壓力容器焊縫檢測(cè)超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用

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[摘要]傳統(tǒng)的無損檢測(cè)工藝需針對(duì)壓力容器進(jìn)行停產(chǎn)、清罐，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，同時(shí)耗費(fèi)大量人力物力。采用超聲相控陣技術(shù)對(duì)壓力容器實(shí)施不停產(chǎn)在線檢測(cè)，通過室內(nèi)軟件仿真對(duì)不同缺陷類型進(jìn)行建立模型與解析，對(duì)根部未焊透、接管側(cè)坡口未熔合、封頭側(cè)未熔合等三種缺陷進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算，得到超聲相控陣對(duì)環(huán)焊縫埋藏缺陷的檢測(cè)結(jié)果較射線相比更為準(zhǔn)確，可以有效提高缺陷的檢出率，實(shí)現(xiàn)缺陷的定量和定位分析。

[關(guān)鍵詞]超聲相控陣；仿真計(jì)算；模型解析

壓力容器屬于國家重點(diǎn)監(jiān)管的特種設(shè)備之一，對(duì)壓力容器應(yīng)定期進(jìn)行檢驗(yàn)、維修和維護(hù)。目前常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)前需要對(duì)壓力容器進(jìn)行停產(chǎn)、清罐處理，尤其是開罐檢驗(yàn)需要對(duì)罐體進(jìn)行打磨和清理，耗費(fèi)了大量時(shí)間和人力、物力，平均輔助檢測(cè)費(fèi)用約占總體檢測(cè)費(fèi)用的75%[1,2]。近年來，隨著新型無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使不停產(chǎn)在線檢測(cè)成為可能，其中超聲相控陣技術(shù)具有檢測(cè)靈活、速度快、檢測(cè)結(jié)果直觀、作業(yè)強(qiáng)度小等特點(diǎn)，逐漸在工業(yè)無損檢測(cè)中得到應(yīng)用。

1超聲相控陣基本原理

超聲相控陣主要是利用計(jì)算機(jī)控制相控陣探頭來合成聲束實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收，與常規(guī)超聲波無損檢測(cè)技術(shù)相比，主要是采用了許多相同的探頭晶片，而不是一個(gè)整體壓電晶片，由于每一個(gè)晶片均可視為輻射柱面波的線狀波形源，當(dāng)采用一定的相位間隔激發(fā)陣列晶片時(shí)，這些線狀波源就可以在不移動(dòng)探頭的情況下產(chǎn)生超聲波干涉信號(hào)，形成整體波陣面，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的掃查、聚焦和平轉(zhuǎn)等功能[3]。相控陣的關(guān)鍵技術(shù)在于不同探頭晶片之間的相位關(guān)系，即不同探頭之間的相位間隔，稱為延遲法則，不同的延遲法則會(huì)形成不同聲束特點(diǎn)，如產(chǎn)生直波束、斜波束、聚焦聲束等。每個(gè)晶片之間的延遲關(guān)系為：式中：F為焦距，mm；c為聲束在工件中的傳播速度，m/s；t0為時(shí)間常數(shù)；Bn為第n個(gè)晶片到中心陣列的間距，mm。

2仿真計(jì)算及室內(nèi)驗(yàn)證

由于要進(jìn)行不停產(chǎn)在線檢測(cè)，因此需要研究相控陣無損檢測(cè)技術(shù)在兩側(cè)介質(zhì)不同的情況下，是否能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位和定量，在此采用數(shù)值方法結(jié)合解析模型來提高仿真的效率和準(zhǔn)確性，主要包括聲束輻射場(chǎng)的計(jì)算和缺陷聲場(chǎng)響應(yīng)計(jì)算，其中聲束輻射場(chǎng)的計(jì)算包括計(jì)算探頭的瞬時(shí)聲場(chǎng)和在工件中的瞬時(shí)聲場(chǎng)。對(duì)于是鏡面反射或者端角反射等反射信號(hào)，可以采用Kirchhoff近似來求解，通過以上建模處理，可以將缺陷計(jì)算模型簡化。采用以色列生產(chǎn)的超聲相控陣檢測(cè)儀器，布置16晶片探頭，探頭型號(hào)1043574L-16，頻率4MHz，晶片間距0.5mm，楔塊角度40°。參照GB/T32563-2016《無損檢測(cè)超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》的要求掃查范圍選擇35-69°，每側(cè)進(jìn)行3次沿線柵格掃查。相控陣技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)不規(guī)則的焊縫檢測(cè)有較大的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合具體要求，選取了Φ133mm×10mm接管與Φ1200mm×20mmT形接頭對(duì)接焊縫模擬缺陷，計(jì)算用2.5MHzK2.5/10mm×10mm/前沿8mm探頭檢測(cè)模擬缺陷，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較以確定所建立的模型及采用的算法是否符合實(shí)際檢測(cè)情況。在建模時(shí)考慮10mm工件的檢測(cè)需要，采用10mmΦ1橫孔進(jìn)行靈敏度設(shè)置。在對(duì)缺陷進(jìn)行建模時(shí)，采用簡化的平面模型或者圓孔模型進(jìn)行仿真計(jì)算，這種處理主要是考慮到這兩種模型在零散聲場(chǎng)的計(jì)算條件下與復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的反射聲場(chǎng)區(qū)別不大，且計(jì)算量要小得多。通過仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，在掃查位置、反射信號(hào)特征及聲程均與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。考慮到實(shí)際檢測(cè)時(shí)，探頭晶片的公稱K值和中心頻率往往與實(shí)際值有偏差，因此可以認(rèn)為仿真模型缺陷簡化處理和聲場(chǎng)計(jì)算模型的選取均是合理的。相控陣檢測(cè)技術(shù)針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，在內(nèi)側(cè)有流動(dòng)油的情況下，檢測(cè)結(jié)果并不受影響，只是在增益上存在一些偏差，因此用相控陣技術(shù)來檢測(cè)封頭接管的環(huán)焊縫是可行的。對(duì)于增益上存在的漂移，采用小波變換進(jìn)行簡單處理。用matlab軟件進(jìn)行小波變化處理后可提高增益數(shù)，同時(shí)達(dá)到檢測(cè)效果，解決容器帶壓、帶液條件下導(dǎo)致的漏檢問題，處理后檢測(cè)圖像見圖1所示。

