Phased Array Ultrasonic Testing of Girth Welds of In-service Pipes
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摘要: 针对传统射线检测方法不能满足在役原油管道焊缝检测的现状，利用相控阵超声检测的特点，采用角度楔块形成纵波声场对在役原油管道焊缝进行检测。经工艺模拟和现场检测验证，并根据相控阵A/S/B/C图像对缺陷进行分析，同时将检测结果与射线底片进行比对，说明相控阵检测能够满足检测要求，为在役管道焊缝检测提供了一种新的技术手段。Abstract: In view of the present situation that the traditional X-ray method cannot meet the requirements of in-service oil pipeline weld inspection, this paper uses the characteristics of phased array ultrasonic focusing and applies angle wedge to form longitudinal wave acoustic field to inspect the in-service oil pipeline. After process simulation and field inspection verification, the defects are analyzed according to phased array A/S/B/C images, and the inspection results are given. Compared with X-ray film, it can meet the requirements of inspection, and provide a new technical way for in-service pipeline weld inspection.
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核电设备因核燃料的特殊性,对设备质量有严格的要求,磁粉检测(MT)作为保障核电设备安全性的有效手段,被广泛用于低合金高强度钢、低碳钢等材料的核设备检测中,贯穿原材料制造、设备制造、役前及在役检验的各个阶段。
磁粉检测中,被检测工件摆放主要有卧式、立式两种,固定状态下现场作业时,以地平面为基准,工件各种检测方位可分为水平面、斜面、立面、仰面,部分工件会涉及多种方位组合,并不是所有的工件都可以转动或者挪动,多数情况下需要操作者适应工件方位后进行检测[1-2]。
如某试验以蒸发器再循环孔隔离层凸台为检测对象,其检测区域示意及方位划分如图1所示。其材料为低合金钢,堆焊时直径留有余量,余量机加工后外圆面要求100 %MT,机加后检测合格。磁粉检测发现3处线性缺陷,均位于图1中立面位置。原因分析：① 此位置基本为竖直状态,表面无任何影响检测的物质,表面粗糙度为6.3 μm,磁悬液流动速度相对其他方位最快。② 检测方位不佳,按照标准给出的磁悬液浓度1.2～2.4 mL/100 mL,磁化时间至少0.5 s的要求进行检测。机加后磁粉报告显示磁悬液浓度为1.3 mL/100 mL,靠近最低限值,磁化时间至少0.5 s,此条件可能存在磁化不足。
基于此,文章进行了3种代表性检测方位的模拟试验,从磁化方法、磁悬液浓度的选择、模拟检测状态、试验结果对比分析,验证了检测方位、磁悬液浓度的不同对检测结果及检出率的影响,并针对此提出4种最佳效果组合以供参考。
1. 磁化方法的选择
根据NB/T 20003.5—2010 《核电厂核岛 机械设备无损检测 第5部分：磁粉检测》 的分类条件进行分类,如图2所示。
ASME—2004第Ⅴ卷将磁化技术分为触头、纵向/周向、磁轭、多向磁化。RCCM—2007第Ⅲ卷 《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》 MC5000将“连续法”磁粉检验分为便携式触头通电、通磁磁化。检测介质有干磁粉、磁悬液（湿磁粉）。磁轭法（磁轭技术、通磁磁化磁粉检验）、磁悬液（湿磁粉）的组合因其具有以下优点被广泛应用[3-5]。
(1) 灵敏度高、直观、重复性好,能显示缺陷特征,可大致判断缺陷性质。
(2) 检测速度快、流动性好、操作方便、成本低、可用于大批量、大面积工件的检测。
(3) 污染小,过程中不会对操作者产生影响,后处理简单、快捷。
(4) 几乎不受工件形状、尺寸限制,操作者可从多个方位进行检测,不影响检测结果。
(5) 非电接触,不会对工件造成伤害。
鉴于此,笔者选择磁轭法磁悬液（湿磁粉）的组合作为此次试验的检测技术。
2. 磁悬液（湿磁粉）浓度的选择
ASME—2004第Ⅴ卷、RCCM—2007第Ⅲ卷、 NB/T 20003.5—2010及NB/T47013.4—2015等标准中,对磁悬液浓度要求数值范围均为每100 mL沉淀浓度为1.2~2.4 mL。笔者依据此范围在极端浓度值的基础上进行4等分选取试验,磁悬液沉淀浓度依次选取每100 mL 1.2,1.6,2.0,2.4 mL（体积分数）,如图3所示。
3. 模拟检测试验与结果
采用磁膏,以水为载液调配磁悬液,因各厂家磁膏存在差异,结果也存在差异,将调配出的所需磁悬液浓度依次备用。找到一块方便调节方位的试件,分别将饼形磁场指示器、核电设备常用试件贴于试件表面用于评价试验效果,通过试验效果来说明不同情况下的检测效果与检测效率。
3.1 试验制备
模拟试验制备如图4所示,配有：一块可调节方位的试件；饼形磁场指示器、A1-15/100、A1-30/100核电设备常用试件；磁轭,间距调节为125 mm； 磁悬液（湿磁粉）,每100 mL沉淀浓度分别为1.2,1.6,2.0,2.4 mL（体积分数）。
3.2 模拟试验与结果
将贴好试件的试件进行水平放置、斜45°放置、直立放置（共3种放置状态）,用来模拟工件的不同方位,如图5所示。
3.2.1 磁悬液体积分数为1.2时的试验效果
