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摘要：高含硫化氢介质的压力管道，法兰密封面部位极易产生酸性水腐蚀和缝隙腐蚀，产生局部凹坑缺陷导致密封性失效而泄漏。本文利用相控阵超声检测技术的优点，结合法兰结构特点，通过试验研究制定了针对性的检测方法，实现不拆卸从法兰外部对密封面腐蚀缺陷进行有效检测，并在实践应用中取得了良好的效果。
关键词：相控阵超声检测；法兰；密封面；实时成像
1 引言
某气田是国内开发的第一个高含硫天然气气田，该气田H2S含量为15%-18% （v），有机硫含量为340.6mg/m3，CO2含量为8.63%（v）。由于法兰位置相对是介质滞流区，密封面部位极易产生酸性水腐蚀和缝隙腐蚀，投产以来多次发生管道法兰密封面腐蚀而泄漏，对安全运行造成很大的影响。
对于高含硫化氢环境下使用的法兰，其密封面腐蚀缺陷的检测意义重大。由于法兰的结构特点，在线或不拆除紧固件的情况下无法对密封面腐蚀缺陷进行检测。如图1所示，腐蚀位置常规射线、超声检测技术都极为困难，可行性不强、可靠性差。
近年来相控阵检测技术在我国的研究和应用越来越广泛，其检测灵敏度高，可根据检测对象控制超声波束的声场作用范围，可实现实时成像的特点为法兰密封面局部腐蚀缺陷的检测提供了一种选择。但目前国内还没有关于相控阵超声检测工艺方法，也没有系统的检测方法及验收标准，是否能够实现对法兰密封面腐蚀缺陷的有效检测，需要作针对性的研究。本文拟从法兰结构分析、相控阵超声检测声场分析、对比试块的制作、扫查装置的研究及检测应用几个方面进行研究实践，制定超声相控阵检测工艺，对腐蚀的面积、深度进行评价，并根据数据对比确定腐蚀速率，为整个压力管道系统的安全运行提供帮助。
2相控阵超声检测（PAUT）技术
2.1 基本工作原理
相控阵检测技术是利用电子方式控制相控阵探头合成的声束来实现超声波发射/接收的方法。基本原理是调整阵列换能器各阵元发射/接收的相位延迟，使得合成声束在一定范围内形成聚焦、偏转等效果。其核心是换能器由多个晶片组合阵列，每个晶片的激发时间均由主机单独控制，一个换能器可形成多种声场，可提供比单个或多个换能器系统更大的检测范围和更强的检测能力。探头前后位置不动，通过软件可形成需要的声束参数（如角度、聚焦深度等），检测过程实时成像（A、B、C、D及S视图）、记录。
2.2 技术对于法兰面检测的主要优点
（1）可通过激发方式控制超声波束形状
对于法兰密封面腐蚀缺陷的检测而言，PAUT最重要的优点是不同的激发方式可产生不同的波束，因为法兰外部没有平整的平面，需要将超声波束不为聚焦在特定的检测区域。
同时激发延迟激发聚焦延迟+聚焦
图4相控阵系统波束聚焦示意图
（2）可实时成像，并在离线状态下对检测数据进行分析处理
相控阵超声检测可实时成像，检测数据直观；可形成A、B、C、D及S图像数据，在离线情况下通过软件进行分析处理。
（3）可通过软件对特定的声场进行分析
针对法兰密封面位置的检测，可通过专用的软件对超声场进行分析，确定是否可进行有效的覆盖，分析声场特点为检测工艺的制定及可靠性提供帮助。
3 PAUT检测工艺研究
3.1 法兰结构分析
操作条件苛刻（工作压力较高且波动较大、介质渗透性强或渗漏有危险性）的法兰一般选用高颈法兰，梯形槽密封面。其中从端面（方法一）扫查，法兰厚度有限，声场不能有效的覆盖整个密封面，且声束方向和角度不利于发现缺陷，所以方法一不可行；从侧面（方法二）扫查，受螺栓影响，不能对整个密封面进行扫查，只能检测有限的面积；从颈部锥面（方法三）超声声场可以覆盖整个密封面。通过初步分析，确定从法兰的颈部进行检测，检测工艺的研究以此展开。
3.2对比试块的设计制作
3.2.1 对比试块的选取
超声相控阵原理基于脉冲反射，对缺陷的检测同样需要人工缺陷作当量对比，确定适合检测对象的检测灵敏度，发现缺陷、定量缺陷。对比试块选取天然气集气站生产计量分支管端部法兰同规格的DN400法兰，如图8所示。
3.2.2 人工缺陷设计制作
