相控陣超聲技術(shù)在直縫埋弧焊管自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

楊 光,滕先進(jìn),呂育棟,張 偉,張利輝,孫愛玢

(渤海裝備巨龍鋼管有限公司,青縣 062658)

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管道的建設(shè)發(fā)展和輸油輸氣管線需求量的大幅增加,傳統(tǒng)的管道類型逐漸被高鋼級(jí)、大口徑、厚壁化的產(chǎn)品所取代,對(duì)管線鋼管質(zhì)量的要求也越來越高。其中,在直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)期間,有效可靠地檢測(cè)焊接缺陷是保障油氣管線輸送安全的重要措施[1]。

目前,國(guó)內(nèi)眾多大型直縫埋弧焊管廠的在線焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)仍采用常規(guī)脈沖回波超聲技術(shù),但該技術(shù)存在一定的局限性,其采用的是單一晶片的探頭,探頭發(fā)射的波束只能以單一折射角沿聲束軸線傳播,因此在進(jìn)行鋼管檢測(cè)尤其是厚壁鋼管的檢測(cè)時(shí),需要布置多組檢測(cè)通道以有效實(shí)現(xiàn)焊縫全壁厚區(qū)域的聲束覆蓋;同時(shí)該技術(shù)無法通過軟件處理提高信號(hào)質(zhì)量,只能顯示A掃描信號(hào),缺陷顯示不直觀,檢測(cè)波束不能聚焦,信噪比和分辨率會(huì)隨著檢測(cè)距離增大而下降。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是近年來快速發(fā)展起來的無損檢測(cè)新技術(shù),該技術(shù)目前已大量應(yīng)用于油氣管道環(huán)焊縫的檢測(cè)中,具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、可重復(fù)性強(qiáng)、缺陷檢出率高等優(yōu)點(diǎn),已成為自動(dòng)焊環(huán)焊縫檢測(cè)的首選技術(shù)[1]。為了更好地與管道施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫檢測(cè)進(jìn)行技術(shù)對(duì)接,筆者所在公司創(chuàng)新地采用相控陣超聲技術(shù)來實(shí)現(xiàn)埋弧焊管的超聲自動(dòng)檢測(cè),旨在為國(guó)內(nèi)鋼管制造企業(yè)無損檢測(cè)能力的提升提供一定參考。

1 直縫埋弧焊管相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)

采用美國(guó)GE公司的SNUP-LO/OFF-PAT型相控陣檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由相控陣超聲檢測(cè)單元、檢測(cè)和評(píng)估電子單元、在線焊縫激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等部分組成。檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下:相控陣探頭角度調(diào)節(jié)范圍為40°～70°;信噪比≥18 dB;PRF(檢測(cè)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率)≤20 000 Hz;跟蹤精度≤±0.5 mm;噴標(biāo)精度±10 mm;誤報(bào)率≤1%;管端盲區(qū)<50 mm;檢測(cè)速度≤20 m·min-1。

1.1 相控陣超聲檢測(cè)單元

檢測(cè)單元主體由2組縱向探頭、1組“On-bead”輪式探頭、1組串列式探頭、1組“X”式橫向探頭以及1組分層探頭構(gòu)成。其中,縱向和“X”式橫向檢測(cè)采用W3 GPA32型相控陣探頭,檢測(cè)頻率為3 MHz,32晶片,矩形晶片組尺寸為14 mm×14 mm(長(zhǎng)×寬),可在軟件中選擇所需的角度范圍和合適的折射角度,用于縱向缺陷和橫向缺陷的檢測(cè);“On-bead”輪式探頭采用B5 NC15PA16型相控陣探頭,角度為45°±5°,用于橫向缺陷的檢測(cè);分層檢測(cè)采用常規(guī)超聲波探頭(探頭型號(hào)為H5K15B18,入射角為0°),用于熱影響區(qū)分層缺陷的檢測(cè);串列式模式下檢測(cè)也采用相控陣探頭,探頭型號(hào)為W3 NPA20,檢測(cè)頻率為3 MHz,20晶片,矩形晶片組尺寸為9 mm×8 mm(長(zhǎng)×寬),用于串列模式下檢測(cè)焊縫中部缺陷。相控陣超聲探頭布置方式如圖1所示。

