CN104849349A - 采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法。相控阵超声组合技术检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝的方法，是采用相控阵超声设备通过相控阵探头对试块经过相控阵超声系统的设置进行现场检测，检测结果经过评定及出具检测报告流程完成。本发明方法操作简单、实用，无辐射，无污染，检测效率高，检测结果以三维图像形式显示、直观易懂，定量精度高，受人为因素影响小，漏评和误判的几率低。适宜作为薄壁小径管焊缝检测的方法应用。

Description

采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁小径管焊缝超声检测工艺方法，具体说是采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法。

背景技术

根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，公共安全领域中的重大生产事故预警与救援属于优先主题。承压设备包括各种锅炉、压力容器和压力管道等，属于重要生产设备，与国民经济生产和人民日常生活有着十分密切的联系。然而承压设备往往具有高温、高压和有毒介质等特点，一旦发生事故，后果极其严重。为避免可能出现的质量事故，承压设备在制造、使用、检验等环节中大量应用无损检测技术。据统计，2005年共发生承压设备严重以上事故274起，其中因设备本身质量问题引发的事故48起，占事故数20％，因设备存在缺陷未及时发现引发的事故38起，占事故数的16％，两者相加占事故数的36％。因此加强和提高无损检测技术和水平，有利于科学了解和评价承压设备的质量状况，提高重大生产事故预警的能力，保障国民经济发展和人民生命财产安全。

相控阵超声检测技术是目前国内外承压设备无损检测技术发展的新方向。相控阵超声技术是利用电子方式控制相控阵超声探头的声束来实现超声波发射、接收的方法。相控阵超声探头有多个小晶片（即阵元），每个阵元被独立的激发，并施加不同的时间延迟，所有阵元发射的超声波形成一个整体波阵面，能够实现动态聚焦，并能有效地控制发射超声束的形状和方向。它为确定缺陷的形状、大小和方向提供出比单个或多个常规超声波探头系统更大的能力。相控阵超声检测技术具有成像功能，检测结果以图像形式显示，分为A扫面、B扫描、S扫描、E扫描及P扫描等，直观易懂，存储的数据具有动态回放功能，并且还能记录扫查位置。这些功能是常规超声检测技术难以做到的。相控阵超声检测技术已经逐渐应用于工业无损检测，如对汽轮机叶片(根部)和涡轮圆盘的检测、石油天然气管道环焊缝检测、火车轮轴检测、核电站主泵隔热板的检测等等，有着巨大的发展空间。

在电站锅炉、石油天然气站场、炼油厂及船舶等行业的安装及检修中存在大量小径薄壁管焊缝。每个行业对小径管焊缝定义各不相同，例如电力行业DL/T820《管道焊接接头超声波检测技术规范》中定义“中小径薄壁管:外径大于或等于32mm 、小于或等于159mm，壁厚大于或等于4mm 、小于14 mm”。石油天然气行业SY/T4109《石油天然气钢质管道无损检测》中定义“外径小于或等于89mm、壁厚大于等于5mm、小于等于14mm为小径薄壁管”。 在现场施工中小径薄壁管焊缝数量多，检测任务重，尤其在电站锅炉安装过程中存在大量小径薄壁管焊缝，施工空间狭小，工期紧，任务重，经常存在交叉作业，而这些焊缝基本上都采用射线检测和常规超声检测，给检测能否按期完成提出了很大难题。

射线检测的特点是对体积型缺陷敏感（例如气孔），对危害性大的面积型缺陷不明感（例如裂纹、未熔合）、易漏检，优点是缺陷显示直观，但是现场检测时有辐射、有污染，对人体有害，不能进行交叉作业，不能现场出具检测结果，检测效率低，易影响工期进度。

常规超声检测的特点是对危害性大的面积型缺陷敏感，对体积型缺陷不敏感、易漏检，检测过程中无辐射，能现场出具检测结果，检测效率高，能进行交叉作业，缺点是采用单一角度的声束检测，检测结果不是以图像形式显示，而是以A扫描形式显示、不直观，存储的数据不能动态回放，对检测人员的技术水平要求高，检测结果受人为因素影响大，经常出现漏检和误判现象，影响工程质量，尤其对壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝采用单一角度的一次波和二次波检测难度很大，检测结果的可信度值得怀疑，因此对此范围的薄壁小径管焊缝基本上采用射线检测，使检测任务加重，延缓工程进度，很难保证工程按期完工。

发明内容

为了克服现有超声检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝工艺方法的不足，本发明提出了采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法。该方法通过相控阵超声检测方法，解决薄壁小径管焊缝超声检测的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

