承压设备焊缝超声相控阵检测读谱

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查看17344 | 回复66 | 2014-2-13 19:35:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 海天一色 于 2014-2-13 21:39 编辑

ASME BPVC ( 锅炉压力容器法规 ) 2009增补版,在第Ⅴ卷2005和2006规范案例 (Code Case )2557和2558的基础上,又增添了有关焊缝超声相控阵(PA)检测系统特性评价的标准。超声相控阵扇形扫描(以下简称S-扫描)结合聚焦声束和线阵列探头的移动,能获得功效强大的检测信息,因而在焊缝检测方面得到广泛应用。法规标准对该技术的确认和特定检测资格评定认证的开展,又为锅炉和压力容器压力管道焊缝超声相控阵检测的实际应用增添了动力、活力和实力[1][2][3]。

相控阵是焊缝超声检测的高效手段,能提供高可靠的检测结果。它能用于检测几何形状较复杂的焊接件、可接近性较差的焊缝及异种金属焊缝。但相控阵超声检测的扫描图像仍然需要一定的识别技能。承压设备焊接接头的相控阵超声检测,其缺陷显示图像与衍射时差(TOFD)法的黑白条纹图固然不同,也不同于常规的A扫描脉冲波形。通过相控阵声像显现特征判别缺陷性质,乃至定位、定量,是相控阵超声检测诊断技术的基本功。

有关焊缝超声衍射时差法(TOFD)检测中典型焊接缺陷的图像图谱识别,笔者已于2009年11月25日在苏州阊门饭店的《ASME无损检测标准研讨及与中国标准的比较》研讨会上作过专题介绍。本文结合ASME最新标准和国际国内应用动态,介绍按规范和标准的最新要求对承压设备焊接接头进行超声相控阵检测时,有关相控阵S-扫描图像图谱的识别案例,以供国内同行操作参考。主要介绍相比于通常X型坡口双面焊有相当检测难度的V型坡口单面焊和T型接头组合焊中一些典型焊接缺陷的相控阵S-扫描图像的识别要领,也包括焊接缺陷依据PA图像进行定位、定量和定向的一些新理念。

1  焊缝超声相控阵S扫描识图原理[4] [5] [6]

焊缝常规超声检测是用固定的折射角——45°、60°和70°进行的,而相控阵超声检测则在一定角度范围内进行声束扫查。通常,相控线阵斜探头(横波)检测的声束扫查范围为35°~75°。
图1表示相控阵超声探头声束扫查焊缝的截面图。当用直射法(即一次波或0.5S波)检测时,焊缝仅下半部被声束扫查到;但用底面一次反射法(即二次波或1.0S波)检测时,声束就能全部覆盖整个焊缝截面。比如,图示焊缝中的缺陷a,能被二次波检出,显示为镜像a-。在相控阵超声波探伤仪显示屏上,使用2.5倍的厚度范围,整个焊缝体积就能显示在单一图像中。



2  典型焊接缺陷的相控阵S-扫描图谱

以下对两种典型焊接接头型式(V型坡口单面焊和T型接头组合焊)展示了9张典型焊接缺陷的相控阵S-扫描图例。单面焊接缺陷有:焊趾裂纹,近底面坡口未熔合,近表面未熔合,密集气孔;T型接头组合焊缺陷有:根部未焊透,翼板侧未熔合,焊道下裂纹,焊趾裂纹。为便于图像解释和评定,这里通过专用软件,特意添加了相应的焊缝探测布置截面图,绘出了焊接结构和线阵相控探头(包括线阵斜探头或线阵直探头)的布置。S扫描图加探测布置图就是焊缝相控阵超声检测的读谱“焦点”。注意,探测布置图中含有超声波在被检焊缝中的声束传播路径(声路),特别是用一次反射波(即二次波)检测时,二次波的S扫描图像是用一次波在二倍板厚中的延伸图像表示的,凡用二次波检测到的缺陷或焊缝轮廓均用“镜像”表示。

2.1  焊趾裂纹
图2表示用线阵相控超声斜探头探测V型坡口单面焊缝时,由探头声束S-扫查扫到的焊趾裂纹所显示的声像图,及相应的焊缝探测布置截面图。因焊趾裂纹位于探测面一侧,该缺陷是是用超声二次波(或1.0 S波)探到的。图中显示了被检焊缝和缺陷的镜像。裂纹高度是根据裂纹端角回波与裂纹尖端的衍射信号之间的传播时间差所对应的深度距离测出的。裂纹的相控阵测高指示值为3.6mm,实测值为3.8mm,测量误差-0.2mm。应仔细观察焊趾裂纹两信号的镜像特征:即端角反射信号波幅甚强,声像较大,而尖端衍射信号波幅较弱,声像较小。为准确测出该表面开口裂纹的自身高度,要特别注意水平光标线通过该裂纹尖端衍射声像中的交点位置(垂直光标线为该裂纹在板厚方向的高度延伸线)。

