承壓設(shè)備焊縫超聲相控陣檢測讀譜

只看該作者 · 2014-2-12 09:26:59

ASME BPVC ( 鍋爐壓力容器法規(guī) ) 2009增補(bǔ)版，在第Ⅴ卷2005和2006規(guī)范案例（Code Case ）2557和2558的基礎(chǔ)上，又增添了有關(guān)焊縫超聲相控陣（PA）檢測系統(tǒng)特性評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。超聲相控陣扇形掃描（以下簡稱S-掃描）結(jié)合聚焦聲束和線陣列探頭的移動(dòng)，能獲得功效強(qiáng)大的檢測信息，因而在焊縫檢測方面得到廣泛應(yīng)用。法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對該技術(shù)的確認(rèn)和特定檢測資格評定認(rèn)證的開展，又為鍋爐和壓力容器壓力管道焊縫超聲相控陣檢測的實(shí)際應(yīng)用增添了動(dòng)力、活力和實(shí)力[1][2][3]。

相控陣是焊縫超聲檢測的高效手段，能提供高可靠的檢測結(jié)果。它能用于檢測幾何形狀較復(fù)雜的焊接件、可接近性較差的焊縫及異種金屬焊縫。但相控陣超聲檢測的掃描圖像仍然需要一定的識別技能。承壓設(shè)備焊接接頭的相控陣超聲檢測，其缺陷顯示圖像與衍射時(shí)差（TOFD）法的黑白條紋圖固然不同，也不同于常規(guī)的A掃描脈沖波形。通過相控陣聲像顯現(xiàn)特征判別缺陷性質(zhì)，乃至定位、定量，是相控陣超聲檢測診斷技術(shù)的基本功。

有關(guān)焊縫超聲衍射時(shí)差法（TOFD）檢測中典型焊接缺陷的圖像圖譜識別，筆者已于2009年11月25日在蘇州閶門飯店的《ASME無損檢測標(biāo)準(zhǔn)研討及與中國標(biāo)準(zhǔn)的比較》研討會上作過專題介紹。本文結(jié)合ASME最新標(biāo)準(zhǔn)和國際國內(nèi)應(yīng)用動(dòng)態(tài)，介紹按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的最新要求對承壓設(shè)備焊接接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測時(shí)，有關(guān)相控陣S-掃描圖像圖譜的識別案例，以供國內(nèi)同行操作參考。主要介紹相比于通常X型坡口雙面焊有相當(dāng)檢測難度的V型坡口單面焊和T型接頭組合焊中一些典型焊接缺陷的相控陣S-掃描圖像的識別要領(lǐng)，也包括焊接缺陷依據(jù)PA圖像進(jìn)行定位、定量和定向的一些新理念。

1 焊縫超聲相控陣S掃描識圖原理[4] [5] [6]

焊縫常規(guī)超聲檢測是用固定的折射角——45°、60°和70°進(jìn)行的，而相控陣超聲檢測則在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行聲束掃查。通常，相控線陣斜探頭（橫波）檢測的聲束掃查范圍為35°～75°。

圖1表示相控陣超聲探頭聲束掃查焊縫的截面圖。當(dāng)用直射法（即一次波或0.5S波）檢測時(shí)，焊縫僅下半部被聲束掃查到；但用底面一次反射法（即二次波或1.0S波）檢測時(shí)，聲束就能全部覆蓋整個(gè)焊縫截面。比如，圖示焊縫中的缺陷a，能被二次波檢出，顯示為鏡像a-。在相控陣超聲波探傷儀顯示屏上，使用2.5倍的厚度范圍，整個(gè)焊縫體積就能顯示在單一圖像中。