(1) 试件水平放置,本底背景颜色淡,试件缺陷磁痕较细,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,但磁化时间略长,需增加磁轭通电数次,检测效率为100 %。试验效果如图6所示。
(2) 试件斜45°放置,本底背景颜色较淡,试件缺陷磁痕较细,磁痕显示分辨力为60 %,对比度为100 %,需增加磁悬液喷洒时间、磁轭通电时间,检测效率为60 %。试验效果如图7所示。
(3) 试件直立放置,本底背景非常淡,试件缺陷痕迹可见,痕迹细且淡,磁痕显示分辨力为50 %,对比度为100 %,小缺陷容易漏检,需增加更多磁悬液喷洒时间、磁轭通电时间,由于磁化时间过长,检测效率为30 %。试验效果如图8所示。
3.2.2 磁悬液体积分数为1.6时的试验效果
（1）试件水平放置,本底背景略重,试件缺陷磁痕清晰,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,磁化时间短,试件人工缺陷观测直观,检测效率为100 %。试验效果如图9所示。
（2）试件斜45°放置,本底背景柔和,试件缺陷磁痕显示快速清晰,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,磁化时间短,检测效果良好,效率为100 %。试验效果如图10所示。
（3）试件直立放置,本底背景对比良好,缺陷磁痕清晰,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,需增加磁悬液喷洒时间、磁轭通电时间,检测效率为80 %。试验效果如图11所示。
3.2.3 磁悬液体积分数为2.0时的试验效果
(1) 试件水平放置,磁悬液出现明显堆积,本底背景较重,试件缺陷磁痕显现快,磁悬液迟迟散不开,需要借助外力吹开磁悬液,缺陷磁痕显示分辨力为60 %,对比度为50 %,因磁悬液流动较差,检测效率为50 %。试验效果如图12所示。
(2) 试件斜45° 放置,本底背景柔和,喷洒磁悬液后试件缺陷瞬间显现,且痕迹明显,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,磁悬液流动较好,磁化时间短,检测效率为100 %。试验效果如图13所示。
(3) 试件直立放置,磁悬液流淌性好,本底背景对比良好,磁悬液喷洒时间不用过长试件缺陷即可显现,缺陷磁痕显示清晰可见,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,磁化时间较短,检测效率100 %。试验效果如图14所示。
3.2.4 磁悬液体积分数为2.4时的试验效果
(1) 试件水平放置,磁悬液流淌性差,滞留 现象严重,且出现过度背景,小缺陷极易掩盖,磁痕粗大,磁痕显示模糊,缺陷磁痕显示分辨力为40 %,对比度为30 %,磁悬液发生堆积,需要借助外力吹动磁悬液流动,检测效率为30 %。试验效果如图15所示。
（2）试件斜45° 放置,磁悬液流动性明显强于平放时的流动性,磁痕显示清晰粗大,本底背景较平放时浅,磁痕显示分辨力为70 %,对比度为80 %,由于磁悬液略微稠浓,需等待一定的时间,检测效率为80 %。试验效果如图16所示。
(3) 试件直立放置,磁悬液流动性明显强于其他情况时的,本底背景适当,喷洒磁悬液后试件缺陷显现较快,磁痕显示分辨力为100 %,对比度为100 %,磁化时间较短,检测效率为100 %。试验效果如图17所示。
4. 试验结果分析
4种浓度及摆放状态下饼形磁场指示器、A1-15/100、A1-30/100试件磁痕均能显现,灵敏度均能满足要求,针对磁悬液的流淌性、磁化时间、检测效率、分辨力、灵敏度等进行分析,得出以下结论。
（1）试件水平放置时,磁悬液流动性差,尤其2.0及2.4时,需借助外力吹动加强其流动,在体积分数为延长了检测时间,故检测效率并不高,且本底背景颜色较重容易降低分辨力。
（2）试件斜45° 放置时,磁化时间较平放时间略加长,因磁悬液流淌性改善,本底背景较平放时浅,磁痕分辨力较强。
（3）试件直立放置时,由于磁悬液流淌性过于好,浓度过低时较小缺陷不容易被发现,且磁化时间需加长。在高浓度情况下,磁痕显示良好,检测效率较高。
将磁悬液流淌速度最快100 %,磁化时间有效性最短100 %,分辨力最好100 %,对比度最高100 %,检测效率最高100 %定为基准进行分析制表,结果如表1至表4所示。
Table 1. 磁悬液体积分数为1.2时的检测效果对比特征 平放状态 斜放状态 立放状态 磁悬液流淌性 10 60 100 磁化时间有效性 100 60 30 分辨力 100 60 50 对比度 100 100 100 检测效率 100 60 30 Table 2. 磁悬液体积分数为1.6时的检测效果对比特征 平放状态 斜放状态 立放状态 磁悬液流淌性 10 60 100 磁化时间有效性 100 100 60 分辨力 100 100 100 对比度 100 100 100 检测效率 100 100 80 Table 3. 磁悬液体积分数为2.0时的检测效果对比特征 平放状态 斜放状态 立放状态 磁悬液流淌性 10 60 100 磁化时间有效性 100 100 100 分辨力 60 100 100 对比度 50 100 100 检测效率 50 100 100 Table 4. 磁悬液体积分数为2.4时的检测效果对比特征 平放状态 斜放状态 立放状态 磁悬液流淌性 10 60 100 磁化时间有效性 100 100 100 分辨力 40 70 100 对比度 30 80 100 检测效率 30 80 100 5. 结语
试验结果证明对不同结构工件进行不同方位检测时,如不可转动的筒体环缝、接管角缝、支座、复杂工件等,为保证检测效率及缺陷检出率,应根据不同检测方位选择最佳效果的磁悬液浓度,条件允许的情况下立面状态检测时,应避免磁悬液浓度靠近下限值；水平面状态检测时,应避免磁悬液浓度靠近上限值；磁悬液体积分数选择为1.6～2.0时,可同时兼顾多种检测方位。
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[1] 刘德荣,贺潜源.利用爬波测定表面裂纹深度[J].无损检测,1988,10(7):197-199.
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