CN111650281A - 一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法 - Google Patents

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张武能
汪毅
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王晓晨
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Abstract

本发明属于焊缝检测技术领域，具体涉及一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，具体包括如下几个步骤：焊缝及探伤表面外观检查；检验前，检测人员了解待检测的杆塔的材质、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫，根据上述参数设置焊缝结构图；制定灵敏度曲线；检查和复验；如复验后超声波相控阵检测***的灵敏度下降超过2dB，应重新调整超声波相控阵检测***的灵敏度；利用超声波相控阵检测探头对焊缝或者杆塔作扇形扫查以获得杆塔焊缝的三维视图，以确定出缺陷位置；数据分析，采用ISONIC2010多功能超声相控阵成像检测***，根据验收灵敏度曲线修正扫查结果，完成缺陷三维数据的标定，生成报告；缺陷评定。

Description

一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法
技术领域
本发明属于焊缝检测技术领域，具体涉及一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法。
背景技术
薄壁离心混凝土钢管塔一般由3-5个筒节通过法兰连接组成，没节钢管塔由钢板通过纵、环焊缝焊接成型。对于批量生产的薄壁离心混凝土钢管塔，焊缝均采用气体保护自动焊接，焊缝宽度比较高，不可避免的出现各类型宏微观缺陷。按照GB/T11345-2006《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结构分级》标准要求，采用常规超声波检测一般选取较大角度探头（63°-72°），受检测人员、探头、检验位置等因素影响，测定的缺陷数据较难掌握缺陷的位置、尺寸及类型，估算允许的缺陷尺寸。
目前，检测金属工件的焊缝或母材(即金属材料本身)多采用超声波相控阵探伤方法。超声波相控阵探伤是利用超声波透入金属，并由一介质进入另一介质时，在界面上能发生反射的特点来发现缺陷的一种方法，当探头发出的超声波束在金属内部遇到缺陷时，就会产生反射波，并在荧光屏上形成各类扫查图像，根据这些扫查图像的位置、高度和动态形态可以判断出缺陷的位置和当量并进一步推测缺陷性质。(缺陷当量是指不同类型和大小的缺陷的返回声压均可用与其同声程的某种标准几何反射体上的返回声压来相当，如果两者的返回声压是相同的，则两者为相同当量。一般缺陷的实际大小比确定的当量要大。)不过这个判断结论一般需要检验人员进行多次检测操作，并结合经验得出，耗时长且依赖操作人员主观判断，可靠性差。
公告号为 CN104142368B的发明专利文献公开了一种超声波相控阵检测的方法和装置，包括用于利用超声波相控阵波束对焊缝或母材作扇形扫查以获得相控阵扇扫图的获得相控阵扇扫图模块、用于标记扫查回波数据点和扫查回波数据线的获得扫查回波数据线模块、用于将分别位于相邻两条角度线上的相邻两根扫查回波数据线的上端点和下端点按预设法则进行比较并将比较结果符合预设法则的扫查回波数据线归为一区域缺陷的获得区域缺陷模块、用于显示相对应的提示信息的显示模块。该超声波相控阵检测的方法和装置，可自动查找缺陷并直观的查阅缺陷间相对位置，减少对操作人员主观判断的依赖，降低误判率，但是其不能对缺陷位置形成三维视图，不能对缺陷直观地观察从而得到缺陷大小、深度、高度、性质等各项参数及焊缝缺陷3D视图。