2  典型焊接缺陷的相控陣S-掃描圖譜

以下對兩種典型焊接接頭型式（V型坡口單面焊和T型接頭組合焊）展示了9張典型焊接缺陷的相控陣S-掃描圖例。單面焊接缺陷有：焊趾裂紋，近底面坡口未熔合，近表面未熔合，密集氣孔；T型接頭組合焊缺陷有：根部未焊透，翼板側(cè)未熔合，焊道下裂紋，焊趾裂紋。為便于圖像解釋和評定，這里通過專用軟件，特意添加了相應(yīng)的焊縫探測布置截面圖，繪出了焊接結(jié)構(gòu)和線陣相控探頭（包括線陣斜探頭或線陣直探頭）的布置。S掃描圖加探測布置圖就是焊縫相控陣超聲檢測的讀譜“焦點(diǎn)”。注意，探測布置圖中含有超聲波在被檢焊縫中的聲束傳播路徑（聲路），特別是用一次反射波（即二次波）檢測時(shí)，二次波的S掃描圖像是用一次波在二倍板厚中的延伸圖像表示的，凡用二次波檢測到的缺陷或焊縫輪廓均用“鏡像”表示。

2.1  焊趾裂紋

圖2表示用線陣相控超聲斜探頭探測V型坡口單面焊縫時(shí)，由探頭聲束S-掃查掃到的焊趾裂紋所顯示的聲像圖，及相應(yīng)的焊縫探測布置截面圖。因焊趾裂紋位于探測面一側(cè)，該缺陷是是用超聲二次波（或1.0 S波）探到的。圖中顯示了被檢焊縫和缺陷的鏡像。裂紋高度是根據(jù)裂紋端角回波與裂紋尖端的衍射信號之間的傳播時(shí)間差所對應(yīng)的深度距離測出的。裂紋的相控陣測高指示值為3.6mm，實(shí)測值為3.8mm，測量誤差－0.2mm。應(yīng)仔細(xì)觀察焊趾裂紋兩信號的鏡像特征：即端角反射信號波幅甚強(qiáng)，聲像較大，而尖端衍射信號波幅較弱，聲像較小。為準(zhǔn)確測出該表面開口裂紋的自身高度，要特別注意水平光標(biāo)線通過該裂紋尖端衍射聲像中的交點(diǎn)位置（垂直光標(biāo)線為該裂紋在板厚方向的高度延伸線）。

2.2  近底面坡口未熔合

圖3是靠近被檢焊縫內(nèi)表面的坡口未熔合的相控陣超聲一次波S-掃描圖像，及相應(yīng)的探測布置截面圖。該未熔合離內(nèi)表面深度距離為1.5mm。圖3（左）表示相控陣扇形聲束檢測原理和V型坡口單面焊焊縫根部的陰影效應(yīng)。圖3（右）則表示S掃描外加D掃描(探頭沿焊縫軸線方向移動(dòng)或稱非平行掃查)動(dòng)作，能給出未熔合的“三度”尺寸：即長度、高度和離內(nèi)表面的深度。注意，線陣相控超聲斜探頭在圖示一側(cè)探測時(shí)，焊縫根部信號（或稱幾何信號）有可能被該未熔合缺陷信號所掩蓋。若探頭置于焊縫另一側(cè)，則缺陷信號和幾何信號兩者圖像均可見。

2.3 近表面坡口未熔合

圖4是靠近被檢焊縫上表面的坡口未熔合用超聲二次波（1.0S波）檢出時(shí)的相控陣S-掃描圖像，及組合一起的探測布置截面圖。圖4（左）表示二次波檢測原理，用二倍板厚解釋了聲束和缺陷的鏡像效應(yīng)；圖4（右）示出了覆蓋焊縫截面的S-掃描圖像和缺陷鏡像，二次波延伸了一次波的掃描圖像，焊縫和缺陷均反映在鏡像中。

2.4 內(nèi)部密集氣孔

圖5表示離上表面1.5mm的密集氣孔用超聲一次波（0.5S波）檢出時(shí)，相控陣S-掃描的圖像。該氣孔群尺寸為:1.5 ×3 ×10mm ( 用D掃描測其長度范圍)。圖左為相控陣聲傳播原理，圖右為覆蓋焊縫截面的S掃描圖像和密集氣孔的聲成像形態(tài)。注意S-掃描圖像中焊根形狀信號的識別，其重要性與常規(guī)A-掃描形狀信號（俗稱假信號）的識別一樣。

