9%镍钢管环焊接头中缺陷检测的概率：相控阵超声检测与射线检测的对比

《Journal of Materials Research and Technology》：Probability of detection of discontinuities in 9% Ni steel pipe girth welded joints: comparison between phased array ultrasonic and radiographic testing

相控阵超声检测（PAUT）与射线检测（RT）在厚壁管道焊接接头中的可靠性对比研究表明，PAUT对平面缺陷（如未熔合）的检测灵敏度更高（a90为6.87mm），而RT对体积型缺陷（如未穿透）更优（a90为12.72mm）。但PAUT假阳性率高达13.59%，显著高于RT的0.58%，主要受粗大各向异性晶粒结构导致的声学散射干扰。研究采用9%Ni钢和Ni基超合金625焊丝，通过人工制造典型焊接缺陷（气孔、裂纹、未熔合等），在两种检测方法中均检测到120处缺陷，验证了PAUT在平面缺陷检测中的优势。但高假阳性率表明PAUT在复杂工况下的适用性仍需谨慎评估。

　　在现代工业中，焊接结构的安全性和可靠性至关重要。为了确保这些结构的完整性，无损检测（Non-Destructive Testing, NDT）成为一种不可或缺的技术手段。NDT不仅用于评估制造后的组件，还广泛应用于在役设备的定期检查。其中，相控阵超声波检测（Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT）和射线检测（Radiographic Testing, RT）是两种最常用于检测内部缺陷的技术。尽管PAUT在某些方面展现出比RT更强的检测能力，特别是在检测平面缺陷（如未熔合）时，但在某些材料中，如奥氏体焊缝金属，PAUT面临一定的挑战，主要原因是声波在材料中的衰减现象。这些挑战使得在关键应用中，是否能够完全取代RT成为值得探讨的问题。

### PAUT与RT的对比分析

PAUT通过使用多个超声波探头，可以对焊缝区域进行多角度、多路径的扫描，从而提高对缺陷的识别率。其优势在于能够提供关于缺陷位置、尺寸和形状的详细信息，这在评估材料完整性方面非常有用。然而，PAUT的信号处理较为复杂，尤其是在面对具有粗大且各向异性微观结构的材料时，声波的反射和散射可能会干扰检测结果，导致误报率上升。相比之下，RT利用X射线或伽马射线的穿透能力，能够通过密度差异在胶片上形成对比，从而更容易被识别。然而，RT对缺陷的大小和形状敏感度较低，尤其是对于小尺寸的缺陷，可能难以在胶片上形成明显的对比，从而影响检测效果。

本研究聚焦于9%镍钢厚壁管的环形焊缝，使用了Ni基超合金625作为填充金属。这些焊缝结构广泛应用于二氧化碳注入装置（如巴西超深水预盐油田），由于其工作环境中的高压（550 MPa）和含硫条件，对焊接质量的要求非常高。因此，研究焊接结构中的缺陷对保障其安全性和可靠性具有重要意义。研究中引入了多种典型的焊缝缺陷，包括未熔合、未焊透、热裂纹、气孔群等，并通过PAUT和RT两种方法进行检测，以评估其检测能力和可靠性。

### 材料与方法

研究使用的材料为淬火和回火的9%镍钢无缝管（ASTM A333 grade 8），管径为8英寸（219.1 mm），壁厚为1.25英寸（31.7 mm）。填充金属为Ni基超合金625，其化学成分和焊接性能均符合工业标准。为了制造人工缺陷，研究团队采用GTAW（钨极氩弧焊）和GMAW（熔化极气体保护焊）或SMAW（手工电弧焊）作为焊接工艺，分别用于根部和热焊道、填充焊道和盖面焊道。人工缺陷被引入到焊缝的根部和热焊道与填充焊道之间的界面，以模拟实际焊接过程中可能发生的缺陷。

制造人工缺陷的过程涉及多种步骤，例如通过调整电弧方向制造未熔合，通过调整焊接参数制造未焊透，通过多次熄灭电弧制造热裂纹，以及通过降低保护气体流量制造气孔群。这些缺陷的尺寸和形状受到焊接工艺、操作条件和材料特性的共同影响，因此在实际应用中，缺陷的检测难度也会有所不同。为了确保检测的准确性，研究团队对焊缝进行了两次PAUT检测和一次RT检测，并遵循ASME V标准进行操作。

