分享：衬里复合钢管对接焊缝的自动超声检测

摘 要:分析了衬里复合材料的检测难点,基于相控阵 AUT(自动超声检测)技术,制作了一 系列焊接缺陷,并对比分析缺陷的 AUT 检测结果与缺陷宏观切片结果,评估 AUT 对于不同位置 缺陷的检出率及缺陷定量精度,验证了衬里复合材料焊缝 AUT 检测的可靠性。 

关键词:自动超声检测;衬里复合材料;检测精度 

中图分类号:TG115.28                                  文献标志码:B                                文章编号:1000-6656(2022)09-0063-03

随着 AUT(自动超声检测)技术的发展,其在海 底管线焊缝检测中得到了越来越广泛的应用。不锈 钢复合材料管线的内表面增强了一层不锈钢材料,以 增强管线的抗腐蚀性,其管端常采用堆焊方式进行焊 接以保证检测的可行性。焊缝填充材料与堆焊材料 一致,通常为镍基625不锈钢,此类焊缝材料晶粒粗 大,与碳钢层存在清晰的界面,该界面会导致超声发 生反射,偏转,折射及衰减,给超声检测带来极大的困 难。文章采用相控阵 AUT技术对焊缝进行检测,获 得了较好的检测效果,达到了海底管线系统标准的要 求,为工程应用提供了可靠的技术支撑。

1 衬里复合钢管对接焊缝 AUT检测难点 

典 型 的 衬 里 复 合 材 料 对 接 焊 缝 如 图 1 所 示。 AUT检测时,声波在复合材料与碳钢材料的界面处 会产生反射、折射,由于焊缝内部晶粒粗大及存在各向异性,声波散射严重,信噪比较低。另外,采用常规 横波检测技术进行检测时,声束偏转严重,定位偏差 大,无法实施有效检测。

2 相控阵 AUT检测原理 

2.1 相控阵基本原理 

相控阵技术通过控制阵列中的每个晶片延时发射 激励脉冲,形成所需角度的声束及焦距,从而实现对结 构关键部位的检测[1-2]。典型的聚焦声场如图2所示。

相控阵探头相当于一个较长的常规超声探头, 其由许多小晶片组成,每个小晶片都可以独立激发。 典型相控阵线性阵列探头结构如图3所示。

• 2.2 分区法检测原理 
• 分区法检测时,将焊缝声波沿壁厚方向划分为 若干个分区,每个分区高度为1~3mm,每个分区 配置独立的检测波束,波束沿焊缝中心线对称布置。 典型分区法波束配置示意如图4所示。检测结果以 带状图方式显示,典型带状图如图5所示[3-4]。
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• 3 相控阵 AUT检测工艺设置 
• 检测时应选择合适的频率,波束类型及探头类 型,以获得良好的检测灵敏度。试验选用64/128(总 通道数为128个,一次可激发64个)相控阵检测系 统,采用线性相控阵探头,使用一次纵波检测方式,对 焊缝进行常规的分区法检测,检测结果以带状图显 示。对上表面区域增加爬波检测,将探头沿着焊缝中 心线对称放置,以实现焊缝的检测及缺陷的准确评 定[5]。典型检测波束路径如图6所示。
  
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• 4 检测过程 
• 4.1 缺陷制作
• 使用两种规格(外径为273mm,壁厚为18.9mm 及外径为219mm,壁厚为14.1mm)的管道制作缺 陷,坡口形成为 U 型,堆焊层高度约为3mm,母材材 料为 API5LX65,堆焊层及焊缝填充金属材料为镍 基625,缺陷分别位于焊缝外表面填充区,热焊区,根 部及内部填充区域,缺陷高度为1~3mm,长度为 10~20mm,类型为侧壁未熔合、层间未熔及气孔。 缺陷高度分布如图7所示。共制作330个焊接缺陷, 选择130个缺陷进行切片,同时每个位置缺陷数量大 于30个,以满足检测能力评估的需求。
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• 4.2 数据记录及评定 
• 记录检测数据,包括缺陷的长度、高度、深度,选 择不同位置的缺陷进行宏观切片(见图8),测定缺 陷的实际尺寸。对比检测数据与切片尺寸的偏差, 使用统计学原理进行检出率(POD)分析,检出率分 析结果如图9所示,AUT 检测数据与宏观切片数据 对比如表1所示。
  
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• 由表1可知,AUT 检测工艺可检测出焊缝外表 面填充区,热焊区,根部及内部填充区域位置的缺陷。 计算缺陷 AUT 测量尺寸与宏观切片尺寸的偏差可 得到,对于缺陷高度,盖面区域的最大偏差为1mm, 热焊区域的最大偏差为0.8mm,填充区域的最大偏 差为0.9mm,根部区域的最大偏差为0.7mm;对于缺陷深度,盖面区域的最大偏差为2.2mm,热焊区域 的最 大 偏 差 为 1.9mm,填 充 区 域 的 最 大 偏 差 为 2.7mm,根部区域的最大偏差为1mm。 
  
• 由图9可知,衬里复合钢管对接焊缝 AUT检测工 艺在置信度为95%,检出率为90%时,缺陷高度为 0.9mm,满足海底管线系统标准的要求(-1~1mm)。
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• 5 结语 
• 对衬里复合钢管对接焊缝进行 AUT 检测并对比分析了其结果与宏观切片结果,表明了 AUT 可 检测出焊缝不同位置的焊接缺陷,缺陷高度最大偏 差为1mm,缺陷深度最大偏差为2.7mm,在置信度 为95%,检出率为90%条件下,缺陷高度为0.9mm, 满足标准要求。 
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• 参考文献: 
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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 无损检测 > 44卷 > 9期 (pp:63-65)>