm)和32阵元(主动孔径为19.2 mm)，在最优的聚焦法则下，对A型相控阵试块上A-1区的φ1 mm长横孔进行检测。A型相控阵试块及A-1放大示意如图3所示。

图3 A型相控阵试块及A-1放大示意

其中激发16阵元扇扫结果如图4所示，一次激发16阵元时，最小只能分辨出间距为3 mm的φ1 mm长横孔。而扇扫成像横向分辨力一般要求不能大于2 mm[3]。

图4 激发16阵元扇扫结果

激发32阵元扇扫结果如图5所示，一次激发32阵元时，可清晰的分辨出间距为1 mm的φ1 mm长横孔，可获得更高的远场横向分辨力，不但能提高近表面缺陷的检出率，也更有利于区分根部相关显示和非相关显示的信号，有利于根部缺陷的判定。此时，直射波能有效覆盖根焊层和热焊层，声束对根部的覆盖范围满足检测需求。

图5 激发32阵元扇扫结果

(2)相控阵检测主机应支持双32阵元相控阵探头同时检测，且应具备TOFD检测功能。

双相控阵探头在焊缝单面双侧同时实施检测，这样不仅能提高检测效率，也便于检测过程中观察探头中心距是否偏离，防止由于探头偏离造成缺陷漏检、误判。

相控阵超声检测技术目前常用的角度-6 dB法测量缺陷自身高度的误差较大，因此该项目引入TOFD技术，补充对缺陷高度的精确测量。

(3)采用钢中横波折射角为55°的平面楔块，以增加相控阵声束的偏转能力；楔块应带有双注水孔，和注水装置配套使用，确保检测时的耦合效果。

(4)扫查装置。为满足检测工艺的要求，提高检测效率，扫查装置应同时能夹持双相控阵探头和一对TOFD探头；应配备编码器，且编码器能记录的长度不应小于4 000 mm，记录误差不能大于1%；为保证扫查图谱质量，确保探头移动轨迹的一致性，扫查装置应配备相应的导链、导轨。

(5)评图软件。评图软件应能够同时显示双相控阵探头的扫查图谱和TOFD图谱；能在图谱中保存检测人员的评定信息；检测图谱中应能识别相控阵检测实施的关键参数。

(6)试块。标准试块使用NB/T 47013.3-2015 《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》中的CSK-ⅠA试块。

对比试块使用SY/T 4109-2013 《石油天然气钢制管道无损检测》中的SGB-6试块。

2.2 检测人员要求

(1)由于国内目前尚无相控阵级别的资格证书，考虑到相控阵和常规超声检测均属于脉冲反射法检测方法，因此要求从事相控阵超声检测的人员应取得特种设备UT Ⅱ级及以上资格。

(2)相控阵检测属于新技术，检测人员水平参差不齐，各个厂家的设备操作界面差异较大，设备的操作熟练度对检测质量和效率有直接的影响，因此要求相控阵检测人员应熟悉其所使用的设备，接受过相控阵超声理论和操作技能培训并经入厂考核合格后方可上岗。

(3)项目上引入TOFD技术补充测量缺陷的自身高度，因此要求相控阵图谱评判人员应持有TOFD-Ⅱ级资质。

(4)相控阵超声检测人员应熟悉长输管道焊接相关知识，应熟悉被检件的材料、几何尺寸及透声性等，对检测中出现的问题能做出分析、判断和处理。

2.3 检测参数

(1)扫描方式为扇形扫描，扇型扫描起始角度过小可能在被检件中产生纵波，干扰检测；终止角度过大，有效孔径减小，导致声场能量减小，且大角度定位误差较大，因此规定扇扫角度应设置在35°75°[4]；声束焦点设置在拟使用的最大声程处，即焊缝外表面，以增加二次波近表面的分辨力，更有利于近表面缺陷的检出；扫查方式采用双相控阵探头在焊缝单面双侧以固定的探头中心距实施沿线扫查，扫查步进不大于1 mm，防止小缺陷漏检。