3.2.2.1深度灵敏度对比试块（同一孔径、不同深度平底孔）
孔徑设置为Ф5mm，深度设置h=1mm、3mm、5mm、6mm、10mm；在梯形槽内刻5mm×2mm×4mm（长×宽×深）矩形槽；孔与孔之间的圆周间距为30mm，如图9所示。
3.2.2.2 当量（缺陷）大小对比试块（同一深度、不同孔径平底孔）
孔径选择：Ф2、Ф4、Ф6、Ф8、Ф10；在梯形槽内刻5mm×2mm×4mm（长×宽×深）矩形槽；孔与孔之间的圆周间距为30mm，如图10所示。
3.2.2.3 检测范围对比试块
在密封面宽度范围预制平底孔，确定声场覆盖范围。孔径选择Ф5mm、深度4mm，如图11所示。
3.3计算机声场模拟
3.3.1 计算机模拟仿真软件
由于法兰几何结构复杂， 超声波在工件中传播路径复杂、回波信号复杂。为了保证整个密封面处在有效声场之内，正确判别反射信号、评价缺陷，需要对声束的传播进行模拟，确定和优化超声相控阵检测工艺。
本文借助无损检测模拟仿真软件CIVA模拟检测过程。CIVA软件功能强大，可实现超声波传播路径的可视化，观察到超声波何时探测到的检测区域、结构界面，辅助实现识别、定位缺陷信号；CIVA也可以对检测方法进行设计和优化，可根据模拟效果对模拟所使用的相控阵探头参数进行比对和调整；确定实际需要的探头类型和最优延迟法则，进而提高相控阵检测的可靠性。 仿真中使用的探头及楔块参数如下，激发32个晶片做45°～70°的横波扇扫。
3.3.3 工艺优化
单从声束的覆盖来讲，只要将探头放在斜面上，产生一个扇形扫查就可以完成整个被检区域的覆盖。但是考虑到缺陷都是平面状的，使用尽可能与其垂直的声束检测才能得到好的效果，只产生一个扇扫很难保证不同深度、声程的缺陷都有较好的检测效果，通过优化仿真中使用两组扇形扫查来实现被检区域较好的声束覆盖。检测时通过对超声波声束角度的控制实现一次波、二次波同时扫查密封面，可以准确判断腐蚀面积和腐蚀深度。
3.3.4 仿真结果
从扇形扫查图（S）、3D成像中观察分析，除了几何反射信号外，可发现明确的缺陷信号，通过色差可确定人工缺陷的大小，且几何信号不会将缺陷信号淹没。
3.4检测试验
3.4.1 检测装置
检测设备选用OLYMPUS公司OMINSCAN-MX系统，选取16晶片5MHz相控阵探头，物理角度为55°的楔块，Mini半自动扫查器。
3.4.2检测试验
通过对比试块不同当量、不同深度、不同范围人工缺陷的检测试验，确定检测方法及工艺的有效性、可靠性。
3.4.3 试验结论
根据计算机软件优化的检测工艺，通过对对比试块的检测试验，可以明确判别几何反射信号和缺陷信号；可以对缺陷进行较好定量分析（位置、长度、面积、深度）。
4 检测应用
利用PAUT技术对某气田集气站压力管道法兰密封面腐蚀缺陷进行检测，发现很大面积的腐蚀情况。其中对在外输管道旁通法兰（规格为DN150mm）密封面存在严重的腐蚀缺陷（腐蚀长度150mm，腐蚀深度为11mm）进行拆除验证，目视测量的结果和超声相控阵的检测结果十分接近（腐蚀槽长度160mm，宽度14mm，深度：10mm），确证了其检测有效性、可靠性（选用5MHz、16晶片探头，物理角度55°曲面楔块），采集图谱如图19：
5 结语
法兰结构特殊，利用相控阵超声扇形扫查及声束角度控制技术可对其密封面全面积进行有效检测。超声相控阵检测工艺可以对法兰密封面腐蚀缺陷进行较为准确的定量。为保证适当的检测灵敏度，不同规格的法兰需要制作不同的对比试块，配置不同的探头和楔块，检测成本较高。为进一步提高检测的精度和可靠性，还需进一步研制专用自动（或半自动）扫查器，减少人为因素的影响。通过计算机软件的辅助可优化检测工艺，研究实际检测和仿真模拟之间的偏差、关系，可为进一步完善工艺、形成检测体系提供很大的帮助和支持。
参考文献：
[1]李 衍.超声相控阵技术第三部分探头和超声声场.无损探伤，2008，32（1）.
[2]陆铭慧，程 俊，邵红亮，孙明磊.计算机辅助在TKY管节点焊缝超声相控阵检测中的应用.焊接学报.2012，33（4）.
