近年来，微电子和计算机技术飞速发展，促成了集相控阵信号产生、数据处理、显示和分析等功能于一体的相控阵仪器的发展。随着国内外（美国ASME、国际标准ISO以及中国GB和NB）相控阵超声检测标准的完善，相控阵超声检测已广泛应用于海工、船舶、航空航天、石油化工、火电、核电等行业。

在设计时，对于海上油气工厂（FPSO）上建模块中材料为A790-S31803，规格为直径610mm，壁厚46mm的管线环焊缝，需要进行射线检测。由于射线具有电离辐射，对检测人员的人身安全危害严重，故在管线合拢组装的过程中，不能实现射线检测中心曝光，从而降低了射线检测效率，影响项目进度。因此，承建方、检测公司、业主和监造方进行协商后，建议采用相控阵超声检测代替射线检测进行现场检测。在实施相控阵超声检测前，需要使用带缺陷的模拟试块进行校准，以确定检测结果的可靠性。

试样的制作

试样包括灵敏度对比试块和用于验证的人工缺陷模拟试管。

灵敏度对比试块的制作

按照标准ASME BPVC.V-2019《锅炉及压力容器规范 第V卷 无损检测》第4章焊缝超声波检验方法中校准试块的要求，加工了两种灵敏度对比试块。

图1 灵敏度对比试块实物

如图1(a)所示，在原材料上加工长横孔反射体，制作原材料灵敏度对比试块，用于楔块延迟的校准。

如图1(b)所示，按照焊接工艺焊接后进行切割，制作带有焊缝的长横孔和刻槽的灵敏度对比试块，用于灵敏度校准和TCG（时间校正增益）曲线的制作等。

反射体（长横孔和刻槽）的详细参数如下：

原材料对比试块

试块编号：PAUT-SS-01

人工反射体类型：长横孔

长横孔位置：T/4、T/2、3T/4（T为试件厚度）

长横孔尺寸：ф3mm×80mm

带焊缝对比试块

试块编号：T027973

人工反射体类型：长横孔

长横孔位置：焊缝中心：T/4、T/2、3T/4

长横孔尺寸：ф3mm×70mm

试块编号：T027972

人工反射体类型：长横孔

长横孔位置：坡口熔合线：T/4、T/2、3T/4

长横孔尺寸：ф3mm×70mm

人工反射体类型：刻槽

刻槽位置：焊缝上表面

刻槽尺寸：70mm×1mm×2mm

试块编号：T027974

人工反射体类型：刻槽

刻槽位置：焊缝下表面

刻槽尺寸：70mm×1mm×2mm

模拟试管的制作

人工缺陷模拟试管采用切除对比试块后的余料制作，依据ASME BPVC.V-2019第4章强制性附录IX中对于缺陷定量和分类的规程评定要求，确定缺陷的数量和位置。

为了确定单面单侧扫查工艺的可行性，在人工缺陷模拟试管上共制作了两组人工缺陷共6个，分别为上表面缺陷2个、内部缺陷3个以及根部缺陷1个，人工缺陷模拟试管实物如图2所示。

图2 人工缺陷模拟试管实物

依据ASME BPVC.V-2019第4章中强制性附录IX的要求，计算每个缺陷的长度及高度（表面及近表面缺陷按照长高比系数为0.25计算，焊缝内部缺陷按照长高比系数为0.5计算），人工缺陷模拟试管的结构示意和详细参数如下：

