王曉寧

（奧林巴斯（中國）有限公司，北京 100015）

相控陣技術(shù)作為無損檢測(cè)行業(yè)的新興技術(shù)，近20年來得到了快速的發(fā)展。20世紀(jì)90年代末，隨著復(fù)合壓電技術(shù)、微加工技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，相控陣技術(shù)日趨成熟，尤其是計(jì)算處理能力的增強(qiáng)使得軟件功能得到極大提升。

在相控陣技術(shù)出現(xiàn)之前，大多數(shù)焊縫使用射線技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但射線技術(shù)有一些比較明顯的缺點(diǎn)：對(duì)于平行于照射方向的缺陷的檢出率較低，無法測(cè)量垂直方向尺寸，測(cè)量結(jié)果受操作人員的主觀影響，對(duì)環(huán)境及操作人員的安全構(gòu)成潛在危險(xiǎn)，檢測(cè)效率較低等。幾十年來，主要的替代方法就是常規(guī)超聲，但同樣存在測(cè)量結(jié)果受操作人員的主觀影響，測(cè)量結(jié)果無法記錄等問題。而相控陣技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)焊縫檢測(cè)能力有了很大的提升，新的便攜相控陣設(shè)備可以使用線掃和扇掃同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)［1］。相控陣技術(shù)除了具有常規(guī)超聲的所有優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過多角度掃描、電子掃描和聲束控制可增加覆蓋率和檢測(cè)能力；降低對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和多探頭技術(shù)的要求；可使用常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)越來越受到重視。在新的 ASME B31標(biāo)準(zhǔn)中案例179［2］和181［3］就要求使用相控陣技術(shù)作為射線技術(shù)的替代方案來檢測(cè)小徑、薄壁管。由于小徑、薄壁管的檢測(cè)一直是相控陣檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)，真正能夠達(dá)到檢測(cè)要求的設(shè)備并不多。

1 系統(tǒng)組成

筆者公司基于對(duì)小徑、薄壁管的檢測(cè)要求開發(fā)了專用的Cobra掃查器，結(jié)合Omniscan MX設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)這樣的檢測(cè)。Cobra掃查器相控陣系統(tǒng)由以下單元組成（圖1）：掃查器、Omniscan相控陣探傷儀、CCEV相控陣探頭、楔塊、探頭轉(zhuǎn)接頭、注水系統(tǒng)和配件箱。

圖1 Cobra系統(tǒng)組成

Cobra相控陣系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：掃查器可用于直徑0.84～4.5″（21～114mm）的小徑管檢測(cè)；掃查器上使用的 A15探頭（16晶片）具有0.5″（12mm）的外形尺寸空間，因而可用于空間狹窄情況的檢測(cè)；彈簧加載的Cobra掃查器，使其不僅可以檢測(cè)鐵磁性材料，還可以檢測(cè)非鐵磁性材料。

系統(tǒng)使用相控陣探傷儀和軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)小徑管對(duì)接焊縫的全體積掃查，見圖2。

2 平面與曲面相控陣探頭的技術(shù)比較

Cobra專用的CCEV探頭集合了曲面晶片形成的機(jī)械聚焦和晶片矩陣排列形成的電子聚焦，這樣可大大提高聲束在零件內(nèi)部的檢測(cè)分辨率。圖3為平面和曲面相控陣晶片的示意圖，不同類型晶片的聲場(chǎng)效果見圖4。由圖可見，曲面晶片的聲場(chǎng)聚焦效果要更加理想。

使用CCEV相控陣探頭對(duì)70mm直徑管材上的1mm通孔；對(duì)70mm直徑管材上外表面6.9mm×0.5mm的刻槽；對(duì)38mm直徑管材上外表面6.6mm×0.5mm的刻槽分別進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5～7，使用－6dB衰減進(jìn)行測(cè)量。

試驗(yàn)可見，曲面相控陣探頭的尺寸測(cè)量精度更高，更接近真實(shí)值。

3 Cobra檢測(cè)形式及掃查結(jié)果

（1）對(duì)于對(duì)接環(huán)焊縫，可以使用兩個(gè)探頭在焊縫兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，如圖8（a）所示；而對(duì)于管材與法蘭的接頭處，可以使用單個(gè)探頭從一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，如圖8（b），因而Cobra的使用更加靈活。

（2）Cobra掃查器可掃查21～114mm管徑范圍的小徑管。圖9為對(duì)25mm管徑的小徑管的掃查結(jié)果。

（3）可以通過專用軟件對(duì)探頭的掃描角度和探頭間距在掃描之前進(jìn)行預(yù)設(shè)置，如圖10所示。

（4）不同類型的缺陷掃描結(jié)果見圖11。缺陷類型的判斷需要專業(yè)的無損檢測(cè)人員來進(jìn)行。

4 結(jié)論

筆者所在公司開發(fā)的手動(dòng)小徑管掃查器Cobra具有的獨(dú)特能力有：12mm空間高度；檢測(cè)直徑從21～114mm可調(diào)；可進(jìn)行單側(cè)掃描；在碳鋼和不銹鋼上都可檢測(cè)。并且，Cobra使用內(nèi)部聚焦探頭，能有效改善測(cè)量尺寸過大的問題；可使用聲束模擬工具對(duì)聲束路徑進(jìn)行模擬，來進(jìn)行掃查計(jì)劃的設(shè)置；雙側(cè)可同時(shí)A掃描、S掃描、C掃描圖像顯示；可對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量分析。

［1］ASME B31.3CC179—2006 Use of Ultrasonic Ex－amination in Lieu of Radiography for B31.3Applications for Materials 1／2〞and Less in Wall Thickness［S］.

［2］ASME B31.3CC181—2007 Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria［S］.

［3］Michael Moles.Phased array inspection of small－diameter pipe welds［J］.Inspection Trends，2011（1）：1－5.