[3]金南辉，牟彦春.小径管对接焊接接头相控阵超声检测技术.无损检测.2010，32（6）.
（作者單位：达州市特种设备监督检验所）
关键词：相控阵超声检测；法兰；密封面；实时成像
1 引言
某气田是国内开发的第一个高含硫天然气气田，该气田H2S含量为15%-18% （v），有机硫含量为340.6mg/m3，CO2含量为8.63%（v）。由于法兰位置相对是介质滞流区，密封面部位极易产生酸性水腐蚀和缝隙腐蚀，投产以来多次发生管道法兰密封面腐蚀而泄漏，对安全运行造成很大的影响。
对于高含硫化氢环境下使用的法兰，其密封面腐蚀缺陷的检测意义重大。由于法兰的结构特点，在线或不拆除紧固件的情况下无法对密封面腐蚀缺陷进行检测。如图1所示，腐蚀位置常规射线、超声检测技术都极为困难，可行性不强、可靠性差。
近年来相控阵检测技术在我国的研究和应用越来越广泛，其检测灵敏度高，可根据检测对象控制超声波束的声场作用范围，可实现实时成像的特点为法兰密封面局部腐蚀缺陷的检测提供了一种选择。但目前国内还没有关于相控阵超声检测工艺方法，也没有系统的检测方法及验收标准，是否能够实现对法兰密封面腐蚀缺陷的有效检测，需要作针对性的研究。本文拟从法兰结构分析、相控阵超声检测声场分析、对比试块的制作、扫查装置的研究及检测应用几个方面进行研究实践，制定超声相控阵检测工艺，对腐蚀的面积、深度进行评价，并根据数据对比确定腐蚀速率，为整个压力管道系统的安全运行提供帮助。
2相控阵超声检测（PAUT）技术
2.1 基本工作原理
相控阵检测技术是利用电子方式控制相控阵探头合成的声束来实现超声波发射/接收的方法。基本原理是调整阵列换能器各阵元发射/接收的相位延迟，使得合成声束在一定范围内形成聚焦、偏转等效果。其核心是换能器由多个晶片组合阵列，每个晶片的激发时间均由主机单独控制，一个换能器可形成多种声场，可提供比单个或多个换能器系统更大的检测范围和更强的检测能力。探头前后位置不动，通过软件可形成需要的声束参数（如角度、聚焦深度等），检测过程实时成像（A、B、C、D及S视图）、记录。
2.2 技术对于法兰面检测的主要优点
（1）可通过激发方式控制超声波束形状
对于法兰密封面腐蚀缺陷的检测而言，PAUT最重要的优点是不同的激发方式可产生不同的波束，因为法兰外部没有平整的平面，需要将超声波束不为聚焦在特定的检测区域。
同时激发延迟激发聚焦延迟+聚焦
图4相控阵系统波束聚焦示意图
（2）可实时成像，并在离线状态下对检测数据进行分析处理
相控阵超声检测可实时成像，检测数据直观；可形成A、B、C、D及S图像数据，在离线情况下通过软件进行分析处理。
（3）可通过软件对特定的声场进行分析
针对法兰密封面位置的检测，可通过专用的软件对超声场进行分析，确定是否可进行有效的覆盖，分析声场特点为检测工艺的制定及可靠性提供帮助。
3 PAUT检测工艺研究
3.1 法兰结构分析
操作条件苛刻（工作压力较高且波动较大、介质渗透性强或渗漏有危险性）的法兰一般选用高颈法兰，梯形槽密封面。其中从端面（方法一）扫查，法兰厚度有限，声场不能有效的覆盖整个密封面，且声束方向和角度不利于发现缺陷，所以方法一不可行；从侧面（方法二）扫查，受螺栓影响，不能对整个密封面进行扫查，只能检测有限的面积；从颈部锥面（方法三）超声声场可以覆盖整个密封面。通过初步分析，确定从法兰的颈部进行检测，检测工艺的研究以此展开。
3.2对比试块的设计制作
3.2.1 对比试块的选取
超声相控阵原理基于脉冲反射，对缺陷的检测同样需要人工缺陷作当量对比，确定适合检测对象的检测灵敏度，发现缺陷、定量缺陷。对比试块选取天然气集气站生产计量分支管端部法兰同规格的DN400法兰，如图8所示。
3.2.2 人工缺陷设计制作
3.2.2.1深度灵敏度对比试块（同一孔径、不同深度平底孔）
孔徑设置为Ф5mm，深度设置h=1mm、3mm、5mm、6mm、10mm；在梯形槽内刻5mm×2mm×4mm（长×宽×深）矩形槽；孔与孔之间的圆周间距为30mm，如图9所示。
