全聚焦相控阵超声检测技术在球罐定期检验中的应用_胡利晨.pdf

应用研究0 引言目前，承压类特种设备行业对工件内部缺陷进行检测的方法主要包括射线检测和超声检测。化工企业对于设备检修时间控制越来越严格，因此对检测效率和检测数据可靠性的要求也不断提高，超声检测技术要向更加快速可靠，缺陷显示更加直观，对缺陷的描述更加准确的方向不断进步。因此，原有的以 A摘 要 压力容器焊缝在制造和服役过程中容易产生各种类型的缺陷，缺陷性质的判定以及精确尺寸的测量对于判定压力容器的安全状况等级至关重要。以某球罐定期检验过程中焊缝发现的超标缺陷为研究对象，通过对比全聚焦相控阵检测、常规A型脉冲反射法超声检测以及衍射时差法超声检测3种方法，证实了全聚焦相控阵技术相对于传统超声检验技术具有诸多优点，最后采用无损检测专用仿真软件CIVA缺陷响应模块进行了仿真计算，比对了相控阵超声和全聚焦相控阵的检测结果，进一步验证了超声相控阵技术在球罐焊缝检测中的可行性和有效性。关键词 全聚焦相控阵 球形储罐 对接焊缝 CIVA仿真 检测对比中图分类号 TH142 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.08.002Application of Full Focus Phased Array Ultrasonic Testing Technology in Periodic Inspection of Spherical TanksHU Lichen HUANG Hui WANG Hongyuan ZHANG Zijian JIN Wei HU WeiweiAbstract:The welding seams of pressure vessels were prone to various types of defects during manufacturing and service.The determination of defect properties and accurate size measurement were crucial for determining the safety level of pressure vessels.Taking the excessive defects found in the welds of a spherical tank during periodic inspection as the research object,the full focus phased array technology had many advantages over the traditional ultrasonic inspection technology by comparing the three methods of full focus phased array inspection,conventional A-pulse reflection Ultrasonic testing and diffraction time difference Ultrasonic testing.Finally,simulation calculations were conducted using the CIVA defect response module,a specialized simulation software for non-destructive testing.The testing results of phased array ultrasound and fully focused phased array were compared,further verifying the feasibility and effectiveness of ultrasonic phased array technology in the detection of spherical tank welds.Key words:Fully focused phased array;Spherical storage tank;Butt weld;CIVA simulation;Detection comparison胡利晨*1 黄 辉1 王红源1 张子健2 金 伟1 胡炜炜1（1.宁波市特种设备检验研究院 2.宁波市劳动安全技术服务有限公司）全聚焦相控阵超声检测技术在球罐定期检验中的应用 *胡利晨，男，1988年生，本科，工程师。宁波市，315048 基金项目：浙江省基础公益研究计划项目（LGF21E040003）；浙江省市场监督管理局科研计划项目（20210137）化工装备技术4第 44 卷第 4 期 2023 年 8 月2023 年 8 月5型显示手工操作为主的常规的 A 型脉冲超声检测难以满足新的需求，因此基于扫查装置和行走编码器的多维超声成像检测技术、衍射时差法超声检测技术（TOFD）和相控阵超声检测技术（PA）等不断发展1。其中 PA 检测因具有灵活的声束控制、聚焦设定以及快速实时成像等特点得到了越来越多的关注，成为超声检测领域新的研究热点，目前已得到了较为广泛的应用，相关检验检测标准已颁布，国内人员 PA 资质考核也在逐步开展。全聚焦成像（TFM）是一种新的相控阵成像技术，基于全矩阵采集 FMC 数据进行的一种后处理成像算法，TFM 成像算法对检测区域内的每一个像素点都进行类似于相控阵技术的延迟聚焦计算，使得每个晶片都接收所有晶片的声场回波信号，然后进行叠加。通过全矩阵捕捉（FMC）实现更高精度的分辨率和更高的检测灵敏度，减弱普通相控阵超声检测中声场对缺陷方向的敏感程度，增强结果的可视化程度，使得结果显示更直观更简洁。能对缺陷形貌进行较准确地还原，对缺陷尺寸的测量精度很高2，与传统的相控阵技术相比，TFM 技术具有近场区灵敏度高和分辨强、表面盲区小等优势。