### 结果与讨论

通过宏观分析，研究团队测量了所有人工缺陷的高度，并将其作为检测能力分析的依据。结果显示，PAUT在检测平面缺陷（如未熔合）方面表现出更高的灵敏度，而RT在检测体积缺陷（如未焊透）方面更有效。PAUT和RT的检测能力曲线（PoD曲线）表明，PAUT在90%检测率下的缺陷尺寸为6.87 mm，而RT为12.72 mm。然而，PAUT的误报率（13.59%）明显高于RT（0.58%），这表明PAUT在某些情况下存在较高的不确定性。

在焊接结构中，缺陷的检测不仅依赖于材料的性质，还受到检测方法、设备参数和操作条件的共同影响。例如，PAUT的检测能力受超声波频率、扫描角度和探头配置的影响，而RT的检测能力则主要依赖于射线能量和胶片分辨率。此外，焊接结构中的缺陷分布和形态也会影响检测效果，例如某些缺陷可能因尺寸较小或方向与射线或超声波路径不一致而难以被识别。

### 误报率与检测可靠性

研究中还评估了两种检测方法的误报率，即检测系统将噪声误判为缺陷的概率。结果显示，PAUT的误报率明显高于RT，这可能与奥氏体填充金属的粗大和各向异性微观结构有关。在这些材料中，超声波信号容易受到微结构噪声的干扰，导致信号与噪声的比例下降，从而影响检测的准确性。相比之下，RT对微结构的敏感度较低，因此在检测过程中更不容易受到微结构影响，从而减少了误报的可能性。

误报率的高低直接影响检测的可靠性。在本研究中，PAUT的误报率高达13.59%，而RT仅为0.58%。这一结果表明，尽管PAUT在某些方面具有优势，但在实际应用中，其误报率仍然较高，这可能成为其在关键应用中难以完全取代RT的主要障碍。此外，研究还指出，人工制造的缺陷在实际焊接结构中可能与真实缺陷存在一定的差异，因此在评估检测能力时，应考虑这些差异对结果的影响。

### 检测方法的适用性

在实际工业应用中，选择合适的无损检测方法需要综合考虑多种因素，包括材料特性、缺陷类型、检测环境以及检测成本。对于9%镍钢厚壁管的环形焊缝，PAUT在检测平面缺陷方面具有较高的灵敏度，而RT在检测体积缺陷方面更为可靠。然而，由于奥氏体填充金属的微观结构特点，PAUT在检测过程中容易受到信号干扰，导致误报率上升。因此，在实际应用中，是否能够完全采用PAUT替代RT，还需要进一步评估其适用性。

此外，研究还指出，人工制造的缺陷在实际焊接结构中可能与真实缺陷存在一定的差异，因此在评估检测能力时，应考虑这些差异对结果的影响。例如，人工制造的缺陷可能具有较为规则的几何形态，而实际焊接结构中的缺陷可能具有更多的不确定性。因此，在评估检测方法的可靠性时，应采用多种方法进行综合分析，以确保结果的准确性和代表性。

### 结论

本研究的结果表明，PAUT在检测焊接结构中的平面缺陷方面具有更高的灵敏度，而RT在检测体积缺陷方面更为可靠。然而，PAUT的误报率较高，这可能影响其在关键应用中的适用性。因此，在实际应用中，是否能够完全采用PAUT替代RT，还需要综合考虑多种因素，包括检测成本、操作条件和材料特性。此外，研究还指出，人工制造的缺陷在评估检测能力时可能无法完全代表实际缺陷，因此在实际应用中，应采用更加接近真实缺陷的制造方法，以提高检测的准确性。

综上所述，无损检测技术在焊接结构的评估中具有重要作用，而PAUT和RT各有其优势和局限性。在实际应用中，选择合适的检测方法需要综合考虑多种因素，以确保检测的准确性和可靠性。未来的研究可以进一步探索如何优化检测方法，以减少误报率并提高检测能力，从而更好地满足工业应用的需求。