王 旭，劉貴吉

(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

相控陣檢測(cè)技術(shù)聚焦深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

王 旭，劉貴吉

(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

超聲相控陣聚焦能將超聲能量聚焦于被檢區(qū)域，使檢測(cè)結(jié)果更加明顯，但缺陷定量結(jié)果受相控陣儀器聚焦深度的設(shè)置影響較大。利用超聲相控陣技術(shù)，通過(guò)真實(shí)深度聚焦模式對(duì)深度分別為4、9、13、18、23、29、35 mm的φ2 mm橫通孔進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：當(dāng)聚焦深度與缺陷孔深相同時(shí)，孔深和孔徑測(cè)量值誤差可達(dá)最小值；在孔深前后大約5 mm范圍內(nèi)進(jìn)行聚焦時(shí)，使用相控陣檢測(cè)方法對(duì)缺陷的定位定量相對(duì)較為準(zhǔn)確，可以將誤差控制在1 mm內(nèi)。

超聲波相控陣；深度聚焦；缺陷定量

0 引言

海洋石油天然氣開(kāi)發(fā)是世界上公認(rèn)的安全風(fēng)險(xiǎn)和施工難度最大的行業(yè)之一，具有技術(shù)含量高、施工難度大、作業(yè)環(huán)境惡劣、遠(yuǎn)離陸地、救援及逃生困難等特點(diǎn)。海洋鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)一旦發(fā)生安全事故，不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)危及人員生命安全，因此對(duì)海上平臺(tái)的無(wú)損檢測(cè)顯得尤為重要。

在海洋鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，由于存在大量厚壁管線，使用常規(guī)射線檢測(cè)作業(yè)效率低，且會(huì)遇到檢驗(yàn)空間受限及環(huán)境污染的問(wèn)題。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在一定程度上克服了射線作業(yè)所帶來(lái)的缺點(diǎn)，通過(guò)延遲法則和計(jì)算機(jī)技術(shù)控制聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)[1]，并能通過(guò)聚焦聲束提高檢測(cè)區(qū)域的超聲能量[2]，提高檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在海洋鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。但是，目前相控陣聚焦方式相對(duì)單一，根據(jù)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)通常將儀器聚焦深度設(shè)置在0.75倍板厚處。面對(duì)壁厚較大的工件檢測(cè)時(shí)，該聚焦方式所得到的聚焦效果不理想，檢驗(yàn)結(jié)果存在較大誤差。

1 相控陣檢測(cè)技術(shù)原理

超聲波相控陣技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)的單晶片超聲檢測(cè)技術(shù)的特殊應(yīng)用，其思想來(lái)源于惠更斯原理。其核心原理是波的干涉原理，通過(guò)延遲激發(fā)陣列中各個(gè)晶片,用激勵(lì)發(fā)出的時(shí)間引起相位干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。相控陣技術(shù)和傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)及射線檢測(cè)技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[7-9]：1)快速、靈活、性噪比高、可以對(duì)復(fù)雜檢測(cè)面進(jìn)行檢測(cè)且方向難以辨別的缺陷可檢測(cè)性增強(qiáng)；2)檢測(cè)效率高、檢驗(yàn)成本低、安全且無(wú)污染。根據(jù)所設(shè)置的聚焦法則的不同，相控陣檢測(cè)可以形成線性掃描、扇形掃描以及動(dòng)態(tài)深度聚焦等形式的電子掃描方式。這些掃描方式與掃查器相結(jié)合即可通過(guò)在指定的路徑上移動(dòng)相控陣探頭來(lái)完成被測(cè)件的整個(gè)體積的檢測(cè)。在扇形掃查中，根據(jù)掃查目的的不同，可以將聚焦模式分為如圖1所示的水平投影聚焦、真實(shí)深度聚焦、半聲程聚焦及聚焦平面聚焦4類[10]。本研究主要采用真實(shí)深度聚焦模式，通過(guò)調(diào)整聚焦深度來(lái)研究其對(duì)缺陷定量的影響。

圖1 聚焦類型Fig.1 Focus type

2 超聲相控陣探頭、楔塊及試驗(yàn)試塊選用

試驗(yàn)選用Omniscan MX2型超聲相控陣儀器，5L64A12型號(hào)超聲相控陣探頭及5L64A12N55S型號(hào)楔塊。其具體參數(shù)如表1所示。

表1 探頭、楔塊參數(shù)