圖1 相控陣超聲探頭布置方式示意

圖1中標(biāo)號(hào)為1,2,3,4的探頭為縱向檢測(cè)探頭,每個(gè)探頭發(fā)射入射角為0°的聲波監(jiān)測(cè)耦合,1和2互相監(jiān)測(cè)耦合,3和4互相監(jiān)測(cè)耦合。5為“On-bead”輪式探頭,由3部分組成,中間部分發(fā)射入射角為0°的聲波用于調(diào)節(jié)探頭水平和耦合監(jiān)測(cè),兩側(cè)部分相對(duì)發(fā)射入射角約45°的折射聲波以檢測(cè)橫向缺陷。6,7,8,9為一組串列式探頭,同側(cè)兩個(gè)探頭一發(fā)一收進(jìn)行檢測(cè),6和7互相監(jiān)測(cè)耦合,8和9互相監(jiān)測(cè)耦合。10,11,12,13為“X”式橫向探頭,沿鋼管縱向方向同一側(cè)兩個(gè)探頭一發(fā)一收進(jìn)行檢測(cè),4個(gè)探頭均發(fā)射入射角為0°的聲波監(jiān)測(cè)自身耦合,11和12互相監(jiān)測(cè)耦合,10和13互相監(jiān)測(cè)耦合。

14,15,16,17,18,19,20,21為檢測(cè)熱影響區(qū)母材分層的直探頭。

1.2 檢測(cè)和評(píng)估電子單元

該電子單元主要進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置、管理、校準(zhǔn)(如最佳入射角和聚焦深度的校準(zhǔn))以及對(duì)缺陷進(jìn)行分析評(píng)判等。

相控陣超聲檢測(cè)時(shí),檢測(cè)人員僅需通過軟件中參數(shù)的設(shè)置就可以調(diào)節(jié)探頭角度,無需任何機(jī)械調(diào)整,減少了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間,相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置界面如圖2所示。

該電子單元可在軟件中對(duì)焊縫形貌、尺寸進(jìn)行可視化設(shè)置,同時(shí)可以計(jì)算出鋼管曲面上的超聲波聲束范圍;具有檢測(cè)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能,檢測(cè)時(shí)缺陷的檢測(cè)狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置以及探傷進(jìn)度都將實(shí)時(shí)顯示,在顯示帶狀圖的同時(shí)可實(shí)時(shí)顯示8個(gè)A掃界面。

各檢測(cè)通道可實(shí)現(xiàn)縱、橫向缺陷,分層缺陷報(bào)警及耦合監(jiān)視等功能并在包絡(luò)圖中以不同顏色顯示。在自動(dòng)檢測(cè)過程中,如果信號(hào)超過閾值,則在包絡(luò)圖上指示缺陷,激活報(bào)警條件并通過噴標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記。

另外,該電子單元具有傷波復(fù)檢功能,可從系統(tǒng)存儲(chǔ)中調(diào)出檢測(cè)結(jié)果文件,并在評(píng)判軟件中對(duì)自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行離線分析評(píng)判。

1.3 在線焊縫激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

每個(gè)檢測(cè)機(jī)架裝備有一組在線焊縫激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)由配備有內(nèi)置式攝像機(jī)的激光頭和評(píng)估電子單元組成,工作時(shí)激光頭不會(huì)與鋼管接觸(距離鋼管表面約140 mm),激光頭無磨損。跟蹤系統(tǒng)精度可達(dá)±0.5 mm,分辨率高,可靠性好,同時(shí)具有自動(dòng)激光功率調(diào)節(jié)、自動(dòng)圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化等功能,在線焊縫激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及操作界面如圖3所示。

圖3 在線焊縫激光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及操作界面

2 埋弧焊管的相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)探頭角度、聚焦法則以及晶片尺寸等參數(shù)來使超聲波束達(dá)到最優(yōu)化,1個(gè)相控陣探頭相當(dāng)于多個(gè)傳統(tǒng)超聲探頭的組合。

