螺旋焊缝超声波相控阵检测系统参数调试_吕明轩.pdf

工艺与设备第46卷 第1期2023年1月Vol.46 No.1Jan.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE螺旋焊缝超声波相控阵检测系统参数调试吕明轩1，张斌1，周超2，3（1.上海宝世威石油钢管制造有限公司，上海 200941；2.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）摘 要：为提高焊缝缺陷的检出率，将超声波相控阵检测技术引入螺旋埋弧焊管焊缝全自动检测中，通过重新设置声线仿真焊缝参数和缺陷检测通道，确定扇扫区域等调试措施，提升焊缝缺陷检测准确度。结果显示，通过对超声波相控阵检测设备参数调整，能够有效提升缺陷检出率，单个夹渣及气孔的发现情况得到明显改观，效果显著。关键词：超声波；相控阵；油气输送管道；焊缝；缺陷检测中图分类号：TG115.285 文献标识码：B DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.007Research on Parameters of Spiral Welds Phased Array Ultrasonic Automatic Flaw Detection EquipmentLYU Mingxuan1,ZHANG Bin1,ZHOU Chao2,3(1.Shanghai BSW Petropipe Co.,Ltd.,Shanghai 200941,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.,Ltd.,Xian 710018,China;3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)Abstract:In order to improve the detection rate of weld defects,the ultrasonic phased array detection technology is introduced into the full automatic detection of submergedarc welded helical pipe.The detection accuracy is improved by resetting the parameters of the acoustic ray simulation weld and the defect detection channel,determining the sector scanning area and other debugging measures.The results show that the defect detection rate can be effectively improved by adjusting the equipment parameters,and the detection of single slag inclusion and porosity can be significantly improved,with significant effect.Key words:ultrasonic;phased array;oil and gas transmission pipeline;weld;defect detection0前 言超声波自动探伤目前已成为输送用钢管焊缝快速无损检测的主要手段，在 API SPEC 5L、ISO 3183和GB/T 9711等国内外使用最为广泛的油气输送管线钢管标准中，超声波检测是各类型焊接钢管焊缝检测的优选方法1。对于油气输送用螺旋埋弧焊管，尽管国内仍广泛使用射线检测，但超声波检测的应用也日益增多，这从近年来客户方对超声波连续探伤设备越来越严苛的要求也能窥知一般2。国家管网的管线技术标准中，完全采用了壳牌标准DEP 31.40.20.37-Gen.中对焊缝超声波连续探伤系统的规定。如果采用传统A扫系统，探头布局和探架结构必然更为复杂，探架尺寸需要增加，对于螺旋焊缝来说，能够放置探头的区域有限，导致探头耦合效果较差甚至根本无法摆放，难以满足标准要求3。相控阵技术在管道对接环焊缝的检测中应用已久，国内尚未有应用到螺旋埋弧焊管焊缝的超声波检测中4-6。本研究将超声相控阵检测技术引入螺旋埋弧焊管焊缝全自动检测中，并通过参数调试，提升设备的检出率。372023年 第 46 卷焊 管1超声波相控阵设备及其技术概述1.1超声波相控阵设备螺旋焊管相控阵超声波自动检测设备结构如图1所示，具体参数见表1。设备主要由单侧桁架梁、焊缝探伤行车及升降机构、焊缝检测探头架、管体探伤行车及升降机构、管体检测探架、探头夹持及调节机构、跟踪机构（激光跟踪）、管体探架平移机构、位置记录机构、喷标机构、耦合水系统、电气控制系统、自动润滑系统等组成。检测时，探伤行车（含焊缝探架、管体探架等）沿与被检测钢管平行布置的单侧桁架梁做直线运动，被检测钢管在两组可升降的旋转托辊驱动下做圆周运动，两个运动在 PLC系统的控制下，使得焊缝探架、管体探架相对于钢管做螺旋运动，运动轨迹与螺旋焊缝重叠，实现钢管焊缝扫查。1.2超声波相控阵技术超声波相控阵技术源于电子雷达相控阵技术，初期超声波相控阵技术广泛应用于医用超声成像与诊断，2000年以后，超声波相控阵的无损检测技术才开始进入工业应用阶段7。国内工业领域无损检测超声相控阵检测技术应用起步较欧美国家稍晚，目前在多个行业的应用已经相对成熟8。钢管行业目前主要应用在管道对接环焊缝的无损检测，在螺旋焊管焊缝检测中尚属空白9。相控阵与常规超声检测相比，具有探架及探头数量少、机械稳定、扇扫角度多易检测自然缺陷、可实现直接的自监测耦合、可进行动态聚焦、单个探头实现全焊缝覆盖(API 及 SHELL)、缺陷识别简单等优点10-11。