公告号为CN108956776A的专利文献公开了一种U肋全熔角焊缝缺陷的超声波相控阵检测方法及***，该方法包括以下步骤：在U肋的面板侧设置一个扫查器，所述扫查器上夹持有两个相控阵探头，在面板侧以横波倾斜入射的方式对焊缝进行扇扫描，所述扫查器由步进电机驱动，其上设有定位编码器，随所述步进电机的转动，所述定位编码器同步自动产生一个对应当前位置的位置编码，随所述扫查器沿焊缝长度方向移动，两个所述相控阵探头分别获得当前位置的焊缝检测数据，连同对应的位置编码共同保存，作为焊缝缺陷分析的数据源。该检测使用声速对焊缝检测区域的覆盖，容易受外部环境影响，从而影响检测结果的准确度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，该方法利用超声相控阵检测技术对薄壁离心混凝土钢管塔焊接缺陷进行了3D成像，定性、定量检测及分析。
本发明的技术方案是：
一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，适用于母材厚度不小于8mm铁素体类钢全焊透融化对接焊缝，且外径不小于250mm的杆塔焊缝，其特征在于，包括如下步骤：
S1.焊缝及探伤表面外观检查；
S2.检验前，检测人员了解待检测的杆塔的材质、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫，根据上述参数设置焊缝结构图；
S3.制定灵敏度曲线；
S4. 使用对比试样对使用的超声波相控阵检测***的灵敏度进行检查和复验；
S5.如复验后超声波相控阵检测***的灵敏度下降超过2dB，应重新调整超声波相控阵检测***的灵敏度，并对调整后所有待检测的杆塔进行检测；
S6.利用超声波相控阵检测探头对焊缝或者杆塔作扇形扫查以获得杆塔焊缝的三维视图，以确定出缺陷位置；
S7.数据分析，采用ISONIC2010多功能超声相控阵成像检测***，根据验收灵敏度曲线修正扫查结果，完成缺陷三维数据的标定，生成报告；
S8.缺陷评定。
具体的，所述的步骤S1中所述的焊缝及探伤表面外观检查包括对焊缝处焊接飞溅、铁屑、油垢及其他外部杂质的清除情况，探伤表面应平整光滑。
具体的，所述步骤S3中制定灵敏度曲线的方法包括如下步骤：1）在A型相控阵试块上，利用R100弧制作探头角度补偿曲线--角度步长1°；
2）在试块RB-3上利用Ф3mm制作DAC曲线，作为验收灵敏度曲线。
具体的，所述的步骤S6中使用超声波相控阵检测探头与焊缝做平行移动进行扇形扫查，保持匀速，扫查速度不应大于20mm/s。
具体的，所述的步骤S6中超声波相控阵检测探头为32×32线性阵列相控阵探头，其斜契块角度为36°。
具体的，所述的步骤S6中扇形扫查时，采用一次反射法，焦点深度为3mm～5mm，重点检测焊缝根本区域。
具体的，所述的步骤S8中缺陷评定标准为：
1）超过制定的灵敏度曲线的信号应根据缺陷3D视图观察其是否具有裂纹危害性缺陷特征，如有怀疑时应采用缺陷尖端检测分析功能（KLS三角分析）对缺陷进行综合判断；
2）最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，其指示长度小于10mm时按5mm计；
3）相邻两缺陷各向间距小于8mm时，两缺陷指示长度之和作为单个缺陷的指示长度。
薄壁离心混凝土钢管塔在实际加工生产过程中，由于受限于焊接和射线检测的局限性，致使焊缝内部存在大量的未焊透缺陷。该缺陷严重影响了结构的承载能力，存在潜在的安全隐患。但是国内外对此类缺陷的研究较少，故建立一种针对薄壁离心混凝土钢管结构未焊透缺陷的检测方法及安全评定方法，对于保障输电铁塔的安全运行、预防事故的发生、最大限度地发挥其经济效能具有重要的意义。由于被检杆塔为在役使用，杆塔焊缝检测多为高空作业。因此，超声波相控阵检测仪器不仅要强大的相控阵成像功能，实现3d成像，完成各项参数的精确测定，满足缺陷杆塔安全评定需求；同时，设备要求小巧便携、抗外界干扰能力强，便于现场不同环境下、不种位置的检测。而一般的检测装置并不能满足要求，为了达到上述要求，经过各项参数对比，本发明选用以色列 SonotronNDT 公司研制生产的新型相控阵检测***ISONIC-2010，该***在国内引进的同类设备中处于领先地位。
