角角焊缝的超声相控阵检测工艺探讨

角角焊缝的超声相控阵检测工艺探讨

孙志勇1任来志1李剑锋2

（1.哈尔滨泰斯特检测有限责任公司哈尔滨150016；2.北京邹展鹿城科技有限公司北京100000）

摘要：本文介绍了将超声相控阵检测成像技术在电站过热器和再热器角角焊缝检测方面的成功应用，超声相控阵检测技术与常规超声检测技术相比，在解决发电厂角角焊缝等常规方法无法检测的部件方面具有独特优势。超声相控阵检测技术具有广泛的应用前景，具有广泛推广价值。

关键词：相控阵；超声；检测技术；角角焊缝。

1检测方法分析

1.1角角焊缝及常规检测方法

联箱与管子相贯节点的相贯线是一条马鞍形状的空间曲线，相贯焊缝焊接规范要求主管与支管的管节点焊缝全周连续焊接并保持平滑过渡。实际施工时受限，很难做到全周连续，即存在焊接不连续、焊接不饱满等施工质量缺陷。角角焊缝的具体无损检测工艺在ASME及我国的NB/T47013中没有涉及。目前广泛采用的是常规超声检测方法。

DL/T1105.1-2电站锅炉集箱小径管管座角焊缝无损检测技术导则的通用部分和超声检测，采用45°、60°、70°三种角度的探头对焊缝进行检测。但该方法检测效率低下，即使是操作熟练的检测人员检测一个角角管座焊缝也需要大量时间。

1.2超声相控阵检测

超声相控阵检测仪器自身具有强大的数据存储和分析能力，使得超声相控阵（PAUT）技术与常规超声技术相比具有更高的检测效率、检测灵敏度和缺陷检出率。相控阵检测系统是高性能的数字化仪器，能够实现检测全过程信号的记录。通过对信号进行处理，系统能生成和显示不同方向投影的高质量图像。超声相控阵的检测操作主要通过系统安装的工艺软件完成。这些软件中自带参数输入模块、截面图生成模块、声束覆盖模块及缺陷定位评价模块等，只要工艺软件选择正确，需要的各个工艺参数设置精确，按照拟定的检测工艺和操作步骤，检测完成后的工艺软件可进行自动评定并生成缺陷信息列表（缺陷信息包括：缺陷深度、长度、幅度等）。结合DAC曲线功能，对缺陷进行三维视图及3D视图显示，辅助评级并自动生成检测报告。

角角管座焊缝超声相控阵横波检测的主要工艺参数（联箱壁厚Y、支管壁厚t、主管外径D、支管外径d、主支管夹角θ是不变量，主支管外壁所构成的二面角ψ和坡口角度φ是变量）必须设置精确，检测生成的缺陷数据信息才能可靠。

每个扫查前对焊缝宽度、探头位置、最大角度、最小角度根据需要进行调整。如果设置正确，缺陷的位置应显示在焊缝内。具体检测及分区见图1。

图1角角节点焊缝超声相控阵检测示意图

2超声相控阵检测工艺

2.2检测前的准备

（1）检测区：检测区宽度应为焊缝本身加上焊缝熔合线两侧各10mm的母材或实际热影响区宽度（取较大值）。检测区厚度应为工件厚度加上焊缝余高。超声检测应覆盖整个检测区，不能覆盖的盲区辅助其他无损检测方法。

（2）检测面的准备及焊缝外观检查：检测面应清除油漆、焊接飞溅、铁屑、油污及其他异物，以免影响耦合及缺陷评判。检测面应打磨，粗糙度应不大于25μm。焊缝外观检查焊缝余高、咬边错边长度、焊脚高度，表面缺陷等是否超标，必要时进行适当的修磨。