超声相控阵与常规超声波检测区别主要在于采用的探头不同，相控阵采用阵列探头，由许多较小尺寸探头单元有序排列成阵列，或将一个大尺寸的探头按规则分割成许多独立小单元探头的阵列12。相控阵焊缝探头布置如图2所示。采用1对相控阵探头(代替常规2组纵向、2组串列探头）、2组横向探头、1组热影响区分层探头。根据不同管径和壁厚可选不同配置的相控阵探头。壁厚12.7 mm 使用 2 个 32/32 相控阵探头，壁厚12.7 mm使用2个相控阵32/64探头。采用1个32/128相控阵探头，外加 8个常规超声检测通道，对焊缝进行超声波探伤，可满足壳牌标准对于壁厚625.4 mm管体焊缝探伤的要求。2超声波相控阵设备在焊缝缺陷检测中存在的问题某制管企业将超声波相控阵设备应用于管网项目的生产检测当中，该项目共生产交库钢管279根。经检测，缺陷管66根，均为X射线检验岗位发现；超声波相控阵探伤岗位在279根钢管的检测中，有3根钢管检测发出报警，经超声波图1超声波相控阵自动探伤设备结构示意图表1设备主要参数一览表钢管直径/mm5082 032钢管长度/mm8 00015 000焊缝宽度/mm1020焊缝余高/mm0.33.5壁厚/mm625.4钢管直度0.2%管长单根管重/t 15检测速度/（m min-1）312最大螺距/mm2 300螺旋缝成型角度/（）4075（左旋）探伤区管体温度/070图2相控阵焊缝探头布置示意图 38第1期吕明轩等：螺旋焊缝超声波相控阵检测系统参数调试HAN GUAN 手探岗位复核后确定为误报，设备误报率约为1%。需要提高超声波相控阵探伤设备对焊缝缺陷的检出率，减少误报。3调试措施及效果3.1声线仿真焊缝参数设置探头参数、频率、探头前沿等常规设置完成后，打开声线仿真，通过实际测量确定并设置参数，参数设置如图3所示。其中焊缝余高项不论实际余高是多少均设置为 0，这样仿真效果清晰有利于缺陷判断13。根据焊接前坡口的铣边参数设置、H 和 P 值（例如壁厚 22 mm、V 形坡口、2 mm 钝边，则设置 为 22、H 为 10、P为2），根据成型数据设置B值（成型缝1 mm则设置B为1），根据内焊缝和外焊缝的实际宽度填写1和2的角度（例如钢管外焊缝宽度15.2 mm，内焊缝宽度13.2 mm，当1为71、2为63时，内外焊缝宽度符合实际测量结果）。3.2扇扫区域的确定在仿真系统里设置好扇扫开始和停止角度的相关参数，以确定扫描区域。开始的角度设置时要保证声束线在焊缝中心点的上方，把探头所在位置对面内焊缝的热影响区纳入扫描范围；停止角度的声束线，要保证二次波把探头所在方向外焊缝的热影响区纳入扫描范围，确保实现全焊缝区域的扫描覆盖。图4为扇扫区域参数设置，设置分辨率为1，则每隔1生成一条声束线，开始的角度设置为30，结束的角度设置为75。从图4可以看到仿真的声线覆盖了焊缝及两侧热影响区，绿色线区域是扫描检测区域。3.3缺陷检测通道设置3.3.1焊缝纵向缺陷检测的设置图5所示为样管焊缝右侧焊趾处外表面纵向N5刻槽伤，从图5（a）扇扫图可看到缺陷回波位于模拟焊缝右侧外焊缝边缘位置，从穿过缺陷的声束线中选择回波最高的一条，将此通道设置为该缺陷的检出通道。图5（b）A扫图像显示该缺陷为右侧相控阵探头模拟的第6条通道二次波探伤检出，通道声束线角度26，声程数55.5 mm，缺陷位于探头前方11.1 mm处，缺陷埋藏深度1.4 mm。当设置报警闸门时，刻槽伤闸门要设置较长区域，缺陷回波左侧区域都是本通道的检测区域，闸门要被缺陷波穿过，波的右侧闸门一定不能留有太大的余量，不然容易因为端角反射产生误报14。图3声线仿真焊缝参数设置图图4扇扫区域相关参数设置图5焊缝检测纵向缺陷回波示意图 392023年 第 46 卷焊 管3.3.2焊缝中心通孔缺陷检测的设置图6所示为样管焊缝中心处规格为1.6 mm竖通孔缺陷，从图6（a）扇扫图可以看到缺陷回波位于模拟焊缝中心位置，从穿过缺陷的声束线中选择回波最高的一条，将此通道设置为该缺陷的检出通道。图6（b）中A扫图显示该缺陷为右侧相控阵探头模拟的第11条通道二次波探伤检出，通道声束线角度40，声程数60.9 mm，缺陷位于探头前方20.4 mm处，缺陷埋藏深度2.7 mm。当设置报警闸门时，竖通孔缺陷闸门设置区域越短越好，回波穿过闸门中心位置。竖通孔回波高度比刻槽要低，本通道增益需要提高，一般要增加816 dB。超出此范围应该调整探头位置，改变探头前沿到焊缝中心的距离或者探头的探伤角度，如果增益数超出16 dB，此通道会产生较多误报15。3.3.3焊缝一侧 50%壁厚平底孔缺陷检测的设置壳牌标准的壁厚平底孔缺陷调试过程比较复杂，当探头扫过缺陷时，回波不高且缺陷当量小，平底缺陷回波出现的位置基本在底波和探头发射位置的连线中间，选择该缺陷回波最高的一组通道，显示该声束线角度为47。采用声线仿真功能，让相控阵探头执行TR扫查的模式，代替传统的串列式探头执行扫查任务。选择TR扫查的模式，让整个探头处于自发自收的工作模式，发射角度47，接收角度47，相当于重新开通了一个通道。图7所示为样管焊缝右侧50%壁厚平底孔缺陷的回波，采用TR扫查的方式，通道声束线角度47，缺陷位于探头前沿8.8 mm处，缺陷埋藏深度7.1 mm。设置该通道闸门要越短越好，回波穿过闸门中心位置。TR扫查的角度一般和焊缝内表面刻槽缺陷与焊缝竖通孔缺陷角度相近，有的时候会同时捕捉到其回波，为了使图形美观简洁可以通过调整闸门位置和通道增益来规避，也可以不作处理。需要注意的是缺陷回波可不作处理，但误报必须要消除。3.4焊缝缺陷检出结果再次生产该管网项目钢管395根，经统计，395根钢管所有缺陷均通过相控阵超声波自动探伤设备检出，无漏检、无漏报，设备漏报率0%。单个夹渣及气孔的发现情况得到明显改观，效果显著。4结 论（1）超声波相控阵自动探伤系统系统技术参数设