符合ASME要求的承压设备焊缝超声相控阵检测典型缺陷图谱识别
Image Recognition of Typical Flaws in Pressure Equipment Welds Inspected by Phased Array Ultrasonic Technology

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

介绍按ASME规范(2011a) 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-)扫描显示结合相应探测布置截面图,对典型焊接缺陷检测显示图像进行识别和评定的应用案例。所涉及的焊接接头为相比于一般X型坡口双面焊是有一定检测难度的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。目的是依据规范和标准要求,为承压设备焊缝相控阵超声检测显示图谱识别和结果评定提供借鉴。
Based on the latest ASME Code (2011a) requirements of inspection of pressure equipment welds by ultrasonic phased array(PA)technology, this article presented some cases of recognition of typical PA image in consist of S-scan of common welding defects and the sectional view of used inspection arrangement. The inspected objects were single-V groove welds and T-joint butt welds, for which there were some difficulties in inspection comparing with the common double-X groove welds. 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 is to provide references for recognition of PA image of pressure equipment weld inspection and result evaluation in accordance with the referencing code and standard requirements.

承压设备,焊缝,超声检测,相控阵,扇形(S-)扫描,探测布置,典型缺陷,显示图谱识别
Pressure equipment,Welded joints,Ultrasonic inspection,Phased array (PA) S-scan,Detection arrangement,Typical flaws,Image recognition.

ASME BPVC ( 锅炉压力容器法规 ) 最新版2010和2011a,在第Ⅴ卷《无损检测》中,又增添了有关焊缝超声相控阵(PA)检测系统特性评价和相控阵检测方法的标准。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,目前已成了焊缝超声检测的主流新技术。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。锅炉等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)检测典型焊接缺陷的图谱识别,笔者早在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,并有专著发表[4]。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锅炉类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
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,能被二次波检出,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。

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幅典型焊接缺陷的相控阵S-扫描图例。V型坡口单面焊缺陷有: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”,也是ASME最新版(2011a)对焊缝实施相控阵UT所特别强调的检测工艺卡(所谓 “Scan Plan”)精髓。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。
有关焊缝相控阵施探工艺图(S扫描图+焊缝截面图+探头布置图),在购置便携式相控阵探测仪时,切记应向制造商提出必须同时提供的相应编程软件。应用时,操作者仅需输入具体检测参数,显示屏上即可跳出有关Scan Plan图像,以此作为UT工艺卡和UT报告的重要内容(这样就完全符合法规条文要求)。
2.1 焊趾裂纹(图谱1) (以下图文略)
2.2 近底面坡口未熔合(图谱2) (以下图文略)
2.3 近表面坡口未熔合(图谱3) (以下图文略)
2.4 近表面密集气孔(图谱4) (以下图文略)
2.5 近表面密集气孔(图谱5(以下图文略)
.6 T型接头根部未焊透和翼板侧未熔合(图谱6(以下图文略)
2.7 T型接头翼板侧焊道下裂纹纵波声像(图谱7(以下图文略)
2.8 T型接头翼板侧焊道下裂纹横波声像(图谱8(以下图文略)
2.9T型接头翼板内面焊趾裂纹和未熔合(图谱9(以下图文略)

 3小结
⑴ 线阵探头的超声波相控阵S扫描可作为相控阵超声成像工具。
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,缺陷信号和几何形状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,也是ASME最新版(2011a)对相控阵UT特别强调的工艺重点之一。当用二次波检测时,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相控阵超声S扫描图像进行评定,测量时应注意垂直和水平光标的截取位置。
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XYZ三向三维数据。
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[8],这对管座焊缝相控阵超声检测缺陷表征定性、定位、定量很有益。

©2012 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