當(dāng)進(jìn)行焊縫外部縱向缺陷檢測(cè)時(shí),一個(gè)相控陣探頭可以激活一個(gè)或多個(gè)發(fā)射-接收孔徑,用于焊縫外部缺陷和未熔合缺陷的檢測(cè)。焊縫外部縱向缺陷檢測(cè)聲束如圖4所示,其中藍(lán)色聲束傳播路徑代表對(duì)縱向外部缺陷(焊縫外表面中間刻槽)的檢測(cè),綠色聲束傳播路徑代表對(duì)未熔合人工參考缺陷的檢測(cè),黑色聲束傳播路徑代表耦合監(jiān)控。這些脈沖激發(fā)使用不同的激發(fā)-接收時(shí)間周期。

圖4 焊縫外部縱向缺陷檢測(cè)聲束示意

當(dāng)進(jìn)行焊縫內(nèi)部縱向缺陷檢測(cè)時(shí),檢測(cè)原理同理于外部缺陷檢測(cè)。另外,對(duì)于焊縫內(nèi)部中間層垂直于焊縫的縱向缺陷,可利用串列式檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),其聲束如圖5所示。

進(jìn)行橫向缺陷檢測(cè)時(shí),一組輪式探頭用于檢測(cè)橫傷,一組虛擬通道用于外傷檢測(cè),另一組虛擬通道用于內(nèi)傷檢測(cè),另外還有一組“X”式橫向探頭可對(duì)橫向缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及應(yīng)用情況

國(guó)家管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)“DEC”文件出臺(tái)后,超聲波對(duì)比標(biāo)樣的種類中,除了常規(guī)的φ1.6 mm豎通孔和內(nèi)外橫、縱向N5刻槽以外,焊縫中間區(qū)域又增加了不同壁厚深度的φ3.0 mm平底孔人工對(duì)比反射體。

為了驗(yàn)證該相控陣超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力,確保其滿足最新標(biāo)準(zhǔn)要求,筆者所在公司技術(shù)人員按照“DEC”文件標(biāo)準(zhǔn)加工制作了φ508 mm×8 mm,φ1 422 mm×30.8 mm(直徑×壁厚)兩種極限規(guī)格樣管各1根,其結(jié)構(gòu)如圖6,7所示,然后采用相控陣超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)按15 m·min-1的檢測(cè)速度對(duì)樣管重復(fù)檢測(cè)20次,記錄檢測(cè)及報(bào)警狀況。缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖8,9所示,檢測(cè)結(jié)果與樣管實(shí)物相對(duì)應(yīng),可見樣管上人工缺陷檢出率為100%,誤報(bào)率≤1%,漏報(bào)率為0。

圖6 φ508 mm×8 mm樣管結(jié)構(gòu)示意

目前,該直縫埋弧焊管相控陣超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)已在“西氣東輸四線(吐魯番-中衛(wèi))”、“威遠(yuǎn)-瀘州區(qū)塊頁巖氣集輸干線”等國(guó)家重點(diǎn)長(zhǎng)輸油氣管線項(xiàng)目上得到應(yīng)用,效果較為良好,降低了系統(tǒng)的誤報(bào)率。同時(shí)系統(tǒng)調(diào)試校準(zhǔn)時(shí)間較之前減少約50%,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了檢測(cè)效率,提升了直縫埋弧焊管產(chǎn)品的無損檢測(cè)保障能力。

4 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明,與常規(guī)脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)相比,基于相控陣超聲技術(shù)的直縫埋弧焊管自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、檢測(cè)效率高、缺陷檢出率高、檢測(cè)結(jié)果顯示直觀等優(yōu)勢(shì),可以快速、高效地對(duì)直縫埋弧焊管焊縫進(jìn)行檢測(cè),具有廣闊的發(fā)展前景。

圖8 φ508 mm×8 mm樣管報(bào)警包絡(luò)圖

圖9 φ1 422 mm×30.8 mm樣管報(bào)警包絡(luò)圖