相控阵超声组合技术检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝的方法，是采用相控阵超声设备通过相控阵探头对试块经过相控阵超声系统的设置进行现场检测，检测结果经过评定及出具检测报告流程完成。

积极效果，本发明方法操作简单、实用，无辐射，无污染，检测效率高，检测结果以三维图像形式显示、直观易懂，定量精度高，受人为因素影响小，漏评和误判的几率低。适宜作为薄壁小径管焊缝检测的方法应用。

具体实施方式

现有常规超声检测薄壁小径管焊缝方法的不足和特种设备行业及电力行业相控阵超声企业标准检测薄壁小径管焊缝方法存在对气孔点状缺陷不敏感、易漏检的缺点，而提出相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法。

检测方法

由相控阵超声设备、相控阵探头、试块、相控阵超声系统的设置、现场检测、检测结果评定及出具检测报告流程完成。

实施例1：

实施例1是检测规格为Φ32mm×3.5mm的管子模拟试件，在模拟试件对接焊缝中有根部未焊透和气孔缺陷。模拟试件对接焊缝参数、缺陷参数及参考检测标准见表1所示。

表1  Z32-T3.5-4管子模拟缺陷试件及缺陷设计参数

相控阵超声组合技术检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝的方法，是采用相控阵超声设备通过相控阵探头对试块经过相控阵超声系统的设置进行现场检测，检测结果经过评定及出具检测报告流程完成。

所述的相控阵超声设备是采用具有多项扫查及三维图像显示功能的ISONIC-PA-2009相控阵设备。

所述的相控阵探头是采用小径管专用相控阵探头，探头编号为7.5S16-0.5×10W39，即频率为7.5MHz或10MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元宽度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、晶片曲率半径为35mm、楔块角度为39°、楔块声速为2337m/s；

所述的试块采用标准试块为CKS-ⅠA、对比试块为SGB-1。

所述的相控阵超声系统的设置包括：

（1）采用7.5S16-0.5×10W39的小径管专用相控阵探头。

（2）一次激发的晶片数为16个。

（3）采用CKS-ⅠA和SGB-1试块。

（4）扫描类型选择扇形扫描，显示方式选择按实际几何结构显示成像。

（5）在SGB-1对比试块上制作DAC曲线，并确定基准灵敏度。制作三条DAC曲线，即：

①采用三次波检测制作的DAC曲线，聚焦声程为100mm，激发反射波次数为0.5，制作DAC曲线的角度为68°，基准灵敏度为38dB。

②采用二次波检测制作的DAC曲线，聚焦声程为100mm，激发反射波次数为0.5，制作DAC曲线的角度为72°，基准灵敏度为40dB。

③采用四次波检测制作的DAC曲线，聚焦声程为100mm，激发反射波次数为0.5，制作 DAC曲线的角度为58°，基准灵敏度为38.5dB。

（6）在CSK-ⅠA试块上制作角度增益补偿曲线。

（7）采用相控阵组合技术同时设置进行检测，即管壁厚度大于等于3.5mm、小于5mm的薄壁小径管焊缝采用三次波、二次波和四次波组合检测，即采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波和四次波检测焊缝中上部。

（8）输入焊缝参数。

即：坡口角度为45°、钝边为0.5mm、对口间隙为3mm、根部焊缝宽度为6mm、根部焊缝余高为0.5mm、盖面焊缝宽度为10mm及盖面焊缝余高为0.5mm。

（9）确认相控阵探头前端距焊缝边缘距离即探头位置、扇形角度范围及角度步进。

①探头位置为11mm。

②三次波检测扇形角度范围为63°～69°，二次波检测扇形角度范围为68°～78°，四次波检测扇形角度范围为54°～63°。

③角度步进为0.5°。

（10)耦合补偿灵敏度为4dB～6dB。

（11）检测灵敏度的确认

根据SY/T6755-2015报批稿确认检测灵敏度，即：

①二次波和三次波检测灵敏度为在基准灵敏度基础上加6dB。

②四次波检测灵敏度为在基准灵敏度基础上加9dB。

（12）采用单探头配置，分别在焊缝两侧进行检测。

（13）采用线性扫查，使用小径管专用扫查器进行半自动扫查。扫查速度为25mm/s。

(14）在小径管上校准编码器，扫查步进设置为1。

所述的现场检测包括：

（1）确认被检工件表面状态合格后，方可进行检测。

（2）对被检工件的焊缝进行焊缝标识，即焊缝编号为Z32-T3.5-4。

（3）现场检测时使用的耦合剂与系统设置时采用的耦合剂相同，即采用机油作为耦合剂。

（4）在探头位置为11mm的位置上，安装扫查器。

（5）开始扫查，采用半自动扫查进行现场检测。扫查时要注意控制扫查速度，不得超过25mm/s。扫查完毕将检测结果保存。

所述的检测结果评定是参照中石油行业标准SY/T 6755-2015《在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头检测》对检测结果进行评定，即：