图3 人工模拟缺陷试管结构示意和缺陷参数（mm）

1

上表面刻槽

长度10，高度2

（垂直上表面）

2

上表面刻槽

长度10，高度2

（平行融合线）

3

焊缝上部未熔合

长度14，高度5，深10

4

焊缝中心夹渣

长度14，高度5，深20

5

焊缝下部未熔合

长度14，高度5，深30

6

根部刻槽

长度10，高度2，深44

人工缺陷模拟试管

上表面和根部缺陷的检测

探头

采用奥林巴斯A26线性和A17、A27矩阵相控阵探头进行检测，探头具体参数如下：

型号：2.25DM7X4-A17

频率：2.25MHz

晶片数量：双晶28（7×4矩阵）

晶片间距：2.71mm

激活孔径：19mm×12mm

晶片高度：3mm

尺寸：长34mm，宽16mm，高25mm

型号：4DL32-32X12-A26

频率：4MHz

晶片数量：双晶32（线性）

晶片间距：1mm

激活孔径：32mm×12mm

晶片高度：12mm

尺寸：长48.2mm，宽16.5mm，高26.4mm

型号：4DM16X2-A27

频率：4MHz

晶片数量：双晶32（16×2矩阵）

晶片间距：1mm

激活孔径：16mm×6mm

晶片高度：3mm

尺寸：长29mm，宽10mm，高20mm

上表面缺陷的检测

对于上表面刻槽，主要是利用爬波检测，设置检测角度为78°~83°。爬波是纵波从第一种介质中以第一临界角附近（±30′以内）的角度进入第二种介质时，在第二种介质中产生的沿介质表面下一定距离，在横波和表面纵波之间传播的峰值波。上表面缺陷检测时，将不同类型的探头与楔块进行组合，以观察检测效果，其检测现场示例如图4所示。

图4 上表面缺陷的检测现场示例

将探头与楔块组合后，将探头对准上表面刻槽，前后移动探头，使最高波幅达到满屏幕的80%，并记录此时探头前沿至上表面刻槽的距离。然后后移探头，波幅缓慢降低，当最高波幅降至满屏幕的20%时，记录此时探头前沿至上表面刻槽的距离，检测结果如下：

由上可知，A27+DNCR探头与楔块组合所产生波束移动距离最远，A17+DN55L0组合效果次之，A26+DN55L-FD40-SS组合效果最差。

根部缺陷的检测

对于根部缺陷，主要利用一次纵波检测，设置检测角度为37°~50°，使根部刻槽信号达到满屏的80%。仪器和探头组合后显示的基准灵敏度：A26探头的基准灵敏度为36dB；A27探头的基准灵敏度为61dB；A17探头的基准灵敏度为51.5dB。

在基准灵敏度下，A26探头的噪声信号幅度为5%，A27探头的噪声信号幅度约为7%，而A17探头的噪声信号幅度约为15%，根部缺陷的检测结果如图5所示。

图5 根部缺陷的检测结果

A26探头为线性探头，且晶片尺寸比其他两种探头的大，发射能量大，因此对同一位置的反射体进行检测时，基准灵敏度最低。

A17探头虽然基准灵敏度低，但是检测频率为2.25MHz，导致根部刻槽和根部余高信号融合在一起，成为一个脉冲宽度很宽的脉冲信号，且噪声信号幅度最高。

检测结果表明，根部刻槽的检测效果A26探头最优，A27探头次之，A17探头最差。

从以上检测结果可以看出，对人工缺陷试管的上表面缺陷应采用A27+DNCR组合进行检测，而对焊缝根部，应采用A26+DN55L-FD40-SS组合进行检测。

相控阵超声检测方案

对材料为A790-S31803的管线环焊缝进行相控阵检测时，可采用分区设置，分区检测具有以下优势：

(1) 针对不同检测位置，设置不同的聚焦法则，以获得良好的检测能力，针对上、下表面的检测采用深度聚焦，而对焊缝内部检测采用声程聚焦。

(2) 在实际检测过程中，偏转角度越大，较深反射体的调节越困难。分区检测时应对较深部位采用较小角度进行检测，以避免大偏转角度调节较深反射体的难度。

对于不同分区的设置，TCG校准不同位置人工反射体信号及反射体测量位置如图6所示。

图6 不同位置人工反射体信号及反射体测量位置

检测结果

为了验证检测效果，对图3所示的人工缺陷试管，分别采用常规超声纵波斜入射检测、射线检测、相控阵超声检测3种方法实施检测。在相控阵超声检测时，实施两种检测方案，一种是在焊缝两侧扫查，模拟单面双侧检测；另一种是为了验证单面单侧检测效果，实施单侧直管侧扫查+焊缝中心两个方向的扫查。