3.2.2.2 当量（缺陷）大小对比试块（同一深度、不同孔径平底孔）
孔径选择：Ф2、Ф4、Ф6、Ф8、Ф10；在梯形槽内刻5mm×2mm×4mm（长×宽×深）矩形槽；孔与孔之间的圆周间距为30mm，如图10所示。
3.2.2.3 检测范围对比试块
在密封面宽度范围预制平底孔，确定声场覆盖范围。孔径选择Ф5mm、深度4mm，如图11所示。
3.3计算机声场模拟
3.3.1 计算机模拟仿真软件
由于法兰几何结构复杂， 超声波在工件中传播路径复杂、回波信号复杂。为了保证整个密封面处在有效声场之内，正确判别反射信号、评价缺陷，需要对声束的传播进行模拟，确定和优化超声相控阵检测工艺。
本文借助无损检测模拟仿真软件CIVA模拟检测过程。CIVA软件功能强大，可实现超声波传播路径的可视化，观察到超声波何时探测到的检测区域、结构界面，辅助实现识别、定位缺陷信号；CIVA也可以对检测方法进行设计和优化，可根据模拟效果对模拟所使用的相控阵探头参数进行比对和调整；确定实际需要的探头类型和最优延迟法则，进而提高相控阵检测的可靠性。 仿真中使用的探头及楔块参数如下，激发32个晶片做45°～70°的横波扇扫。
3.3.3 工艺优化
单从声束的覆盖来讲，只要将探头放在斜面上，产生一个扇形扫查就可以完成整个被检区域的覆盖。但是考虑到缺陷都是平面状的，使用尽可能与其垂直的声束检测才能得到好的效果，只产生一个扇扫很难保证不同深度、声程的缺陷都有较好的检测效果，通过优化仿真中使用两组扇形扫查来实现被检区域较好的声束覆盖。检测时通过对超声波声束角度的控制实现一次波、二次波同时扫查密封面，可以准确判断腐蚀面积和腐蚀深度。
3.3.4 仿真结果
从扇形扫查图（S）、3D成像中观察分析，除了几何反射信号外，可发现明确的缺陷信号，通过色差可确定人工缺陷的大小，且几何信号不会将缺陷信号淹没。
3.4检测试验
3.4.1 检测装置
检测设备选用OLYMPUS公司OMINSCAN-MX系统，选取16晶片5MHz相控阵探头，物理角度为55°的楔块，Mini半自动扫查器。
3.4.2检测试验
通过对比试块不同当量、不同深度、不同范围人工缺陷的检测试验，确定检测方法及工艺的有效性、可靠性。
3.4.3 试验结论
根据计算机软件优化的检测工艺，通过对对比试块的检测试验，可以明确判别几何反射信号和缺陷信号；可以对缺陷进行较好定量分析（位置、长度、面积、深度）。
4 检测应用
利用PAUT技术对某气田集气站压力管道法兰密封面腐蚀缺陷进行检测，发现很大面积的腐蚀情况。其中对在外输管道旁通法兰（规格为DN150mm）密封面存在严重的腐蚀缺陷（腐蚀长度150mm，腐蚀深度为11mm）进行拆除验证，目视测量的结果和超声相控阵的检测结果十分接近（腐蚀槽长度160mm，宽度14mm，深度：10mm），确证了其检测有效性、可靠性（选用5MHz、16晶片探头，物理角度55°曲面楔块），采集图谱如图19：
5 结语
法兰结构特殊，利用相控阵超声扇形扫查及声束角度控制技术可对其密封面全面积进行有效检测。超声相控阵检测工艺可以对法兰密封面腐蚀缺陷进行较为准确的定量。为保证适当的检测灵敏度，不同规格的法兰需要制作不同的对比试块，配置不同的探头和楔块，检测成本较高。为进一步提高检测的精度和可靠性，还需进一步研制专用自动（或半自动）扫查器，减少人为因素的影响。通过计算机软件的辅助可优化检测工艺，研究实际检测和仿真模拟之间的偏差、关系，可为进一步完善工艺、形成检测体系提供很大的帮助和支持。
参考文献：
[1]李 衍.超声相控阵技术第三部分探头和超声声场.无损探伤，2008，32（1）.
[2]陆铭慧，程 俊，邵红亮，孙明磊.计算机辅助在TKY管节点焊缝超声相控阵检测中的应用.焊接学报.2012，33（4）.
[3]金南辉，牟彦春.小径管对接焊接接头相控阵超声检测技术.无损检测.2010，32（6）.
（作者單位：达州市特种设备监督检验所）