1#根部未焊透缺陷检测结果为：长度16.8mm、深度3.1mm、自身高度1.4mm、幅度DAC+9.9dB、处于Ⅲ区。

2#气孔缺陷检测结果为：长度2.2mm、深度1.2mm、幅度DAC+1dB、处于Ⅱ区。

3#气孔缺陷检测结果为：长度1.7mm、深度1.0mm、幅度DAC-3.9dB、处于Ⅰ区。

所述的出具检测报告是将评定的检测结果，参照SY/T 6755-2015，要求的报告格式出具检测报告。

实施例2：

实施例2是检测规格为Φ42mm×7mm的管子模拟试件，在模拟试件对接焊缝中有裂纹、坡口未熔合及气孔缺陷。模拟试件对接焊缝参数、缺陷参数及参考检测标准见表2所示。

表2  Z42-T7-1管子模拟缺陷试件及缺陷设计参数

 相控阵超声组合技术检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝的方法，是采用相控阵超声设备通过相控阵探头对试块经过相控阵超声系统的设置进行现场检测，检测结果经过评定及出具检测报告流程完成。

所述的相控阵超声设备是采用具有多项扫查及三维图像显示功能的ISONIC-PA-2009相控阵设备。

所述的相控阵探头是采用小径管专用相控阵探头，探头编号为7.5S16-0.5×10W39，即频率为7.5MHz或10MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元宽度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、晶片曲率半径为35mm、楔块角度为39°、楔块声速为2337m/s；

所述的试块采用标准试块为CKS-ⅠA、对比试块为SGB-1。

所述的相控阵超声系统的设置包括：

（1）采用7.5S16-0.5×10W39的小径管专用相控阵探头。

（2）一次激发的晶片数为16个。

（3）采用CKS-ⅠA和SGB-1试块。

（4）扫描类型选择扇形扫描，显示方式选择按实际几何结构显示成像。

（5）在SGB-1对比试块上制作DAC曲线，并确定基准灵敏度。制作两条DAC曲线，即：

①采用三次波检测制作的DAC曲线，聚焦声程为100mm，激发反射波次数为0.5，制作DAC曲线的角度为52°，基准灵敏度为39.5dB。

②采用二次波检测制作的DAC曲线，聚焦声程为100mm，激发反射波次数为0.5，制作DAC曲线的角度为62°，基准灵敏度为38dB。

（6）在CSK-ⅠA试块上制作角度增益补偿曲线。

（7）采用相控阵组合技术同时设置进行检测，即管壁厚度大于等于5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝采用三次波和二次波组合检测，即采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波检测焊缝中上部。

（8）输入焊缝参数。

即：坡口角度为35°、钝边为1mm、对口间隙为3mm、根部焊缝宽度为6mm、根部焊缝余高为0.5mm、盖面焊缝宽度为14mm及盖面焊缝余高为0.5mm。

（9）确认相控阵探头前端距焊缝边缘距离即探头位置、扇形角度范围及角度步进。

①探头位置为11mm。

②三次波检测扇形角度范围为48°～56°，二次波检测扇形角度范围为53°～71°。

③角度步进为0.5°。

（10)耦合补偿灵敏度为4dB～6dB。

（11）检测灵敏度的确认：

根据SY/T6755-2015标准确认检测灵敏度，即：

①二次波检测灵敏度为在基准灵敏度基础上加9dB。

②三次波检测灵敏度为在基准灵敏度基础上加6dB。

（12）采用单探头配置，分别在焊缝两侧进行检测。

（13）采用线性扫查,使用小径管专用扫查器进行半自动扫查。扫查速度为25mm/s。

（14）在小径管上校准编码器，扫查步进设置为1。

所述的现场检测包括：

（1）确认被检工件表面状态合格后，方可进行检测。

（2）对被检工件的焊缝进行焊缝标识，即焊缝编号为Z42-T7-1。

（3）现场检测时使用的耦合剂与系统设置时采用的耦合剂相同，即采用机油作为耦合剂。

（4）在探头位置为11mm的位置上，安装扫查器。

（5）开始扫查，采用半自动扫查进行现场检测。扫查时要注意控制扫查速度，不得超过25mm/s。扫查完毕将检测结果保存。

所述的检测结果评定是参照中石油行业标准SY/T 6755-2015《在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头检测》对检测结果进行评定，即：