（3）尺寸测量：用超声波测厚仪测量主、支管壁厚，每个测点测3次取最小值。测量主、支管间的夹角值（固定）。测量主、支管外径（检测分区依据）。

（4）检测时机：检测工作选在组装、焊接完成后且延迟至少24小时，或者在役检测条件允许的条件下进行，努力保证检测结果的可靠性及检测人员的安全。

（5）母材检测：选择C级检测技术等级或有必要时先用直探头常规超声检测母材区域，以便检测是否有影响相控阵检测结果的分层或其他缺陷存在。

2.2检测工艺

2.2.1检测人员要求及仪器探头楔块的选择检测人员要符合GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证要求。

根据工件厚度、材质、检测位置、检测面形状及声束类型选择探头种类、频率、晶片尺寸、数量、间距、形状及楔块规格。探头选择见表1。

表1超声相控阵探头选择推荐表

采用直接接触脉冲反射法超声相控阵横波检测，壁厚范围可为6mm～400mm的金属制工件。仪器选择应符合JJF1338-2012《相控阵超声探伤仪校准规范》。本试验选择以色列ISONIC200964：64通道相控阵仪（检测最小壁厚3.0mm），探头选择：104379W36。线阵探头要求：实测中心频率与标称频率间的误差应不大于10%；同一探头晶片间灵敏度差值不大于±2dB；激发孔径范围内坏晶片数量不能超出孔径范围内激发总数的20%，且不应有坏晶片相邻。

2.2.2扫查方式及试块

选用机械扫查与电子扫描的结合方式即沿线扫查＋扇扫描进行检测。对可疑部位，必要时可采用扇扫描结合锯齿、前后、左右、旋转、环绕等各种扫查方式进行检测。

试块有：符合GB/T32563-2016要求的CSK-IA、CSK-IIA系列、CSK-IIIA试块，声束控制评定试块，半圆试块，SGB系列试块，带有预埋缺陷的角角焊缝模拟试块等。本试验选择了φ2mm×40mm及半圆试块、预埋缺陷的角角焊缝试块。

2.2.3检测技术等级选择

超声相控阵检测技术等级分为A、B、C三个检测级别。超声相控阵检测技术等级选择应符合制造、安装、在用等有关规范、标准及设计图样规定。对于母材厚度为3.5mm～8mm（不含8mm）的工件不要求检测技术等级分级。

2.2.4耦合补偿

选用最适宜的耦合剂，在检测和确定定量时应对由表面粗糙度引起的耦合损失进行补偿（3dB～5dB）。

2.2.5曲率补偿

对探测面是曲面的工件，应确保工件与楔块最大间隙不超过0.5mm。必要时采用曲率半径与工件相同或相似的参考试块，通过对比试验进行曲率补偿。

2.2.6材质衰减补偿

在检测和定量时，应对材质衰减引起的检测灵敏度下降进行补偿。所采用的最大声程内最大传输损失差小于或等于2dB时可不进行补偿。最大声程内最大传输损失差大于2dB小于12dB时补偿，大于12dB分析原因，修正工艺。

2.2.7温度因素影响

系统校准与实际检测间的温度差应控制在±15℃之内。工件的表面温度范围为0℃～60℃，超出范围应采用特殊探头和耦合剂并通过实验验证。

2.2.8角度增益补偿

ASME标准案例CASE2557、CASE2558中明确指出在进行S扫描时要进行角度增益补偿。先以一种选定的角度（55°）制作距离－波幅曲线，再对各种角度对同一反射体进行增益修正，从而各个角度的声束都可以使用同一条距离－波幅曲线。本试验采用半圆试块。角度范围35°～75°，入射角度设置为55°，扇形覆盖区域中能量分布具有非均匀性，通过补偿功能实现能量一致。

2.2.9DAC曲线制作

依据不同的验收标准采用不同的试块制作DAC曲线。按照NB/T47013DAC曲线可以用CSK-IIA系列、CSK-IIIA、CSK-ⅣA试块试块制作。对于根部缺陷应用70°或45°探头，根据管件厚度选择相同或相近的试块厚度Ｔ。用φ2mm×40mm反射体作DAC，每种探头作一组DAC曲线，不同的探测范围及不同角度探头的DAC曲线不能混用。