上表面刻槽检测结果

1号人工缺陷为垂直于工件的上表面刻槽；2号人工缺陷为平行于坡口面的上表面刻槽，倾斜角度为15°±2°，两种人工缺陷模拟的都是焊缝上表面裂纹，其检测结果如下：

(1) 常规超声纵波斜探头检测，没有发现任何信号。

(2) 射线检测可以清晰发现缺陷，其结果如图7所示。

图7 1号和2号缺陷的射线检测结果

(3) 相控阵超声技术检测，在焊缝两侧扫查时，由于焊缝盖帽宽度为38~40mm，A27+DNCR相控阵超声设备组合对上表面深度的检测能力约为19mm，因此只能发现探头侧缺陷，不能发现探头对侧焊缝的上表面刻槽缺陷，1号缺陷显示波幅约为95%，而2号缺陷显示波幅约为60%，2号缺陷上表面刻槽波幅降低主要是因为该刻槽是平行坡口面，焊缝两侧扫查结果如图8所示。

图8 焊缝两侧扫查结果（上表面刻槽）

把焊缝盖帽磨平后，在焊缝中心采用A27+DNCR设备组合扫查时，可以发现焊缝边缘刻槽信号，1号刻槽波幅高度约为40%，2号刻槽波幅高度约为25%，其结果如图9所示。因此在焊缝中心检测时，需要仔细辨别超过20%波幅的上表面信号，必要时需要辅助表面检测方法加以验证。

图9 焊缝中心扫查结果(上表面刻槽)

坡口未熔合检测结果

3号和5号人工缺陷分别位于焊缝两侧坡口熔合线处，且为上、下两个不同区域，检测结果如下：

(1) 采用常规超声纵波斜探头检测，在焊缝盖帽没有磨平时，临近上表面的3号缺陷无法检出；用45°纵波和60°纵波斜探头均可在焊缝两侧检出位于焊缝中下部位的5号缺陷，45°纵波斜探头检测的最高波幅为SL+0.5dB，60°纵波斜探头检测的最高波幅为SL+6.3dB。将焊缝余高磨平后，使用纵波45°斜探头骑在焊缝上扫查时，可以在其对侧发现3号缺陷，波幅为SL+3.2dB，检测结果如图10所示。

图10 3号和5号缺陷常规超声检测结果

(2) 采用射线检测可以发现两个缺陷，其结果如图11所示。

图11 3号和5号缺陷射线检测结果

(3) 相控阵超声采用A27+DNCR设备组合进行检测，3号人工缺陷位于坡口熔合线靠近上表面的位置，因此探头位于缺陷对侧检测时波幅高，而在缺陷侧检测时波幅低，这是由于相控阵大角度偏转角在缺陷对侧检测时，缺陷与大角度波束接近垂直，而在缺陷侧检测时，波束入射与缺陷有较大的倾角，因此3号人工缺陷对侧波幅为156%，而缺陷侧波幅为40%；5号人工缺陷位于坡口熔合线靠近焊缝根部的位置，在焊缝两侧扫查均可得到满意的检测结果，缺陷侧波幅高度为88%，对侧波幅高度为249%，检测结果如图12所示。

图12 A27+DNCR组合的缺陷检测结果

为了验证单侧检测结果，焊缝余高磨平后，在焊缝中心用A27+DNCR设备组合检测后发现，3号人工缺陷波幅为250%，5号人工缺陷波幅为94%，此次检测波幅高度均高于人工缺陷侧的波幅，且检测信号的位置也处于坡口融合线的位置，更容易对缺陷定性，如图12所示。

针对焊缝中下部5号人工缺陷的检测效果，也采用A26+DN55L-FD40-SS组合，使用与A27+DNCR组合相同的聚焦法则在焊缝两侧检测，检测结果表明，5号人工缺陷对侧波幅为250%，5号人工缺陷侧波幅为94%，波幅均高于A27+DNCR组合的检测效果。A26+DN55L-FD40-SS设备组合的检测结果如图13所示。