随着 TFM 技术不断发展，其已逐渐克服检测速度慢、仅适用较薄工件等局限性，该技术也是焊接接头相控阵超声检测未来的发展方向之一。1 声学方法检测比对1.1 脉冲反射法超声检测在定期检验中某球罐（材质为 07MnCrMoVR，壁厚为 50 mm，X 形坡口）经常规超声检测后发现存在1 处超标缺陷，按 NB/T 47013.32015承压设备无损检测 第 3 部分：超声检测评定为级，其具体尺寸为：深为 25.6 mm,长为 91 mm，高度为 4.2 mm，缺陷波幅为 SL+10.9 dB，如图 1 所示。参考脉冲反射超声检测的原理，测量结果的准确性取决于声束与缺陷相对位置是否垂直，缺陷性质与走向，检测人员熟练程度等。由于无法对焊缝内部的结构进行宏观检测，只能依靠检测人员的经验对缺陷进行定量和定性，尤其是缺陷性质的判断和自身高度的测量，具有较大的难度，对于人员经验要求极高。根据缺陷的具体深度，预判该缺陷为未焊透或坡口未熔合。图 1 常规超声检测1.2 TOFD检测采用 TOFD 检测后发现该超标缺陷的具体尺寸为：深为 25.7 mm,长为 83.9 mm,高度为 3.5 mm。如图 2 所示，因为衍射信号与角度和振幅无关，所以TOFD 技术在原理和方法上与传统脉冲反射超声波检测技术有根本区别，TOFD 检测具有缺陷检出率高、容易检出方向性不好的缺陷，可以识别向表面延伸的缺陷，可沿焊缝作一维扫查，具有较高的检测速度，缺陷定量、定位精度高等优点。但 TOFD 检测也存在一些局限性，在工件上、下表面附近存在一定的检测盲区，容易夸大一些良性缺陷,如气孔、冷夹层等、点状缺陷精确测量难度大。TOFD 图谱相比于脉冲反射法的 A 型图像更利于识别缺陷，一定程度上可以排除杂波的干扰，但是 TOFD 图像识别和判读具有一定的难度，数据分析需要丰富的经验。根据图 2 可以预判，该缺陷为未熔合或条渣。图 2 TOFD检测图像1.3 全聚焦相控阵超声检测为了进一步精确测量缺陷尺寸和确定缺陷性质，采用了带有实时全聚焦成像（TFM）功能的相控阵超声检测仪进行了缺陷复验，设备型号为 M2M 公司的胡利晨，等：全聚焦相控阵超声检测技术在球罐定期检验中的应用 第 44 卷第 4 期化工装备技术6GEKKO 仪器，检测效果良好，可以更清晰地显示缺陷形貌及位置特征，检测结果如图 3 所示，选取了缺陷长度上最严重的的缺陷某截面检测图谱，从图3 可以看出其具体尺寸为：缺陷中心深度为 29.9 mm,深为 26.6 mm,长为 76 mm,高度为 5.3 mm。当然具体的缺陷尺寸还需要结合多处检测截面综合分析得出，最终该缺陷尺寸评定为缺陷中心深度为 29.9 mm,深为 25.3 mm,长为 76 mm,高度为 5.3 mm，全聚焦相控阵检测技术对于缺陷的定量和定性都是极为准确的，从图 3 可以看出缺陷刚好位于坡口的位置，基本上可以确定为坡口未熔合缺陷。图 3 全聚焦相控阵检测2 CIVA仿真计算对于结构复杂或材料组成较为复杂的工件，可采用 CIVA 仿真技术指导相控阵检测工艺的制定，国内目前采用 CIVA 仿真技术模拟工艺的文献资料较多，涂春磊等3有对对接焊缝相控阵超声检测可靠性进行了 CIVA 仿真与实验分析，张子健等4-5采用CIVA 声场计算模块和缺陷响应模块计算了厚壁奥氏体不锈钢的相控阵检测工艺，何慈武等6采用 CIVA软件对不同曲率下的未熔合、未焊透、裂纹和夹渣进行了仿真计算，研究了不同曲率对信号回波的影响，张超才等7通过 CIVA 软件研究了表面粗糙度、晶粒度等材料特性对声场影响的仿真研究。但对于全聚焦相控阵的 CIVA 仿真目前文献资料还比较少，因此本文进一步对对接焊缝上的未熔合缺陷进行了 PA 检测及全聚焦相控阵的 CIVA 比对仿真。如图 4 所示，在CIVA 软件中建立未熔合缺陷模型，坡口为 60，用5 mm5 mm（长 宽）的矩形缺陷模拟未熔合，仿真采用常规相控阵横波斜入射法，扇形扫查，入射角为 30 65，激励阵元数为 32 个，阵元宽度为 0.3 mm，阵元间距为 0.4 mm，探头频率为 5 MHz。a）CIVA模型 b）S扫图图 4 PA检测的CIVA仿真由仿真结果图 4 b）可知，CIVA 软件可以仿真得到清晰的未熔合缺陷图像，其长度、宽度、埋藏深度以及回波幅值均可以准确的测量，自身高度测量值为 5.3 mm，验证了 PA 检测对坡口未熔合具有较高的检测灵敏度，信噪比强。图 5 为全聚焦相控阵人工缺陷未熔合缺陷仿真图，同样选用 5 mm5 mm（长 宽）的矩形缺陷模拟未熔合。其中图 5 a）为缺陷模型，图 5 b）为TFM 图谱，由仿真结果可得，CIVA 软件同样可以仿真得到清晰的未熔合缺陷图像，自身高度测量值为 4.8 mm。从图 5 可以看出，该技术对坡口未熔合具有更高的检测灵敏度，相比于图 4 b），缺陷部位聚焦效果高，一定程度上消除了缺陷两端的幻影图像，对于缺陷的精确定量具有很大的帮助。a）CIVA模型 b）TFM图谱图 5 全聚焦相控阵CIVA仿真3 结语通过 CIVA 仿真计算发现相控阵检测对于球罐焊缝中的坡口未熔合缺陷具有很好的检出效果，尤其是采用了全聚焦相控阵技术，得到的缺陷图谱可识别度更高，缺陷的位置可以显示在检测软件的焊缝模型中，可视化程度高，有助于检测人员判断缺陷的性质。通过对比研究 PA 检测、A 型脉冲超声检测2023 年 8 月7以及 TOFD 检测等多种声学方法，可以看出相控阵技术，尤其是具有全聚焦功能的相控阵对球罐焊缝中典型缺陷的定性和缺陷尺寸精确测量具有较大的优势，在石化企业的重大核心设备检测中具有广泛的应用前景。参考文献1 林彤,姚钦.管板与筒体接头相控阵超声检测技术应用J.无损检测,2018,40(12):31-362 黄文大,汪同和,孙岳.大口径厚壁奥氏体不锈钢管道焊接接头的3D全聚焦相控阵超声检测J.无损检测,2022,44(1):38-413 涂春磊,邹建华,强天鹏,等.对接焊缝相控阵超声检测可靠性的CIVA仿真与实验分析C.2013