2.2.10声束覆盖模拟

用相控阵仪器ISONIC2009安装好的角角焊缝检验软件检测前可以进行声束覆盖模拟，可以确定每个分区的探头距离焊缝边缘的最佳距离，记录扇扫的起始、结束角度。2.2.11仪器校准、补偿值输入

回到仪器各项参数的设置界面进行校准，输入补偿值。

2.2.12扫查灵敏度确定

扫查灵敏度应将耦合补偿、材质补偿和曲率补偿输入后再适当提高6dB～8dB。

2.2.13扫查（手动，不可用编码器）

对发现可疑及最大反射回波的位置进行精确扫查，此时可采用扇扫描结合锯齿、前后、左右、旋转、环绕等各种扫查方式进行检测。使用相控阵软件的缺陷辅助定位功能结合按实际几何结构成像图对标记的各反射回波进行定位，结合A扫、B扫、D扫、TOFD图谱判断是否属于焊缝缺陷的反射回波。

2.2.14横向缺陷的补充检测

当有横向裂纹发生倾向时或合同约定所选用的检测等级有要求时应该进行横向缺陷的补充检测：可将探头放在靠近焊缝的母材，与焊缝轴线成10°～15°夹角采用扇扫描＋沿线扫查方式进行检测，或者探头放在焊缝上采用扇扫描＋沿线扫查方式进行检测。

2.2.16数据分析、缺陷评判、报告出具

依据检测和验收标准，借助软件进行数据分析、缺陷评判、报告出具。

缺陷类型有：点状缺陷、线状缺陷、面状缺陷。

定位：孤立的点状缺陷和未超标缺陷不定位。定位方法采用传统测长法加作图法。

定量：一般采用６ｄＢ法测量缺陷的指示长度，探头指向平面投影长度是其指示长度。由于角角焊缝特殊空间结构一般不进行缺陷高度测量，必要时可以采用TOFD法、相控阵衍射波法测缺陷高度，具体检测见图2。

图2控阵检测声束覆盖图

点击软件的"视图"功能，可以查看A扫设置和探头的各项参数，可以进行缺陷标定、测量，软件具有滤波、数据图像切片功能，还可以将俯视图、侧视图、端视图合成3D成像显示，实际上也可以放在主管上检测。

3工艺验证试验

针对上面的工艺，利用预埋缺陷的角角焊缝试块进行工艺验证试验。

（1）探头置于支管的工艺验证。

按照上面的工艺可检出未焊透缺陷，但是内测焊缝会存在小部分盲区，可以用三次波单独扫查盲区一次。支管上检测结果：发现并记录下φ2通孔位置。

（2）探头置于主管的工艺验证。

按照上面的工艺可以检出未焊透缺陷，同时无检测盲区。主管上检测结果：发现并记录下φ2通孔位置。

4结束语

角角焊缝空间结构的复杂性导致可能出现多种类型的缺陷，致使无损检测时缺陷的定性、定量、定位工作变得困难重重。相控阵检测技术与传统无损检测方法相比具有检测速度快，效率高，检测灵敏度高，可以实现实时动态成像，具有耦合监控功能，可以模拟焊缝真实空间结构成像很多优势。

参考文献：

[1]邵红亮．TKY管节点焊缝相控阵评价方法研究．南昌：南昌航空大学．

[2]JJF1338-2012相控阵超声探伤仪校准规范．

[3]陆铭慧，邵红亮，刘勋丰，等．TKY管接点焊缝形状模型在相控阵检测中的应用．无损检测，2013，3，35（12）：13-15．

[4]JB/T7913超声波检测钢制对比试块的制作与校验方法．

[5]SY/T6755在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头检测．

[6]JB/T10063超声波检测用１号标准试块技术条件．

[7]NB/T47013.3-2015承压设备无损检测第3部分：超声检测．