图13 A26+DN55L-FD40-SS组合的缺陷检测结果

焊缝中夹渣物检测结果

4号人工缺陷为内部夹渣，位于焊缝中心位置，其检测结果如下：

(1) 常规超声纵波斜探头检测，只有采用60°纵波探头检测时能够发现，在焊缝一侧采用60°纵波进行检测，缺陷波幅高度为SL-10.4dB，而在另一侧无法检出，检测结果如图14所示。

图14 4号缺陷常规超声波检测结果

(2) 4号缺陷射线检测结果如图15所示。

图15 4号缺陷射线检测结果

(3) 相控阵超声检测，4号人工缺陷预埋藏深度约为20mm。A27+DNCR在两侧均能发现该缺陷，其最高波幅为41%，另一侧波幅为27%，这是由于缺陷倾角会导致波幅低，如图16所示。

图16 4号缺陷的A27+DNCR检测结果

而使用A26+DN55L-FD40-SS设备组合检测后发现，缺陷最高波幅为30%，结果如图17所示。比较两种规格探头的检测结果可知，A27+DNCR设备组合检测波幅高度略高，因此A26探头在该区域的检测能力低于A27探头。

图17 4号缺陷的A26+DN55L-FD40-SS检测结果

根部刻槽检测结果

6号人工缺陷为根部刻槽，其检测结果如下：

(1) 常规超声纵波斜探头检测，采用纵波45°斜探头在焊缝两侧均能发现该缺陷，表现为一个刻槽和根部融合在一起的脉冲宽度较宽的反射信号，焊缝两侧的检测波幅分别为SL-3.2dB和SL+1.8dB，检测结果如图18所示。

图18 6号缺陷常规超声波检测结果

(2) 6号缺陷射线检测结果如图19所示。

图19 6号缺陷射线检测结果

(3) 相控阵超声检测，A27+DNCR组合在焊缝两侧均能发现该缺陷，且有较好的显示效果，检测波幅分别为55%和91%，其结果如图20所示。

图20 6号缺陷的A27+DNCR检测结果

A26+DN55L-FD40-SS组合也能区分根部刻槽和余高反射体信号，检测波幅为61%和185%，其结果如图21所示。

图21 6号缺陷的A26+DN55L-FD40-SS检测结果

检测结果分析

(1) 综合比较A27+DNCR组合和A26+DN55L-FD40-SS组合的检测效果，矩阵探头A27+DNCR组合主要针对厚度小于30mm部位的检测，且可在大偏转角时产生爬波以检测表面缺陷；而线性探头A26+DN55L-FD40-SS组合主要针对厚度大于30mm部位的检测，检测焊缝根部缺陷时有较高的信噪比和分辨力。

(2) 现场对接形式主要为直管与直管对接或直管与部件（法兰、三通或弯头）对接。当直管与部件对接时，若部件侧满足探头扫查空间要求，则可采用直管与直管对接的检测工艺进行单面双侧检测，检测现场如图22所示。

图22 直管与构件对接检测现场

(3) 当直管与部件对接，部件侧部分位置不满足扫查空间的要求，检测现场如图23所示。此时除了在直管侧扫查外，还应把此位置的焊缝余高磨平，在焊缝中心做正反两次扫查。在对检测图谱进行分析时，以直管侧扫查为主；对焊缝中心扫查时发现的可疑位置，需要补充其他方法对表面进行检测，比如增加阵列涡流或其他表面检测方案；对剩余满足扫查空间要求的位置，则同样执行单面双侧检测。

图23 直管与部件对接焊缝检测现场(扫查受限)

结语

采用相控阵超声技术对材料为A790-S31803，规格为ф610mm×46mm的管线环焊缝进行检测，检测结果表明其具有以下优势：

(1) 相控阵超声具有良好的缺陷检测能力，缺陷显示直观、重复性好，且能够较准确提供缺陷的长度、深度和高度等信息。

(2) 完成ф610mm×46mm管线对接环焊缝的检测用时约30分钟，射线检测则需要约792分钟（以刚出厂Ir192，能量为100Ci，采用双壁单影透照测算），相比之下，相控阵超声检测提高了检测效率。

(3) 相控阵超声检测不产生辐射，不妨碍其他工种的现场施工，提高了生产效率。