3實(shí)例驗(yàn)證

試驗(yàn)對(duì)象為某立式分離器，規(guī)格為Φ1200×14mm，2002年6月投用。設(shè)備內(nèi)徑1200mm，高5000mm，容積5m3，封頭為橢圓型式，材質(zhì)16MnR，筒體壁厚14mm，封頭厚度16mm，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，工作介質(zhì)為油、氣和水。由于設(shè)備無備用，因此在上一周期未進(jìn)行檢測(cè)維修。檢測(cè)部位為底部封頭環(huán)焊縫，試驗(yàn)原定為停產(chǎn)、不卸料，拆除保溫后進(jìn)行試驗(yàn)，但由于生產(chǎn)工作的連續(xù)性，未實(shí)現(xiàn)停產(chǎn)檢測(cè)，因此采取了拆除保溫、砂紙打磨部分區(qū)域的在線方式進(jìn)行了測(cè)試。拆除保溫后，由于容器筒體上焊有支腿，且在焊縫部位，環(huán)焊縫部位的檢測(cè)不能一次進(jìn)行，因此相控陣分為兩次進(jìn)行，分為焊縫1和焊縫2兩個(gè)區(qū)域，每段焊縫均在焊縫兩側(cè)進(jìn)行相控陣檢測(cè)。采用室內(nèi)試驗(yàn)的相控陣參數(shù)和儀器進(jìn)行檢測(cè)，用普通機(jī)油作為耦合劑。在進(jìn)行柵格掃查的過程中，焊縫的缺陷可以全部掃查并顯示出缺陷所在位置，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總，同時(shí)與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表1，可以得到焊縫1共檢出2條缺陷，焊縫2共檢出3條缺陷，其中焊縫內(nèi)表面裂紋最嚴(yán)重的部位位于對(duì)接環(huán)焊縫2區(qū)域，缺陷4的缺陷高度為4.2mm，且射線未檢出部分缺陷高度和埋藏深度，主要原因是缺陷埋藏較深，射線的穿透能力不足，而相控陣對(duì)于近底面這類深層次的缺陷具有很好的檢測(cè)效果。由于兩個(gè)區(qū)域的缺陷高度均≥2mm，參照《固定式壓力容器安全技術(shù)檢查規(guī)程》，兩段焊縫的質(zhì)量均達(dá)不到安全使用3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)照檢測(cè)到的缺陷長度和寬度，需要對(duì)兩個(gè)區(qū)域的焊縫全部進(jìn)行返修處理。

4效益分析

以5臺(tái)容器檢驗(yàn)費(fèi)用為例，以實(shí)際發(fā)生的費(fèi)用進(jìn)行結(jié)算（按壓力容器檢測(cè)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和各級(jí)預(yù)算編制的定額、相關(guān)規(guī)定編制）為依據(jù)，對(duì)效益進(jìn)行測(cè)算，5臺(tái)容器常規(guī)檢驗(yàn)費(fèi)用1.43萬元，輔助工作量費(fèi)用4.38萬元，合計(jì)5.81萬元。其中輔助檢驗(yàn)工作量主要包括：拆除、恢復(fù)保溫層；打磨焊道油漆及最后恢復(fù)；拆裝人孔、更換人孔墊；清除容器及接管內(nèi)的油污和淤泥，將油污拉運(yùn)到指定地點(diǎn)進(jìn)行填埋；采用鍋爐車蒸灌進(jìn)行罐內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)。其中前兩項(xiàng)費(fèi)用為0.86萬元，后三項(xiàng)費(fèi)用為3.52萬元。使用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，由于檢驗(yàn)費(fèi)用尚沒有國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按常規(guī)檢測(cè)費(fèi)用1.5倍計(jì)算，為2.145萬元。檢驗(yàn)輔助工作量只發(fā)生前兩項(xiàng)，后三項(xiàng)工作量不發(fā)生，輔助費(fèi)用為0.86萬元，總費(fèi)用合計(jì)為3.005萬元。因此，使用超聲相控陣技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)檢驗(yàn)5臺(tái)容器總計(jì)節(jié)約2.805萬元，平均每臺(tái)容器節(jié)約0.561萬元，節(jié)約占比48.3%。

5結(jié)束語

（1）通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測(cè)技術(shù)可以在不卸料不停產(chǎn)情況下，檢測(cè)焊縫的多處缺陷，檢測(cè)結(jié)果可以給出準(zhǔn)確的位置和尺寸，因此可以使用相控陣代替常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)接環(huán)焊縫檢測(cè)。（2）超聲相控陣由于利用了脈沖反射的能量，因此容易受到試件表面粗糙度、增益大小等方面的影響，今后應(yīng)加強(qiáng)在干擾源方面濾波的能力，提高定量分析的精度。

參考文獻(xiàn)

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[2]杜炘潔，郭霄雄，齊昌超.基于風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)站管道不停輸檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2018，37(3)：19-21.

[3]李衍.薄壁金屬焊縫超聲檢測(cè)-常規(guī)法與相控陣法比較[J].無損探傷，2016，40(4)：5-10.

作者：蔡亮 高帥 牛志勇 李世平 祁慶芳 蔣玉卓 李麗嬪 單位：中航油京津冀物流有限公司