按ASME规范案例要求对小径管焊缝进行相控阵超声检测
Recent Developments of Phased Array Ultrasonic Inspection for Small Pipe Welds
(节选)

李衍LI Yan
江苏太湖锅炉股份有限公司Jiangsu Taihu Boiler Co., Ltd

介绍按ASME规范案例要求,对小口径薄壁管环焊缝用横向曲面相控阵超声探头进行探伤与定量的新方法。相控阵图像仿真显示验证结果表明:横向曲面相控阵聚焦的缺陷定量准确度,明显优于平面相控阵和矩阵探头。而且,该方法简单、经济,行之有效。
This article describes a new testing and defect-sizing method for girth welds of small diameter and thin wall pipes using phased arrays curved in the passive axis in accordance with the requirements of ASME CC 179 and CC181. Both modelling and experiments have shown that curving the array for focusing significantly improves the sizing over the flat arrays or the matrix arrays. And it is an economic and simple and effective solution.

ASME规范案例;小口径薄壁管;环焊缝;超声检测;曲面相控阵;平面相控阵;矩阵;仿真显示;缺陷定量
ASME Code case;Small-diameter and thin-thickness pipes;Girth welds;Ultrasonic tasting;Curved arrays;Flat arrays;Matrix arrays;Modelling and display;Defect sizing

 1曲面相控阵列的出现背景
以往,小口径薄壁管环向对接接头一般多用射线照相法进行探伤。射线照相有明显局限性:有安全和环保问题,要延长生产流程,要耗用胶片和药液,还有对面状缺陷检出率低的固有弱点。有些规程允许对此类焊缝做手工超声检测,但检测结果缺乏客观性记录,检测可靠性在很大程度上取决于操作者的经验和水平。最近,由于便携式相控阵智能化超声设备的出现,小径管焊缝超声自动检测(AUT)也能在工业上得到实用,现在已能提供可靠的、并可追踪的检测结果。
ASME B31.3 规范案例 179和181的出现,已允许小径管环焊缝采用超声自动检测。规范案例 181特别要求对缺陷精确测长和定量,这对小径管无疑是一项难度很高的要求,因为超声波进入管壁后会产生波束扩散。从而导致缺陷测长或定量值过大,以致返修率偏高。相控阵能使超声波束在管子轴向作用面内聚焦,因而对缺陷壁厚方向的尺寸能较好地定量。但是,迄今为止,只有超声矩阵阵列探头才能使波束在管子周向曲面内聚焦,尽管其聚焦能力有限。
采用矩阵和曲面阵列探头都能解决轴向和周向的聚焦问题。但矩阵阵列制作成本高,操作复杂。为此,一开始就确立小径管曲面相控阵超声检测建模方式:要求只采用两种横向曲率,就基本上能覆盖多种小径管,而与管壁厚度无关。制作了半径较大的横向曲面阵列,用它对设置在小径薄壁管中已知形状尺寸的反射体作了探测和定量试验,并与常用的非聚焦标准(平面)阵列作了比较。早先,相控曲面阵列也曾用于直径较大的管道管子的检测。
这里介绍有关试验结果,实验证明:相控曲面阵列的缺陷定量准确度明显提高。曲面阵列的操作无需添加特殊硬件或软件。
2曲面相控阵建模
2.1仿真基本参数
采用相控阵仿真软件(PASS)程序将各种超声波束模式化。探头及相关参数如下:频率5MHz;带宽70%;有效面积:10mm2;楔块:SA1-N45S;波束角度:横波45°;管径:从50mm开始;壁厚5mm;管材:碳钢(纵波声速:5800m/s,横波声速:3230m/s);探头主动轴(纵向)平行于管轴;焦深:5mm和10mm ( 管子内外壁 )。
注意:当前使用的相控阵仿真软件还不能仿真二次波(1.0S波)声场,作用到管子外壁的声场是计算出来的,忽略了管子内壁反射,只考虑超声波在金属材料中的总声程。
试验所用相控阵探头有以下三种:①矩阵探头:16×8阵元;② 横向曲面线阵列探头:16阵元,曲面沿从动轴(横向),曲面半径22mm;③ 平面线阵列探头(5L16-A1):16阵元。
2.2仿真试验结果
图1表示三种相控阵探头的仿真试验显像结果,示出了在波束传播方向上的波束轮廓(前视图和俯视图)。将图中3a3d相控阵显像与1a1d2a2d相控阵显像进行比较,特征一目了然:用平面线阵列探头产生的波束聚焦状态明显劣于用矩阵阵列探头或横向曲面阵列探头产生的波束。有关图1说明,详见表1


图1三种相控阵探头在不同参数下的波束仿真轮廓比较
(略)

4曲面相控阵应用讨论
4.1 与平面相控阵的比较
(略)
4.2 软件升级新动向
由于当前相控阵仿真软件不能仿真薄壁管所必需的2次以上的声程波界面,对给定的管径范围,探头的曲率设计可能达不到最优化。针对该问题,还必须采用功能更强大的软件如CIVA软件,来解决2次以上声程波的界面跳跃问题。

5结论
⑴ASME B31.3 CC 179和CC 181 为承压设备小口径薄壁管用超声检测取代射线照相提供了法定依据。两规范案例规定了实施超声检测的方法标准和验收条件。采用曲面相控阵自动检测是解决小管超声无损检测的高端技术和有效途径。
⑵有关相控阵建模和试验均表明:横向曲面相控阵的聚焦效应,相比于一般平面相控阵和矩阵相控阵,能明显提高小口径薄壁管环焊缝的缺陷定量和测长精确度。
⑶相控阵仿真结果说明:以往研制的矩阵探头不如横向曲面阵列探测定量效果好,且其结构复杂,制作成本高(唯一优点是可使出射波束转向偏角)。
⑷相控阵仿真模式还表明:两种曲率的横向曲面相控阵可覆盖多种小径管管壁厚度,但本文仅列举两种管径的曲面阵列检测试验实例。
⑸小径薄壁管的超声曲面自动相控阵检测技术可作为一种标准化技术进行推广,是取代手工超声检测和平面相控阵检测的必由之路。从事小管检测的UT3级和UT2级人员有必要遵循ASMEB31.3 CC179和CC181的要求,参与这方面的补充培训和认证工作。
参考文献:
[1] M Moles and J Zhang. Curved arrays for improved horizontal sizing in small pipe welds. Insight, May 2008, 50(5): 253-257.
[2] R/D Tech. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Application. R/D Tech Inc., August 2004.
[3] K Chizen and Moles. Phased array for piping inspections using ASME B31.3. 4th Middle East Conference on NDT, Bahrain, December 2007.
[4] ASME B31.3 CC179. Use of ultrasonic examination in lieu of radiography for B31.3 applications for materials 1/2〞and less in wall thickness. 28, June 2006.
[5] ASME B31.3 CC181. Use of alternative ultrasonic examination acceptance criteria in ASME B31.3, 23 January 2007.
[6] J Zhang, S Labbe and M Moles. Improved lateral focusing for thin walled gas pipelines girth welds using phased arrays. Proceedings of IPC 2006, International Pipeline Conference. Calgary, Alberta, Canada, Paper # IPC2006-10238,25-29 September 2006.

©2008 Coryright Reserved 版权所有:中石协ASME规范产品协作网(CACI)
地址:北京西城月坛南街26号1号楼4032室
电话:010-68532102 传真:010-68532101 邮编:100825 E_mail:caci@caci.org.cn