ISONIC2010是一款便携式多功能超声相控阵成像检测***，集相控阵、单/多通道常规超声A 超、B 扫描、TOFD 及导波等功能于一身。数据显示采用A 超、B 扫描、C扫描、三维及3D 成像模式，可同时激发/接收32个相控阵单元，每一通道上的单晶、双晶聚焦法则可独立设定。独立可调激发/接收阵列孔径，每个阵列孔径可由1 至32个晶片构成，每个通道具备自身的模/数转换（并行模/数转换及动态数字相位调整）。阵列的激发/接收是通过常规超声波探伤仪的操作方法和迹线图形来实现，直观地展现了阵列孔径的激发/接收和聚焦法则。激发/接收的阵列孔径可以由完全重合、部分重合或完全分开的晶片组组合形成，设定后的阵列孔径可以创建独立的聚焦法则和波形。每个聚焦法则完全按照A 超信号的方式进行评定(闸门、 回波幅度、反射坐标等等)。可以使用实测或理论计算来创建DAC/TCG曲线，因此，相控阵探头信号是完全符合现有常规超声标准要求，进行缺陷评定。
本发明的有益效果是：1.采用ISONIC2010超声相控阵检测***小巧轻便，
扫查简单、快速，抗外界干扰能力强，完全满足现场检测在役杆塔的需要；2.对杆塔进行超声相控阵检测，检测数据以三维、3D 成像模式显示，包括缺陷的深度、长度、自身高度、宽度及当量大小，结果直观、详尽；3.采用扇形扫描，避免了探头前后移动产生的人为误差，缺陷尺寸能真实反应缺陷真实尺寸，检测数据满足力学分析要求；4. 利用超声相控阵检测技术对在役的薄壁离心混凝土钢管电线杆塔的焊缝缺陷进行了无损检测，确定了焊接缺陷的种类、长度、方位等数据，为进一步的杆塔力学分析提供依据。
由检测结果可知，薄壁离心混凝土钢管塔主要缺陷是在焊接时产生的根部未焊透、层间夹渣类条形缺陷，所检验杆塔焊缝未焊透缺陷单条长度最长344mm，未焊透最大自身高度9.5mm。
附图说明
图1是实施例1所述缺陷在杆塔上的位置分布示意图；
图2是实施例1焊缝缺陷#1的端面视图；
图3是实施例1焊缝缺陷#1的俯视图；
图4是实施例1焊缝缺陷#1的侧视图；
图5是实施例1焊缝缺陷#8的端面视图；
图6是实施例1焊缝缺陷#8的俯视图；
图7是实施例1焊缝缺陷#8的侧视图；
图8是实施例1缺陷#9的端面视图；
图9是实施例1缺陷#9的俯视图；
图10是实施例1缺陷#9的侧视图；
图11是实施例2所述缺陷在杆塔上的位置分布示意图；
图12是实施例2焊缝缺陷#1的端面视图；
图13是实施例2焊缝缺陷#1的俯视图；
图14是实施例2焊缝缺陷#1的侧视图；
图15是实施例2缺陷#2的端面视图；
图16是实施例2缺陷#2的俯视图；
图17是实施例2缺陷#2的侧视图；
图18是实施例3所述缺陷在杆塔上的位置分布示意图；
图19是实施例3焊缝缺陷#1的端面视图；
图20是实施例3焊缝缺陷#1的俯视图；
图21是实施例3焊缝缺陷#1的侧视图；
图22是实施例3缺陷#2的端面视图；
图23是实施例缺陷#2的俯视图；
图24是实施例缺陷#2的侧视图。
1外输管道、2段塞流捕集器、3空冷器、4旋风分离器、5过滤分离器、
6三甘醇脱水装置、7 天然气压缩机、8井口采气树、9放空火炬、10 采出水储罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
实施例1
本实施例选取一杆塔对其焊缝进行超声波相控阵检测，该杆塔为线路重要支点之一，处于线路拐角支点，既是转角塔又是耐张塔，位于市区主要干道十字路口。
使用本发明提供的方法进行检测，如下
S1.焊缝及探伤表面外观检查，包括对焊缝处焊接飞溅、铁屑、油垢及其他外部杂质的清除情况，探伤表面应平整光滑；
S2.检验前，检测人员了解待检测的杆塔的材质、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫，根据上述参数设置焊缝结构图；
S3.制定灵敏度曲线，包括如下步骤：1）在A型相控阵试块上，利用R100弧制作探头角度补偿曲线--角度步长1°；2）在试块RB-3上利用Ф3mm制作DAC曲线，作为验收灵敏度曲线；
S4. 使用对比试样对使用的超声波相控阵检测***的灵敏度进行检查和复验，在下列情况下，应使用对比试样对涡流检测***的灵敏度进行检查和复验：
1）每次检测开始前和结束后；
2）怀疑检测***运行不正常时；
3）连续检测时，每4小时检查和复检1次；
4）合同双方有争议或认为有必要时；