2.2  近底面坡口未熔合
图3是靠近被检焊缝内表面的坡口未熔合的相控阵超声一次波S-扫描图像,及相应的探测布置截面图。该未熔合离内表面深度距离为1.5mm。图3(左)表示相控阵扇形声束检测原理和V型坡口单面焊焊缝根部的阴影效应。图3(右)则表示S扫描外加D扫描(探头沿焊缝轴线方向移动或称非平行扫查)动作,能给出未熔合的“三度”尺寸:即长度、高度和离内表面的深度。注意,线阵相控超声斜探头在图示一侧探测时,焊缝根部信号(或称几何信号)有可能被该未熔合缺陷信号所掩盖。若探头置于焊缝另一侧,则缺陷信号和几何信号两者图像均可见。





2.3  近表面坡口未熔合  
图4是靠近被检焊缝上表面的坡口未熔合用超声二次波(1.0S波)检出时的相控阵S-扫描图像,及组合一起的探测布置截面图。图4(左)表示二次波检测原理,用二倍板厚解释了声束和缺陷的镜像效应;图4(右)示出了覆盖焊缝截面的S-扫描图像和缺陷镜像,二次波延伸了一次波的扫描图像,焊缝和缺陷均反映在镜像中。



2.4  内部密集气孔
图5表示离上表面1.5mm的密集气孔用超声一次波(0.5S波)检出时,相控阵S-扫描的图像。该气孔群尺寸为:1.5 ×3 ×10mm ( 用D扫描测其长度范围)。图左为相控阵声传播原理,图右为覆盖焊缝截面的S扫描图像和密集气孔的声成像形态。注意S-扫描图像中焊根形状信号的识别,其重要性与常规A-扫描形状信号(俗称假信号)的识别一样。



2.5  近表面密集气孔   
图6表示焊缝中近表面密集气孔用超声二次波检测时的相控阵扇形扫描图像和附加的探测布置截面图。图左为相控阵超声二次波检测声传播原理,用二倍板厚解释镜像效应;图右为相控阵S扫描图像与探测布置和超声声路,注意:扫描镜像中气孔群、单面焊根部及盖面焊角(余高与母材交界部位)的声成像特征与实际形态的对应性和特异性。谙悉此特征,将有助于对焊接缺陷相控阵超声成像的表征、定性和分类。



2.6  T型接头根部未焊透和翼板侧未熔合
图7表示T型接头组合焊缝中存在的根部未焊透和翼板侧未熔合的相控阵S扫描图像。线阵列纵波直探头置于翼板侧表面(探头阵列主动窗长度垂直于腹板端面),加一定范围的横向移动,并作一定角度范围的相控阵S扫描,即可检出此类焊接接头中的重要缺陷(包括根部未焊透、翼板侧未熔合,以及焊接裂纹和焊道下裂纹等)。翼板侧S扫描外加纵向D扫描所得相控阵组合图像,对上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。另外,还应注意缺陷信号图像与焊缝几何信号(即表面形状信号)图像的识别。




2.7  T型接头翼板侧焊道下裂纹纵波声像
图8表示T型接头中存在的焊道下裂纹用线阵纵波直探头的相控阵检测原理和S扫描图像。在图右所示的S扫描图像中,裂纹的自身高度用用竖线光标测量,而裂纹离翼板底面的深度距离用横线光标测量。注意用光标对缺陷测高测深时,缺陷图像端点和特征点的截取位置。





2.8  T型接头翼板侧焊道下裂纹横波声像
由于被检工件和被检部位的可接近性受到限制,有时不能将超声直探头放在图8所示翼板平面上用纵波进行扫查,而只能在翼板另一面(即靠近组合焊缝和腹板的一面)用斜探头用横波进行探测。图9就表示同一T型接头(即图8所示接头)中存在的翼板侧焊道下裂纹,在翼板另一面用线阵斜探头横波二次波的相控阵检测原理和S扫描图像。图左表示用二倍翼板厚度解释超声二次波和焊道下裂纹的镜像效应,图右表示S扫描图像中焊道下裂纹的镜像形貌和定量(即焊道下裂纹测深定高)方法。对缺陷信号图像定量测定时,同样要注意用竖光标和横光标对该焊道下裂纹镜像的测高测深取点问题(图示裂纹自身高度测量值为8 mm,离探测面深度距离测量值为1.4 mm)。



