金属管道焊缝未熔合缺陷无损伤检测的相控阵超声成像技术

金属管道是石油、化工、电力等工业的“血管”，焊缝未熔合作为典型面状缺陷，因隐藏深、取向杂，易成为应力集中源引发爆管事故。传统射线检测对平行于射线的未熔合检出率低，常规超声依赖多探头扫查效率低，而相控阵超声成像技术通过电子声束控制，实现快速、高分辨率的缺陷可视化，成为未熔合检测的核心技术之一。

金属管道焊缝未熔合缺陷的特性与检测难点

焊缝未熔合是熔焊时焊缝金属与母材/层间未充分熔化结合的缺陷，分三类：根部未熔合（焊缝根部母材与填充金属间）、层间未熔合（多层焊道间）、坡口未熔合（坡口侧壁与填充金属间）。这类缺陷厚度仅0.1-1mm，多为面状且取向与坡口/焊道平行，肉眼与常规检测难定位。

检测难点集中在三点：一是位置隐蔽——根部未熔合被填充金属覆盖，层间未熔合藏于焊道间；二是取向敏感——常规超声单探头固定声束若与缺陷面平行，反射信号微弱；三是坡口复杂——V型、X型坡口需多角度声束覆盖，常规检测需反复换探头，效率极低。

比如某化工厂碳钢管焊缝因焊速过快出现根部未熔合，常规45°探头扫查时声束与缺陷面平行，误判为杂波；相控阵偏转声束至60°垂直入射，信号幅度提升3倍，精准检出缺陷。

相控阵超声成像技术的核心原理

相控阵超声以“电子声束控制”为核心：由多个压电晶片组成阵列探头，主机对每个晶片施加不同延迟激励，使超声波在空间叠加形成可控方向与聚焦深度的声束。无需移动探头，即可实现声束电子扫描（偏转）与聚焦，覆盖更大检测区域。

声束偏转靠“延迟法则”——左侧晶片延迟短则声束左偏，反之右偏；聚焦则通过调整延迟时间，让超声波在指定深度（如焊缝根部）汇聚，增强缺陷反射信号。比如壁厚10mm的管道，聚焦深度设为8mm（根部位置），可使根部未熔合信号幅度提升2-4倍。

成像方式直接服务检测：B扫（二维截面）显示缺陷深度与水平位置，如根部未熔合表现为靠近母材的线性高幅信号；C扫（平面投影）显示缺陷长度与宽度，如层间未熔合呈条带状；3D成像则构建缺陷三维形态，直观展示空间分布。

相控阵超声检测系统的组成与调试要点

系统由四部分组成：探头（线阵/矩阵阵，管道检测常用32/64阵元线阵，频率2-10MHz）、主机（控制延迟与信号处理）、软件（成像与数据管理）、耦合剂（排除空气，常用专用超声耦合剂）。

探头选择需匹配管道参数：小直径（≤100mm）选小尺寸线阵（如16mm）避免贴合不良；厚壁（≥20mm）选低频（2-5MHz）降低衰减；薄壁（≤8mm）选高频（7.5-10MHz）提高分辨率。

延迟与聚焦调试要匹配焊缝结构：V型坡口（60°）需声束偏转45°-70°，覆盖坡口侧壁与根部；聚焦深度设为缺陷可能位置（如根部未熔合=壁厚-钝边厚度）。校准用CSK-ⅠA试块，确保声速、探头延迟、聚焦深度准确，避免测量误差。

相控阵超声对不同类型未熔合的检测策略

根部未熔合检测需“垂直入射”：从母材侧入射声束，偏转角度匹配坡口角度（如60°坡口设60°声束），聚焦在根部（壁厚-钝边）。比如壁厚12mm、钝边2mm的管道，聚焦深度10mm，声束60°，可有效检出根部未熔合。

层间未熔合需“高分辨率+宽角度”：用7.5-10MHz高频探头提高分辨率，声束偏转0°-45°覆盖多层焊道。某锅炉管道层间未熔合位于3、4焊道间，用10MHz探头、0°-30°偏转，C扫图清晰显示15mm×2mm条带。

坡口未熔合需“双侧覆盖”：左侧坡口用左偏声束，右侧用右偏声束，确保垂直入射侧壁。X型坡口需从内外侧双扫查，补充盲区。

相控阵超声成像数据的分析与缺陷判定

数据解读结合“信号+图像”：未熔合信号具高幅度（垂直入射）、连续性（面状缺陷）、方向性（取向固定）。B扫图中，根部未熔合是靠近母材的线性信号，层间未熔合在焊缝中层，坡口未熔合靠侧壁。

缺陷判定依GB/T 19624-2019：先定位置（深度、圆周），再测尺寸（长度L、高度h、面积A），Ⅰ类焊缝（核电厂主管道）不允许未熔合，Ⅱ类焊缝（化工厂管道）允许L≤焊缝长度10%、h≤壁厚10%。

需排除伪信号：耦合剂不足会降幅度，探头磨损会散声束，表面氧化皮会生杂波，需打磨表面、换探头或补耦合剂。

相控阵超声检测的现场应用注意事项

现场需先处理表面：打磨焊缝及周边50mm范围，去除飞溅、氧化皮至金属光泽，避免杂波干扰。某不锈钢管道未清理氧化皮时杂波多，打磨后缺陷信号清晰。

扫查要匀速全覆盖：手动扫速10-20mm/s，自动扫查路径沿焊缝两侧各20mm。小直径管道用包裹式探头（弧度匹配外径），避免间隙。

环境控制不可少：低温用防冻耦合剂，潮湿用防水探头，露天搭遮阳棚防主机过热。数据要保存原始图像、探头参数、延迟法则、校准记录，确保可追溯。

相控阵超声与其他无损检测技术的对比优势

对比射线检测：射线对平行缺陷检出率≤60%，相控阵垂直入射检出率≥95%，且无辐射风险。某核电站主管道检测，相控阵耗时2小时，检出率从70%提至98%，远优于射线。

对比常规超声：常规需多探头扫查30分钟，相控阵5分钟完成，成像直观新手也能判读。对比磁粉/渗透：磁粉仅测表面缺陷，相控阵能测内部50mm深缺陷，覆盖未熔合全位置。

综上，相控阵超声成像技术通过电子声束控制与高分辨率成像，精准解决了金属管道焊缝未熔合的检测难题，成为工业管道安全保障的核心技术。