S5.如复验后超声波相控阵检测***的灵敏度下降超过2dB，应重新调整超声波相控阵检测***的灵敏度，并对调整后所有待检测的杆塔进行检测，然后将超声波相控阵检测探头与超声波相控阵检测检测***连接，本超声波相控阵检测探头为32×32线性阵列相控阵探头，其斜契块角度为36°，将受检钢管塔环焊缝部均匀刷涂耦合剂，本实施例使用的耦合剂为甘油或者浆糊，在试块上调节仪器和产品检验应采用相同的耦合剂；
S6.利用超声波相控阵检测探头对焊缝或者杆塔作扇形扫查以获得杆塔焊缝的三维视图，以确定出缺陷位置，按预设的顺序依次激发阵元晶片形成扇形扫查，扫查区域的宽度应为焊缝本身再加上焊缝两侧各10mm，针对本实施例检测，扇形扫查起始角度设为73.5 °，使用超声波相控阵检测探头与焊缝做平行移动进行扇形扫查，保持匀速，扫查速度不应大于20mm/s，扇形扫查时，采用一次反射法，焦点深度为3mm～5mm，重点检测焊缝根本区域；
S7.数据分析，采用ISONIC2010多功能超声相控阵成像检测***，根据验收灵敏度曲线修正扫查结果，完成缺陷三维数据的标定，生成报告；
S8.缺陷评定。
所述的步骤S8中缺陷评定标准为：
1）超过制定灵敏度曲线的信号应根据缺陷3D视图观察其是否具有裂纹危害性缺陷特征，如有怀疑时应采用缺陷尖端检测分析功能（KLS三角分析）对缺陷进行综合判断；
2）最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，其指示长度小于10mm时按5mm计；
3）相邻两缺陷各向间距小于8mm时，两缺陷指示长度之和作为单个缺陷的指示长度。缺陷的等级分类如下表1所示，根据该表进行缺陷分类评定。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
对该杆塔进行焊缝扫查发现9处超标3缺陷，该缺陷在杆塔上的位置分布如图1所示，具体检测数据如表2所示，而各个焊缝缺陷的具体数据如下表3所示。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE006
而焊缝缺陷#1的端面视图、俯视图及侧视图如图2、图3和图4所示；缺陷#8的端面视图、俯视图及侧视图如图5、如图6、如图7所示；缺陷#9的端面视图、俯视图及侧视图如图8、图9及图10所示。下表4为焊缝缺陷#1的三维视图的数据，表5为缺陷#8的三维视图的数据，表6为焊缝缺陷#9的三维视图的数据。
表4
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表5
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表6
Figure DEST_PATH_IMAGE012
实施例2
本实施例选择另一杆塔对其焊缝使用本发明提供的方法进行缺陷检测，其检测过程和具体实施例1相同，不再累述。该杆塔为线路90°转角杆塔之一，位于市区主要干道，对其焊缝进行超声波相控阵检测，焊缝发现2处超标缺陷，该缺陷在杆塔上的位置分布如图11所示，具体检测数据见下表7，而各个焊缝缺陷的具体数据如下表8所示。
表7
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表8
Figure DEST_PATH_IMAGE016
该杆塔上焊缝缺陷#1的端面视图、俯视图及侧视图如图12、图13和图14所示；缺陷#2的端面视图、俯视图及侧视图如图15、如图16、如图17所示；
下表9为焊缝缺陷#1的三维视图的数据，表10为缺陷#2的三维视图的数据。
表9
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表10
Figure DEST_PATH_IMAGE020
实施例3
本实施例选择一杆塔对其焊缝使用本发明提供的方法进行缺陷检测，其检测过程和具体实施例1相同，不再累述。该杆塔为重要跨路线塔之一，位于市区主要交通道路。对该杆塔的焊缝进行超声波相控阵检测，焊缝发现2处超标缺陷，具体检测数据见下表，该缺陷在杆塔上的位置分布如图18所示，具体检测数据见下表11，而各个焊缝缺陷的具体数据如下表12所示。
表11
