焊缝相控阵超声检测读谱——ASME规范应用案例(节选)
Cases Study on Application of ASME Code:
——Image Recognition of Phased Array Ultrasonic Inspection of Welds

李衍 LI Yan
无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会
NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society

介绍按ASME规范(09增补版)要求,用超声相控阵技术检测承压设备焊缝时,根据相控阵扇形(S-)扫描图像结合相应探测布置截面图,对常见焊接缺陷检测图谱进行识别和评定的应用案例。所涉及的焊接接头为V型坡口单面焊和T型接头组合焊,焊接缺陷包括:焊趾裂纹、焊道下裂纹、内表面开口裂纹、坡口未熔合、根部未焊透、以及密集气孔等。同时,还比较了相控阵检测的定量结果与实际缺陷尺寸。目的是依据规范为焊缝相控阵超声检测图像识别和结果评定提供借鉴。
Based on ASME Code (Revised and enlarged edition 2009) requirements of inspection of pressure equipment welds by ultrasonic phased array technology, this article presented some cases of reading typical PA images in consist of PA S-scan displays of common welding defects and the sectional view of used inspection arrangement. The inspected objects were single-V groove weld and T-joint butt weld. The defects were including toe cracks, underbead cracks, inner-surface breaking cracks, side-wall lack of fusion, incomplete root penetration, and porosity, etc. Comparison between the sizing result by PA inspection and the actual defect size was also given. The intention was to provide references for recognition of PA images of weld inspection and result evaluation. in accordance with the referencing code requirement.
焊接接头;超声检测;相控阵;S扫描;探测布置;缺陷图谱;二维显示
Welded joints;Ultrasonic Inspection;Phased array (PA);S-scan;Detection arrangement;Image of flaws;2-D display.
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,又为承压设备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)检测的图谱识别,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-扫描图谱的识别案例,以供国内同行操作参考。主要介绍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扫查。通常,线阵相控斜探头(横波)检测的扫查范围为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2次波检出,显示为镜像a-。在相控阵超探仪显示屏上使用2.5倍的厚度范围,整个焊缝体积就能显示在单一图像中。

图1焊缝超声相控阵检测概念图

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单面焊缝时,由探头声束S-扫描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。裂纹的相控阵测高值为3.6mm,实测值是3.8mm。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。

图2单面焊焊趾裂纹超声相控阵二次波检测S扫描图像
(裂纹相控阵测高值为3.6mm,实测值3.8mm)

图3单面焊坡口未熔合超声相控阵一次波检测S扫描和D扫描图像
(未熔合离内表面13mm,自高16mm)
2.3近表面坡口未熔合(略)

图4单面焊坡口未熔合超声相控阵二次波检测原理和S扫描图像
(未熔合近外表面)
2.4内部密集气孔(略)

2.5近表面密集气孔(略)

2.6T型接头根部未焊透和翼板侧未熔合(略)

2.7T型接头翼板侧焊道下裂纹纵波声像(略)

2.8T型接头翼板侧焊道下裂纹横波声像(略)

2.9T型接头翼板侧焊趾裂纹和未熔合(略)

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。
⑸S扫描与D扫描结合使用,可完善缺陷定量表征信息,获取缺陷三位数据。
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).
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