浅谈管子环焊缝相控阵超声检测工艺认可

马树春 赵雪燕 陈 谦

（广船国际质量管理部）

0 前言

广船国际有限公司主业为造船，灵便型液货船为主打产品之一，灵便型液货船有管系多的特点，其中有不少为现场管系。由于空间的限制，现场管路射线检测难以开展，甚至无法实施，因此现场管系焊缝的内部质量难于实现有效的监控。采用相控阵超声检测（PAUT）技术在管子环焊缝上的应用，可实现管子环焊缝由传统的射线检测向相控阵检测转变，如果全面实施后，将带来较大的经济效益和社会效益。

1 相控阵检测目的

1.1 成本效益

以现行的管子射线检测为例，目前我司的船舶管系拍片量每年约为40000 张，按每张片25 元的成本核算（耗材成本+人工成本），每年仅管子射线检测的成本约100 万元。以相控阵检测的全面实施替代射线检测后，除前期的设备投入外，耗材成本几乎为零，从而将会大幅度降低检测成本，同时能够有效解决射线检测方法的不足，实现由传统技术向新技术的全面转变。

1.2 效率优势

管子环焊缝，完成一个直径大于100mm 的接头的检测需要6 次以上曝光，按两台设备两人同时作业，一天只能完成20 个环口焊缝的检测，检测效率无法满足生产要求。相控阵检测替代射线检测，一台设备两人一起作业，一天能够完成40-60 道焊缝的检测，检测效率将可提高2-3 倍，可解决当前射线检测效率低下、检测周期长的生产瓶颈。

1.3 环保、安全风险改善

由于射线辐射对环境卫生及人体身体健康均会造成不利影响，为了降低现场作业时的环境风险，通常只能在中午或者后半夜作业，检测人员安全风险增加，且检测设备相对笨重，探伤人员的劳动强度大，效率低，导致成本难以降低。相控阵超声检测技术不产生辐射，对其他作业没有排他性，可以在正常的工作时间进行，检测设备轻便，作业人员的大大降低。

2 船级社认可要求

不同船级社各船级社对相控阵检测工艺的认可均有明确要求，如在CCS 发布的《关于实施先进无损检测技术工艺认可规定》［1］通函中，明确对检测工艺认可计划、检测设备审核、检测人员资质审核、工艺仿真验证、试块验证、检测工艺规程认可及现场检测抽查验证等环节。在DNV•GL 船级社Guideline for qualification of PAUT procedure ［2］中，重点涵盖检测范围和目的、人员资质、检测设备功能符合性、检测过程、数据有效性评估、数据判读和评定、验收标准等内容的评审。

总体认可应包括人员及设备资质、管线规格范围认可计划、扫查计划及检测工艺准备、人工缺陷验证及自然缺陷验证。

3 认可过程

3.1 人员及设备资质

所有参与进行检测和结果评判的人员应具有相关资质，且应符合ISO9712、PCN、ACCP 或SNT-TC-1A 等国际认可的体系要求，规定了检测和数据评判人员须具备PAUT-II 级及以上资质要求。

检测单位应至少拥有两套对应申请技术的检测设备，相控阵检测还应提交现场使用相控阵探头的晶片测试报告，要求在所使用晶片中，损坏晶片数量不大于使用总数的10%，且不允许相邻晶片损坏。使用检测设备系统的应在有效期内进行校验，其适用性应符合ISO18563-1、ISO18563-2、ISO18563-3 要求的性能要求。

3.2 管线规格范围认可计划

结合我司制作的管路的规格尺寸范围，目前规格为Φ22×3、Φ34×4、Φ60×6、Φ89×8、Φ114×8、Φ140×10、Φ168×16、Φ219×8、Φ273×10、Φ323×12、Φ323×18 占有相对较大的比例，按我司相控阵检测设备的配备情况，为最大限度的发挥相控阵检测技术的优势和解决管子环焊缝的射线检测瓶颈，我司申请认可计划为管外径60mm～323mm, 壁厚6mm～20mm，材质为低碳钢，坡口类型为“V”型，工艺验证选用规格为Φ60×6、Φ140×10、Φ168×16。

3.3 扫查计划及检测工艺准备

扫查计划是检测工艺的指导性思路，决定了方法的有效性和可操作性。在NDT SetupBuilder 仿真软件上进行仿真，模拟出最佳的波束覆盖状况，得到完整的工艺参数，然后在工艺有效性验证试块上进行扫查验证。扫查计划的难点主要在于单侧波束覆盖双侧坡口，经过多次尝试与验证，拟用扇扫+线扫的组合可以达到预期的效果，即体积覆盖的扇扫可检出探头侧中下坡口和对侧下坡口的未熔合，根部覆盖的扇扫可检出探头侧下坡口和对侧中下坡口的未熔合，线扫可检出探头侧和对侧上坡口的未熔合。按照申请船级社认可的管线范围(直径60mm-323mm,壁厚6mm-20mm)，单、双侧扫查计划如图1。