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表12
Figure DEST_PATH_IMAGE024
该杆塔上焊缝缺陷#1的端面视图、俯视图及侧视图如图19、图20和图21所示；缺陷#2的端面视图、俯视图及侧视图如图22、如图23、如图24所示；
下表13为焊缝缺陷#1的三维视图的数据，表14为缺陷#2的三维视图的数据。
表13
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表14
Figure DEST_PATH_IMAGE028
本发明采用ISONIC2010超声相控阵成像检测***小巧轻便，扫查简单、快速，抗外界干扰能力强，完全满足现场检测在役杆塔的需要； 对三个杆塔进行了超声相控阵检测，检测数据以三维、3D 成像模式显示，包括缺陷的深度、长度、自身高度、宽度及当量大小，结果直观、详尽；采用扇形扫描，避免了探头前后移动产生的人为误差，缺陷尺寸能真实反应缺陷真实尺寸，检测数据满足力学分析要求。
由检测结果可知，薄壁离心混凝土钢管塔主要缺陷是在焊接时产生的根部未焊透、层间夹渣类条形缺陷，所检验杆塔焊缝未焊透缺陷单条长度最长344mm，未焊透最大自身高度9.5mm。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，适用于母材厚度不小于8mm铁素体类钢全焊透融化对接焊缝，且外径不小于250mm的杆塔焊缝，其特征在于，包括如下步骤：
S1.焊缝及探伤表面外观检查；
S2.检验前，检测人员了解待检测的杆塔的材质、厚度、焊接方法、焊缝种类、坡口形式、焊缝余高及背面衬垫，根据上述参数设置焊缝结构图；
S3.制定灵敏度曲线；
S4. 使用对比试样对使用的超声波相控阵检测***的灵敏度进行检查和复验；
S5.如复验后超声波相控阵检测***的灵敏度下降超过2dB，应重新调整超声波相控阵检测***的灵敏度，并对调整后所有待检测的杆塔进行检测；
S6.利用超声波相控阵检测探头对焊缝或者杆塔作扇形扫查以获得杆塔焊缝的三维视图，以确定出缺陷位置；
S7.数据分析，采用ISONIC2010多功能超声相控阵成像检测***，根据验收灵敏度曲线修正扫查结果，完成缺陷三维数据的标定，生成报告；
S8.缺陷评定。
2.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述的步骤S1中所述的焊缝及探伤表面外观检查包括对焊缝处焊接飞溅、铁屑、油垢及其他外部杂质的清除情况，探伤表面应平整光滑。
3.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述步骤S3中制定灵敏度曲线的方法包括如下步骤：1）在A型相控阵试块上，利用R100弧制作探头角度补偿曲线--角度步长1°；
2）在试块RB-3上利用Ф3mm制作DAC曲线，作为验收灵敏度曲线。
4.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述的步骤S6中使用超声波相控阵检测探头与焊缝做平行移动进行扇形扫查，保持匀速，扫查速度不应大于20mm/s。
5.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述的步骤S6中超声波相控阵检测探头为32×32线性阵列相控阵探头，其斜契块角度为36°。
6.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述的步骤S6中扇形扫查时，采用一次反射法，焦点深度为3mm～5mm，重点检测焊缝根本区域。
7.根据权利要求1所述用于杆塔焊缝的超声波相控阵检测方法，其特征在于，所述的步骤S8中缺陷评定标准为：
1）超过制定的灵敏度曲线的信号应根据缺陷3D视图观察其是否具有裂纹危害性缺陷特征，如有怀疑时应采用缺陷尖端检测分析功能（KLS三角分析）对缺陷进行综合判断；
2）最大反射波幅位于Ⅱ区的缺陷，其指示长度小于10mm时按5mm计；
3）相邻两缺陷各向间距小于8mm时，两缺陷指示长度之和作为单个缺陷的指示长度。
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