2.5 近表面密集氣孔

圖6表示焊縫中近表面密集氣孔用超聲二次波檢測時(shí)的相控陣扇形掃描圖像和附加的探測布置截面圖。圖左為相控陣超聲二次波檢測聲傳播原理，用二倍板厚解釋鏡像效應(yīng)；圖右為相控陣S掃描圖像與探測布置和超聲聲路，注意：掃描鏡像中氣孔群、單面焊根部及蓋面焊角（余高與母材交界部位）的聲成像特征與實(shí)際形態(tài)的對應(yīng)性和特異性。諳悉此特征，將有助于對焊接缺陷相控陣超聲成像的表征、定性和分類。

2.6 T型接頭根部未焊透和翼板側(cè)未熔合

圖7表示T型接頭組合焊縫中存在的根部未焊透和翼板側(cè)未熔合的相控陣S掃描圖像。線陣列縱波直探頭置于翼板側(cè)表面（探頭陣列主動(dòng)窗長度垂直于腹板端面），加一定范圍的橫向移動(dòng)，并作一定角度范圍的相控陣S掃描，即可檢出此類焊接接頭中的重要缺陷（包括根部未焊透、翼板側(cè)未熔合，以及焊接裂紋和焊道下裂紋等）。翼板側(cè)S掃描外加縱向D掃描所得相控陣組合圖像，對上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。另外，還應(yīng)注意缺陷信號圖像與焊縫幾何信號（即表面形狀信號）圖像的識別。

2.7 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋縱波聲像

圖8表示T型接頭中存在的焊道下裂紋用線陣縱波直探頭的相控陣檢測原理和S掃描圖像。在圖右所示的S掃描圖像中，裂紋的自身高度用用豎線光標(biāo)測量，而裂紋離翼板底面的深度距離用橫線光標(biāo)測量。注意用光標(biāo)對缺陷測高測深時(shí)，缺陷圖像端點(diǎn)和特征點(diǎn)的截取位置。

2.8 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋橫波聲像

由于被檢工件和被檢部位的可接近性受到限制，有時(shí)不能將超聲直探頭放在圖8所示翼板平面上用縱波進(jìn)行掃查，而只能在翼板另一面（即靠近組合焊縫和腹板的一面）用斜探頭用橫波進(jìn)行探測。圖9就表示同一T型接頭（即圖8所示接頭）中存在的翼板側(cè)焊道下裂紋，在翼板另一面用線陣斜探頭橫波二次波的相控陣檢測原理和S掃描圖像。圖左表示用二倍翼板厚度解釋超聲二次波和焊道下裂紋的鏡像效應(yīng)，圖右表示S掃描圖像中焊道下裂紋的鏡像形貌和定量（即焊道下裂紋測深定高）方法。對缺陷信號圖像定量測定時(shí)，同樣要注意用豎光標(biāo)和橫光標(biāo)對該焊道下裂紋鏡像的測高測深取點(diǎn)問題（圖示裂紋自身高度測量值為8 mm，離探測面深度距離測量值為1.4 mm）。

2.9 T型接頭翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合

圖10表示T型接頭組合焊中存在的翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合，在翼板組合焊縫側(cè)表面用線陣斜探頭橫波二次波作相控陣檢測時(shí)的S掃描圖像和相應(yīng)探測布置（包括二次波的傳播聲路）。在掃描鏡像中用橫線光標(biāo)測出的焊趾裂紋高度為6.7mm，而裂紋實(shí)際高度為6.8mm。與上述圖2中的單面焊焊趾裂紋相控陣掃描圖像相似，T型接頭組合焊中焊趾裂紋用橫波二次波掃查時(shí)，裂紋信號也會出現(xiàn)兩個(gè)特征鏡像：即端角反射信號圖像和尖端衍射信號圖像，準(zhǔn)確移動(dòng)光標(biāo)，測取兩特征信號間距，同樣是對T型接頭焊趾裂紋準(zhǔn)確測高的重要細(xì)節(jié)。