1#根部裂纹缺陷检测结果为：长度27.6mm、深度5.9mm、自身高度1.6mm、幅度DAC+13.9dB、处于Ⅲ区。   

2#气孔缺陷检测结果为：长度2.0mm、深度4.1mm、幅度DAC-4.6dB、处于Ⅰ区。

3#坡口未熔合缺陷检测结果为：长度8.7mm、深度3.0mm、自身高度1.7mm、幅度＞130%、处于Ⅲ区。

4#气孔缺陷检测结果为：长度2.9mm、深度4.8mm、幅度DAC+1.2dB、处于Ⅱ区。

所述的出具检测报告是将评定的检测结果，按照SY/T 6755-2015标准要求的报告格式出具检测报告。

本发明检测方法的特点：

（1）采用相控阵超声技术检测，利用相控阵超声能形成多个角度的声束检测焊缝；

（2）采用相控阵超声组合技术同时设置进行检测：

①管壁厚度大于等于3.5mm、小于5mm的薄壁小径管焊缝采用三次波、二次波和四次波组合检测，即采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波和四次波检测焊缝中上部；

②管壁厚度大于等于5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝采用三次波和二次波组合检测，即采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波检测焊缝中上部；

（3）采用编码器记录扫查位置，实时显示扫查数据，检测速度快；

（4）检测结果以三维图像形式显示，直观易懂，定量精度高，存储的数据具有动态回放功能。

（5）受人为因素影响小，漏评和误判的几率低；

（6）操作方法简单实用、容易掌握、适用范围广、检测效率高。

Claims (1)

1.采用相控阵超声组合技术检测薄壁小径管焊缝的方法，采用相控阵超声设备通过相控阵探头对试块经过相控阵超声系统的设置进行现场检测，检测结果经过评定及出具检测报告流程完成，其特征是：

检测壁厚大于等于3.5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝；

所述的相控阵超声设备具有多项扫查功能或分区扫查功能的相控阵超声设备，一次激发晶片数大于等于16晶片，具有三维成像显示形式；

所述的相控阵探头是采用一维16晶片的小径管专用探头，频率为7.5MHz或10MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元宽度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、晶片曲率半径为35mm、楔块角度为39°、楔块声速为2337m/s；

所述的相控阵超声系统的设置包括：

1）采用16晶片小径管专用相控阵探头；

2）一次激发晶片数为16晶片；

3）扫描类型选择扇形扫描，显示方式选择按实际几何结构显示成像；

4）在对比试块上制作距离-波幅曲线，确认基准灵敏度；

5）在标准试块或对比试块上制作角度增益补偿曲线；

6）采用相控阵组合技术同时设置进行检测：

①管壁厚度大于等于3.5mm、小于5mm的薄壁小径管焊缝采用三次波、二次波和四次波组合检测，采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波和四次波检测焊缝中上部；二次波主要检测气孔点状缺陷，四次波主要检测坡口未熔合面积型缺陷；增加二次波检测的目的是提高焊缝中上部气孔缺陷的检出率；

②管壁厚度大于等于5mm、小于等于7mm的薄壁小径管焊缝采用三次波和二次波组合检测，采用三次波检测焊缝中下部，采用二次波检测焊缝中上部；

7）确认相控阵探头前端距焊缝边缘距离即探头位置、扇形角度范围及角度步进，探头位置不得大于12mm、扇形角度范围最大角度不得大于78°、角度步进为0.5°；

8）按相控阵超声检测标准确认检测灵敏度；

9）采用单探头配置进行检测或采用双探头配置进行检测；

10）扫查方式采用线性扫查,且使用专用扫查器进行扫查，并设置扫查速度，扫查时可采用半自动扫查或采用自动扫查；

11）校准编码器及设置扫查步进；

所述的现场检测包括：

(1、被检工件表面制备达到检测标准要求时，方可进行检测；

(2、对被检工件的焊缝进行焊缝标识；

(3、现场检测时采用的耦合剂与系统设置时采用的耦合剂相同；

(4、确定探头位置，安装扫查器；

(5、开始扫查，进行现场检测，扫查完毕将检测结果保存，在扫查过程中实时出现检测数据，扫查时控制扫查速度；

所述的检测结果评定是按照检测验收标准对保存的检测结果数据进行评定，现场给出评定结论，检测数据以三维图像形式显示，并且是动态数据；

所述的出具检测报告是将评定的检测结果，按照标准要求的报告格式出具检测报告。