图1 单、双侧扫查计划图

3.4 人工模拟试块设计

根据工程实际发现：检测难度较大的危害性缺陷通常为坡口未熔合和焊趾端裂纹，故用这两种缺陷验证工艺的有效性，同时为了满足验证波束焊缝体积的覆盖的验证，分别在平板焊缝和管子环焊缝上不同位置设置5 处和4 处人工模拟缺陷，试板的板厚包括：6mm，12mm，18mm（如图2），试管的规格为Φ60×6、Φ140×10、Φ168×10（如图3），3 个试管的刻槽深度为1mm，宽为1mm，刻槽长度分别为6mm，10mm 和10mm。探头在焊缝的两侧扫查，设计的全部缺陷应均能发现。

图2 试板模拟缺陷示意图

图3 试管模拟缺陷示意图

表1 1 号验证试块(T=6mm)扫查结果 单位mm

表2 2 号验证试块(T=12mm)扫查结果 单位mm

3.5 人工缺陷验证

对试板模拟试块T=6mm（1 号）、T=12mm（2号）和T=18mm（3 号）的扫查结果分别如表1、表2 和表3 所示。对三种厚度的验证试块，PAUT均能明显发现5 个人工缺陷，且结果与实际尺寸基本吻合。

1 号验证试块中，在A、B 两侧的线扫和扇扫均可发现5 个缺陷，但扇扫发现对侧的缺陷不完整，且有时需用到三次波，而线扫可完整发现对侧的缺陷，故增加一组线扫。

表3 3 号验证试块(18mm)扫查结果 单位mm

表5 试管人工缺陷检出数据表 单位mm

2 号验证试块中， 在A、B 侧两组扇扫均可发现5 个缺陷，扇扫1 不能对焊缝全体积覆盖，上表面缺陷信号不完整，扇扫2 根部覆盖较小，对侧下坡口缺陷信号不完整，故两组扇扫可互补。对侧上坡口缺陷，二次波信号弱，需用到三次波信号。

3 号验证试块中，扇扫1 由于上部不能全覆盖，上部探头侧缺陷不能检出，其余均可检出，扇扫1可以覆盖较大的根部区域，可以补充扇扫2 发现对侧缺陷的不足，但是发现对侧上部的缺陷的能力非常弱。

经验证，为保证预定缺陷的全部检出，对于T=6-20mm 的对接焊缝，在制定相控阵检测的扫查计划时，采用以下扫查方式：

（1）双侧扫查：对于6≤T＜8mm,采用双侧各一个扇扫；对于8≤T＜20mm, 采用双侧各一个扇扫和一个线扫。

表5 自然缺陷射线与相控阵检测缺陷尺寸对照表 单位mm

（2）单侧扫查，对于6≤T＜8mm,选择单侧两个扇扫；对于8≤T＜10mm,选择单侧一个扇扫和一个线扫；对于10≤T＜20mm，采用单边两个扇扫和一个线扫。

以上扇扫的设计应满足焊缝及热影响区的覆盖，线扫角度垂直于探头侧坡口角度。

对模式试管进行验证，选择Φ76×6, 扫查方式采用单侧两个扇扫；Φ140×10 选择单侧一个扇扫和一个线扫；Φ168×10 采用单边两个扇扫和一个线扫。Φ76×6、Φ140×10、Φ168×10 试块的检出结果如表4。

管子环焊缝预设的四个人工缺陷，即模拟焊缝的坡口上部未熔合、表面中心裂纹、根部未熔合以及根部趾端裂纹缺陷，采用预制定扫查计划均可全部检出，进一步验证了该扫查计划的可靠性。

3.6 自然缺陷验证

按照三维空间形状，缺陷可分为体积形缺陷和面状缺陷，对自然缺陷验证，分别选择典型的体积形缺陷气孔和典型的面状缺陷裂纹与射线检测的结果进行比对验证。壁厚为6mm 的1#试件，底片显示有5 个Φ1mm 圆形气孔，相控阵检测采用单扇+双侧扫查进行，底片与相控阵检测数据进行比对，结果吻合，见图4、图5 和表5。

2#试件，底片显示有1 个25mm 裂纹显示，相控阵检测选择双扇+单侧扫查进行，底片与相控阵检测数据进行比对，结果吻合，见图6 和表5。

图4 底片气孔显示

图5 1#试件相控阵数据图

图6 底片裂纹显示与相控阵显示数据对比图

4 结束语

通过对人员及设备资质、管线规格范围认可计划、扫查计划及检测工艺准备、人工缺陷验证及自然缺陷验证等流程的反复论证，各环节均能够满足船级社相关规范，已顺利取得了DNVGL、LR 的工艺认可，正拟申请CCS 工艺认可。按照各船级社的要求，PAUT 检测工艺应用于现场检测的同时，为了确保检测工艺、数据的有效性，需要采用射线检测的方法进行10%-20%的覆盖验证。我司的低碳管子环焊缝相控阵检测技术工艺的认可与实际应用，可大幅调高检测工作的效率，有效降低劳动强度和检测成本，生产效益在一定程度上得到提升，通过检测技术的革新助力公司的高质量发展。