3  小結(jié)

⑴ 線陣探頭的超聲波相控陣S掃描可作為超聲波成像工具。
⑵ 相控陣檢測時(shí)，焊縫缺陷的S掃描圖像顯示易于判讀評定，缺陷信號和幾何信號圖像較之于常規(guī)的A掃描脈沖波形，易于分辨。
⑶ 相控陣S掃描圖像加上含有聲傳播路徑的探測布置圖，是焊縫相控陣檢測讀譜解譜的有效方法。特別是用二次波檢測時(shí)，要善于讀懂悟明鏡像的實(shí)際位置和形貌特征。
⑷ 缺陷測深測高可依據(jù)S掃描圖像進(jìn)行評定，測量時(shí)應(yīng)注意垂直和水平光標(biāo)的的截取位置。
⑸ S掃描與D掃描結(jié)合使用，可完善缺陷定量表征信息，獲取缺陷三維數(shù)據(jù)。
⑹ 若將相控陣掃描數(shù)據(jù)輸入三維圖，并利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件包，即可利用三維相控陣數(shù)據(jù)重建被檢工件中的缺陷形態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]  ASME BPVC (A09) Section V, Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds, Mandatory Appendices IV Phased Array Manual Raster Examination Techniques Using Linear Arrays [S].
[2]  ASME SE-2491 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems[S].
[3]  ASME Code Section Ⅴ: Code Cases 2557 and 2558 Dec.2006.
[4]  李衍. 焊縫超聲檢測相控陣參數(shù)與缺陷顯示的相關(guān)性 [J]. 中國特種設(shè)備安全，2009，25（12）：37-41
[5]  Ciorau P. A Contribution to Phased Array Ultrasonic Inspection of Welds.  Part 1：Data Plotting for S- and B-Scan Displays [J]. CINDE Journal，2007（5）：1-9.
[6]  李衍.超聲相控陣檢測技術(shù)系列講座[J].  無損探傷，2007，31（4）（6）；2008，32（1）（4）（6）.

                                                      初稿成于2010-3-5 清揚(yáng)翠云陋室
                                                      校改稿完于2010-5-2 蠡園林蔭石臺上

作者簡介：

李衍，高級工程師。現(xiàn)中國無損檢測學(xué)會射線專業(yè)委員會副主任（1988年至今），無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會無損檢測專委會主任；《無損檢測》《無損探傷》雜志編委會成員。國標(biāo)GB3323起草人，修訂人。
2004年4月前在無錫華光鍋爐股份有限公司工作（40年），同年5月至今，受聘于江蘇太湖鍋爐股份有限公司任高級技術(shù)顧問。無錫市勞模。
出版NDT中高級教材譯著有《射線檢測A》《射線檢測B》《超聲檢測A》，及美《無損檢測手冊》（射線卷，合譯）等；國外發(fā)表專著5篇，國內(nèi)自1975年起至今，在《無損檢測》《無損探傷》《中國特種設(shè)備安全》等期刊上發(fā)表論著和譯作（英、日、德、俄）共300多篇。新世紀(jì)開始，主要研究方向?yàn)槌袎涸O(shè)備超聲TOFD、相控陣和射線CR、DR等新技術(shù)應(yīng)用及其標(biāo)準(zhǔn)化。發(fā)表新技術(shù)論著：TOFD 21篇，相控陣18篇，CR、DR 5篇。待出版書：《超聲相控陣》（編譯，共315頁）。
1993年、1998年、2008年曾三次出席無損檢測國際會議，在會上宣讀英語論文。2009年3月榮獲中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會頒發(fā)的特殊貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

薛飛展（1970,11—），男，工程師，射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測四個(gè)方法的Ⅲ級人員，主要從事承壓設(shè)備無損檢測技術(shù)和管理工作。

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