2.9  T型接头翼板侧焊趾裂纹和翼板侧未熔合   
图10表示T型接头组合焊中存在的翼板侧焊趾裂纹和翼板侧未熔合,在翼板组合焊缝侧表面用线阵斜探头横波二次波作相控阵检测时的S扫描图像和相应探测布置(包括二次波的传播声路)。在扫描镜像中用横线光标测出的焊趾裂纹高度为6.7mm,而裂纹实际高度为6.8mm。与上述图2中的单面焊焊趾裂纹相控阵扫描图像相似,T型接头组合焊中焊趾裂纹用横波二次波扫查时,裂纹信号也会出现两个特征镜像:即端角反射信号图像和尖端衍射信号图像,准确移动光标,测取两特征信号间距,同样是对T型接头焊趾裂纹准确测高的重要细节。




3  小结

⑴ 线阵探头的超声波相控阵S扫描可作为超声波成像工具。
⑵ 相控阵检测时,焊缝缺陷的S扫描图像显示易于判读评定,缺陷信号和几何信号图像较之于常规的A扫描脉冲波形,易于分辨。
⑶ 相控阵S扫描图像加上含有声传播路径的探测布置图,是焊缝相控阵检测读谱解谱的有效方法。特别是用二次波检测时,要善于读懂悟明镜像的实际位置和形貌特征。
⑷ 缺陷测深测高可依据S扫描图像进行评定,测量时应注意垂直和水平光标的的截取位置。
⑸ S扫描与D扫描结合使用,可完善缺陷定量表征信息,获取缺陷三维数据。
⑹ 若将相控阵扫描数据输入三维图,并利用相关设计软件包,即可利用三维相控阵数据重建被检工件中的缺陷形态。

参考文献
[1]  ASME BPVC (A09) Section V, Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds, Mandatory Appendices IV Phased Array Manual Raster Examination Techniques Using Linear Arrays [S].
[2]  ASME SE-2491 Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems[S].
[3]  ASME Code Section Ⅴ: Code Cases 2557 and 2558 Dec.2006.
[4]  李 衍. 焊缝超声检测相控阵参数与缺陷显示的相关性 [J]. 中国特种设备安全,2009,25(12):37-41
[5]  Ciorau P. A Contribution to Phased Array Ultrasonic Inspection of Welds.  Part 1:Data Plotting for S- and B-Scan Displays [J]. CINDE Journal,2007(5):1-9.
[6]  李 衍.超声相控阵检测技术系列讲座[J].  无损探伤,2007,31(4)(6);2008,32(1)(4)(6).

                                                         初稿成于2010-3-5 清扬翠云陋室
                                                         校改稿完于2010-5-2 蠡园林荫石台上

作者简介:
李衍,高级工程师。现中国无损检测学会射线专业委员会副主任(1988年至今),无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会主任;《无损检测》《无损探伤》杂志编委会成员。国标GB3323起草人,修订人。
2004年4月前在无锡华光锅炉股份有限公司工作(40年),同年5月至今,受聘于江苏太湖锅炉股份有限公司任高级技术顾问。无锡市劳模。
出版NDT中高级教材译著有《射线检测A》《射线检测B》《超声检测A》,及美《无损检测手册》(射线卷,合译)等;国外发表专著5篇,国内自1975年起至今,在《无损检测》《无损探伤》《中国特种设备安全》等期刊上发表论著和译作(英、日、德、俄)共300多篇。新世纪开始,主要研究方向为承压设备超声TOFD、相控阵和射线CR、DR等新技术应用及其标准化。发表新技术论著:TOFD 21篇,相控阵18篇,CR、DR 5篇。待出版书:《超声相控阵》(编译,共315页)。
1993年、1998年、2008年曾三次出席无损检测国际会议,在会上宣读英语论文。2009年3月荣获中国机械工程学会无损检测学会颁发的特殊贡献奖。

薛飞展(1970,11—),男,工程师,射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测四个方法的Ⅲ级人员,主要从事承压设备无损检测技术和管理工作。

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luolang1314 | 2014-2-14 08:18:48 | 显示全部楼层
不错的资料!
李老还是那么风趣!
basofwu | 2014-2-14 09:58:14 | 显示全部楼层
学习了,学习了。
果GUO | 2014-3-3 10:04:43 | 显示全部楼层
的确值得好好学习

ghost | 2014-3-26 20:24:59 | 显示全部楼层
支持李老先生。
☆CMCHN☆ | 2014-5-21 21:31:33 | 显示全部楼层
太好的资料,最需要的时候
maw | 2015-4-30 12:18:44 来自手机 | 显示全部楼层
写得不错,值得学习!
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