相控陣超聲檢測在油氣管道焊縫的應用初探

葉浩輝

(中海石油寧波大榭石化有限公司儲運二部，浙江 寧波 315812)

1 前言

我國國土廣袤，油氣資源分布不均勻，因此，在油氣運輸時，必須采用長距離、大范圍的管道運輸，由于實際生產中，無法實現一根管道運輸油氣的形式[1]。因此，需將多段管道通過焊接的方式進行連接。焊接作為一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬的制造工藝，焊接件的質量取決于焊接工藝和焊接手段，一旦焊接過程中出現位裂紋、未焊透、氣孔等缺陷，將會嚴重影響焊接件的使用壽命，嚴重時會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。

因此，作為整個管道系統性能最為薄弱環(huán)節(jié)的焊縫，其質量直接關系到整個系統的安全運行。但目前的傳統檢測方法在檢測效率方面，都難以滿足日益變化的檢測需求[2]；隨著超聲無損評價的興起，焊縫對定量超聲無損檢測方法具有強烈的需求，而考慮到焊縫的具體特點，相控陣超聲因其聲束柔性可控，檢測精度高等特點成為了焊縫定量無損檢測的最為有效手段之一。

2 油氣管道焊縫缺陷基本情況

焊縫中的缺陷是影響油氣管道焊縫質量的主要因素，下面介紹幾種油氣管道焊縫中的常見缺陷類型：

(1)裂紋：裂紋是一種常見的比較嚴重的面積型缺陷，它是由于在焊接應力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結合力遭到破壞形成新界面并產生縫隙。裂紋可能出現在工件的表面，也可能出現在工件的內部。

圖1 油氣管道焊縫裂紋缺陷

(2)氣孔：氣孔是一種點狀缺陷。它的形成主要是由于在冷卻焊接材料的過程中，氣體未能及時排出，從而在焊縫中產生較為明顯的孔穴。

圖2 油氣管道焊縫氣孔缺陷

(3)未焊透：未焊透是指被焊金屬沒有徹底熔入到焊縫的根部。未焊透缺陷會導致焊縫的有效截面積銳減，造成應力集中，從而降低了整體的強度和使用壽命，同時未焊透容易誘發(fā)其他的缺陷，例如裂紋缺陷等。

圖3 油氣管道焊縫未焊透缺陷

(4)未熔合：未熔合是指焊道與焊道之間未徹底熔入一起。根據未熔合發(fā)生的部位可以分為坡口未熔合、根部未熔合等。

圖4 油氣管道焊縫未融合缺陷

3 相控陣超聲檢測基礎

目前超聲檢測正在往無損檢測評價的方向持續(xù)發(fā)展，而相控陣以其聲束可控、成像多樣性等多種獨特優(yōu)勢，成為了當下超聲檢測研究的熱點。

根據惠更斯原理，相控陣超聲聲場空間內某一點的聲壓是所有相控陣換能器陣列單元在該點產生的聲壓疊加的結果，這里的疊加包括幅值和相位的疊加。在相控陣超聲波束的合成與控制中，我們通過控制相控陣換能器陣元發(fā)射頻率與相位差，利用波的干涉原理來實現波束的聚焦與偏轉[3]。如圖5所示，通過改變部分陣元組的脈沖激勵順序或者延遲時間，使聲場中某些位置的振動得到加強或者減弱，實現相控陣超聲波束的偏轉與聚焦，改變相控陣換能器發(fā)射的波束覆蓋范圍。

圖5 相控陣超聲的偏轉聚焦

4 面向油氣管道焊縫的相控陣超聲檢測

4.1 油氣管道焊縫相控陣超聲檢測基礎

若采用單一探頭對油氣管道焊縫進行相控陣超聲檢測，由于超聲波束的擴散角以及聲波在被檢件內部散射的緣故，容易引起超聲回波信號較弱，導致漏檢現象。而單純的通過提高激勵電壓的方式來增強超聲回波信號，容易導致噪聲信號與有用信號混雜，無法觀測檢測檢測結果。

根據以上背景應運而生的相控陣超聲檢測，是根據油氣管道的壁厚、坡口類型以及焊接填充次數將焊縫分成多個區(qū)域，采用獨立聚焦探頭對各個區(qū)域進行檢測，并通過拉取時間門和幅度門來獲取指定范圍的超聲回波信號[4]；在此基礎上，采用顏色映射機制表示對應的超聲回波信號的位置信息，用坐標表示幅值信息。

圖6 相控陣超聲掃查原理示意圖

4.2 相控陣超聲檢測結果的顏色表征

在檢測前，人為地將焊縫劃分為幾個分區(qū)區(qū)域，針對各個分區(qū)區(qū)域的評價標準不同。其次，通過拉取時間門和波幅門內的信息來實現表征相對位置信息和幅值信息。波幅門信息為時間門和波幅門共同劃定時間范圍內回波幅值的指定值，它表征了缺陷區(qū)域內是否存在缺陷以及缺陷的當量大小[5]。這一信息使用顏色來表示，具體描述如下：幅值低于10%的信號一般為噪聲信號，直接忽略，認為幅值為0；幅值在10%-40%之間的，用綠色塊表示；幅值在40%-80%之間的，用紅色塊表示，并計入帶狀圖內的幅值曲線；幅值超過80%的信號用黃色塊表示，并計入帶狀圖內的幅值曲線。通過利用人眼對不同顏色的敏感性不同，設置了相應的顏色，可以方便檢測人員識別檢測區(qū)域內是否有回波幅值超過指定的閾值。圖7所示為不同位置、幅值下時間門和波幅門信息的示意圖，圖8所示為檢測過程中某一分區(qū)帶狀圖。

5 結束語

油氣管道在各個領域具有廣泛的應用，而焊縫作為整個管道系統性能最為薄弱的環(huán)節(jié)，其質量保障尤為重要。通過相控陣超聲檢測來代替?zhèn)鹘y的手工檢測和射線檢測，檢測更加柔性、安全以及可靠，極大地提高了焊縫的檢測效率和準確性，同時也保證了定量評價結果的準確性，是油氣管道焊縫質量保障的重要手段。

圖7 時間門和波幅門信息表征示意圖

圖8 實際檢測中某一分區(qū)帶狀圖