(2)灵敏度校准方式为TCG(时间增益修正)，在整个拟使用的声程范围内，扇扫各角度声束对不同深度φ2 mm×20 mm横通孔回波高度偏差应控制在±2 dB范围内；基准灵敏度为φ2 mm×20 mm横通孔回波幅度80%，并在此基础上提高2 dB作为扫查灵敏度。

(3)检测参数应在检测前、检测结束时、检测设备重新开机后或检测人员有怀疑时进行系统复核，复核的一般要求为测量不同深度长横孔，确定其回波幅度、深度定位和水平定位是否准确。

2.4 工艺验证

依照标准规范要求，相控阵超声检测操作指导书首次应用时应在对应的模拟试件上进行工艺验证，项目结合线路工程所涉及到的焊口规格(直径×厚度为φ1 016 mm×17.5 mm、φ1 219 mm×26.2 mm)，从试件中挑选了经过射线、超声、TOFD检测无宏观缺陷的焊口16件用于制作模拟试件，主要用于评价和验证相控阵检测系统的能力和检测工艺[5]，并作为参检单位相控阵检测人员的入厂考核试件。

用该项目拟采用的相控阵超声检测工艺对模拟试件进行检测，结果表明：拟采用的检测工艺能保证检测区域的有效覆盖，模拟试件所埋藏的10个缺陷均能被检出，定位和定量较为精确，信噪比符合标准要求。模拟试件埋藏反射体示意如图6所示，埋藏反射体详细信息见表1(T为模拟试件厚度)；工艺验证扫查图谱如图7所示。

图6 模拟试件埋藏缺陷示意

图7 工艺验证扫查图谱

表1 模拟试件埋藏反射体详细信息

3 检测结果对比

相控阵检测和射线检测在该项目经过近一年的应用，已检测焊口41 000余道。其中，相控阵检测评定不合格焊口524道，合格率为98.72%；射线检测评定不合格焊口413道，合格率为98.99%。两种方法的检测合格率基本持平。

对比两种检测技术所发现的缺陷类型数量发现：对于条形体积型缺陷，两种检测方法检测结果对应性较好；对于圆形体积型缺陷，射线的检测发现率明显高于相控阵检测的；对于未熔合面积型缺陷，相控阵检测发现率明显高于射线检测的。下面将对未熔合、裂纹以及条形夹渣等3种常见缺陷的相控阵超声检测结果与其他检测方法检测结果进行对比。

3.1 未熔合缺陷

相控阵检测时，发现一定数量的焊口靠近根部位置存在坡口未熔合缺陷，而射线检测底片中未发现此类缺陷的影像。后经现场逐层打磨并辅以磁粉检测，发现了焊缝靠近根部的坡口位置确实存在未熔合缺陷。施工队伍根据相控阵检测结果分析了缺陷产生的原因，并及时调整了焊接工艺，后续检测中再未成批次地发现此类缺陷。比对结果如图8所示。

图8 未熔合缺陷的检测结果对比

3.2 裂纹缺陷

裂纹属于易扩展型缺陷，在所有缺陷中危害性最大。该项目共发现裂纹4处，相控阵和射线检测均能发现，检测结果对应性较好。比对结果如图9所示。

图9 裂纹缺陷的检测结果对比

3.3 条形夹渣缺陷

条形夹渣类缺陷是焊接时最易产生的缺陷类型之一，射线检测和相控阵检测均能发现，对应性较好。检测结果对比如图10所示。

图10 条形夹渣缺陷的检测结果对比

4 结语

相控阵超声检测技术虽然是一种新兴的无损检测技术，但在相关标准要求下，经过严格的工艺控制，对输气长输管道对接焊缝的常见焊接缺陷有较高的检出率，特别是对危害性较大的面积型缺陷(未熔合、裂纹等)具有很高的检测灵敏度，能很好地和射线检测技术进行优势互补，以确保对接焊缝的焊接质量；采用扇形扫描+沿线扫查的检测模式，相比常规超声检测效率得到了极大的提升，能有效地保证项目的检测时间节点。