摘 要:分析了襯里復(fù)合材料的檢測(cè)難點(diǎn),基于相控陣 AUT(自動(dòng)超聲檢測(cè))技術(shù),制作了一 系列焊接缺陷,并對(duì)比分析缺陷的 AUT 檢測(cè)結(jié)果與缺陷宏觀切片結(jié)果,評(píng)估 AUT 對(duì)于不同位置 缺陷的檢出率及缺陷定量精度,驗(yàn)證了襯里復(fù)合材料焊縫 AUT 檢測(cè)的可靠性。
關(guān)鍵詞:自動(dòng)超聲檢測(cè);襯里復(fù)合材料;檢測(cè)精度
中圖分類號(hào):TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1000-6656(2022)09-0063-03
隨著 AUT(自動(dòng)超聲檢測(cè))技術(shù)的發(fā)展,其在海 底管線焊縫檢測(cè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。不銹 鋼復(fù)合材料管線的內(nèi)表面增強(qiáng)了一層不銹鋼材料,以 增強(qiáng)管線的抗腐蝕性,其管端常采用堆焊方式進(jìn)行焊 接以保證檢測(cè)的可行性。焊縫填充材料與堆焊材料 一致,通常為鎳基625不銹鋼,此類焊縫材料晶粒粗 大,與碳鋼層存在清晰的界面,該界面會(huì)導(dǎo)致超聲發(fā) 生反射,偏轉(zhuǎn),折射及衰減,給超聲檢測(cè)帶來(lái)極大的困 難。文章采用相控陣 AUT技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),獲 得了較好的檢測(cè)效果,達(dá)到了海底管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要 求,為工程應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支撐。
1 襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫 AUT檢測(cè)難點(diǎn)
典 型 的 襯 里 復(fù) 合 材 料 對(duì) 接 焊 縫 如 圖 1 所 示。 AUT檢測(cè)時(shí),聲波在復(fù)合材料與碳鋼材料的界面處 會(huì)產(chǎn)生反射、折射,由于焊縫內(nèi)部晶粒粗大及存在各向異性,聲波散射嚴(yán)重,信噪比較低。另外,采用常規(guī) 橫波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),聲束偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重,定位偏差 大,無(wú)法實(shí)施有效檢測(cè)。
2 相控陣 AUT檢測(cè)原理
2.1 相控陣基本原理
相控陣技術(shù)通過(guò)控制陣列中的每個(gè)晶片延時(shí)發(fā)射 激勵(lì)脈沖,形成所需角度的聲束及焦距,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié) 構(gòu)關(guān)鍵部位的檢測(cè)[1-2]。典型的聚焦聲場(chǎng)如圖2所示。
相控陣探頭相當(dāng)于一個(gè)較長(zhǎng)的常規(guī)超聲探頭, 其由許多小晶片組成,每個(gè)小晶片都可以獨(dú)立激發(fā)。 典型相控陣線性陣列探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。
- 2.2 分區(qū)法檢測(cè)原理
- 分區(qū)法檢測(cè)時(shí),將焊縫聲波沿壁厚方向劃分為 若干個(gè)分區(qū),每個(gè)分區(qū)高度為1~3mm,每個(gè)分區(qū) 配置獨(dú)立的檢測(cè)波束,波束沿焊縫中心線對(duì)稱布置。 典型分區(qū)法波束配置示意如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果以 帶狀圖方式顯示,典型帶狀圖如圖5所示[3-4]。
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- 3 相控陣 AUT檢測(cè)工藝設(shè)置
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檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇合適的頻率,波束類型及探頭類
型,以獲得良好的檢測(cè)靈敏度。試驗(yàn)選用64/128(總
通道數(shù)為128個(gè),一次可激發(fā)64個(gè))相控陣檢測(cè)系
統(tǒng),采用線性相控陣探頭,使用一次縱波檢測(cè)方式,對(duì)
焊縫進(jìn)行常規(guī)的分區(qū)法檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果以帶狀圖顯
示。對(duì)上表面區(qū)域增加爬波檢測(cè),將探頭沿著焊縫中
心線對(duì)稱放置,以實(shí)現(xiàn)焊縫的檢測(cè)及缺陷的準(zhǔn)確評(píng)
定[5]。典型檢測(cè)波束路徑如圖6所示。
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- 4 檢測(cè)過(guò)程
- 4.1 缺陷制作
- 使用兩種規(guī)格(外徑為273mm,壁厚為18.9mm 及外徑為219mm,壁厚為14.1mm)的管道制作缺陷,坡口形成為 U 型,堆焊層高度約為3mm,母材材 料為 API5LX65,堆焊層及焊縫填充金屬材料為鎳 基625,缺陷分別位于焊縫外表面填充區(qū),熱焊區(qū),根 部及內(nèi)部填充區(qū)域,缺陷高度為1~3mm,長(zhǎng)度為 10~20mm,類型為側(cè)壁未熔合、層間未熔及氣孔。 缺陷高度分布如圖7所示。共制作330個(gè)焊接缺陷, 選擇130個(gè)缺陷進(jìn)行切片,同時(shí)每個(gè)位置缺陷數(shù)量大 于30個(gè),以滿足檢測(cè)能力評(píng)估的需求。
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- 4.2 數(shù)據(jù)記錄及評(píng)定
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記錄檢測(cè)數(shù)據(jù),包括缺陷的長(zhǎng)度、高度、深度,選
擇不同位置的缺陷進(jìn)行宏觀切片(見(jiàn)圖8),測(cè)定缺
陷的實(shí)際尺寸。對(duì)比檢測(cè)數(shù)據(jù)與切片尺寸的偏差,
使用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行檢出率(POD)分析,檢出率分
析結(jié)果如圖9所示,AUT 檢測(cè)數(shù)據(jù)與宏觀切片數(shù)據(jù)
對(duì)比如表1所示。
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由表1可知,AUT 檢測(cè)工藝可檢測(cè)出焊縫外表
面填充區(qū),熱焊區(qū),根部及內(nèi)部填充區(qū)域位置的缺陷。
計(jì)算缺陷 AUT 測(cè)量尺寸與宏觀切片尺寸的偏差可
得到,對(duì)于缺陷高度,蓋面區(qū)域的最大偏差為1mm,
熱焊區(qū)域的最大偏差為0.8mm,填充區(qū)域的最大偏
差為0.9mm,根部區(qū)域的最大偏差為0.7mm;對(duì)于缺陷深度,蓋面區(qū)域的最大偏差為2.2mm,熱焊區(qū)域
的最 大 偏 差 為 1.9mm,填 充 區(qū) 域 的 最 大 偏 差 為
2.7mm,根部區(qū)域的最大偏差為1mm。
- 由圖9可知,襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫 AUT檢測(cè)工 藝在置信度為95%,檢出率為90%時(shí),缺陷高度為 0.9mm,滿足海底管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的要求(-1~1mm)。
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- 5 結(jié)語(yǔ)
- 對(duì)襯里復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫進(jìn)行 AUT 檢測(cè)并對(duì)比分析了其結(jié)果與宏觀切片結(jié)果,表明了 AUT 可 檢測(cè)出焊縫不同位置的焊接缺陷,缺陷高度最大偏 差為1mm,缺陷深度最大偏差為2.7mm,在置信度 為95%,檢出率為90%條件下,缺陷高度為0.9mm, 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
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