由于實(shí)際缺陷的方向性對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，當(dāng)入射波束與缺陷面夾角為60°～90°時(shí)，缺陷的上下端點(diǎn)能有效地區(qū)分出來(lái)，測(cè)量值誤差減小；當(dāng)夾角大于90°時(shí)，測(cè)量誤差增大，這是因?yàn)樘筋^接收的缺陷反射波能量逐漸減弱[11-12]。

為了防止由于缺陷與相控陣聲束夾角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文采用橫通孔作為檢測(cè)目標(biāo)，用于進(jìn)行不同深度的聚焦測(cè)試?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一塊試塊進(jìn)行聚焦深度試驗(yàn)，試塊如圖2所示。該試塊規(guī)格為220 mm×20 mm×50 mm，在距中心線50 mm處有一列孔徑為2 mm的橫通孔，以滿足不同深度的人工缺陷檢測(cè)，各孔對(duì)應(yīng)深度依次為4、9、13、18、23、29、35 mm。

圖2 聚焦深度測(cè)試試塊Fig.2 Focus depth test block

3 超聲相控陣定量試驗(yàn)

為了研究相控陣檢測(cè)技術(shù)聚焦深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，利用所研制試塊進(jìn)行2組試驗(yàn)，用于驗(yàn)證不同情形下聚焦深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度。

第一組試驗(yàn)選定孔深T=18 mm、孔徑D=2 mm的橫通孔，不斷調(diào)整儀器聚焦深度Fd，觀察該孔的測(cè)量深度和孔徑變化，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，不同聚焦深度對(duì)該孔測(cè)量結(jié)果的影響曲線見(jiàn)圖3。

由表2和圖3可知：隨著聚焦深度不斷增加，對(duì)實(shí)際孔深為18 mm的缺陷進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，孔深和孔徑的測(cè)量誤差均先減小后增大，呈拋物線型式；當(dāng)聚焦深度為18 mm，即與實(shí)際孔深一致時(shí)，孔深的測(cè)量誤差達(dá)到最小，為0.1 mm，對(duì)實(shí)際孔徑為2 mm的缺陷進(jìn)行相控陣檢測(cè)時(shí)，孔徑測(cè)量誤差也達(dá)到最小值，為0.07 mm。

第二組試驗(yàn)將儀器聚焦深度Fd設(shè)置為18 mm不變，通過(guò)該聚焦法則對(duì)試塊上不同深度的孔(孔徑D=2 mm)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，不同孔深對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響曲線見(jiàn)圖4。

由表3、圖4可知：當(dāng)聚焦深度保持18 mm時(shí)，隨著實(shí)際孔深的不斷增加，孔深和孔徑的測(cè)量誤差均先減小后增大，呈拋物線型式；當(dāng)實(shí)際孔深為18 mm，即與聚焦深度一致時(shí)，孔深測(cè)量誤差達(dá)到0.1 mm的最小值，孔徑測(cè)量誤差也達(dá)到0.07 mm最小值。

表2 聚焦深度對(duì)測(cè)量孔深和孔徑精度的影響

圖3 聚焦深度對(duì)測(cè)量孔深和孔徑精度的影響曲線Fig.3 Influence curve of focus depth on hole depth and aperture measurement accuracy表3 相同聚焦深度下不同孔深對(duì)測(cè)量精度的影響Table 3 Influence of different deep hole on measurement accuracy in the same focus depth

mm

圖4 相同聚焦深度下不同孔深對(duì)測(cè)量精度的影響曲線Fig.4 Influence curve of different deep hole on measurement accuracy in the same focus depth

通過(guò)以上兩組試驗(yàn)結(jié)果可以看出：不管是不同聚焦深度對(duì)孔深和孔徑的測(cè)量，還是相同聚焦深度對(duì)孔深、孔徑的測(cè)量，超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷的誤差均呈拋物線型式；當(dāng)聚焦深度Fd=18 mm、缺陷實(shí)際孔深T=18 mm時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的孔深誤差ΔT和孔徑誤差ΔD最小，即Fd與T越接近，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際缺陷誤差越小，結(jié)果越精確。反之，聚焦深度設(shè)置與實(shí)際缺陷深度差值越大，產(chǎn)生的誤差也越大。

另外，可以從數(shù)據(jù)中看出，將相控陣系統(tǒng)聚焦深度設(shè)置在實(shí)際孔深T前后5 mm的范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果誤差較小，可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。即聚焦深度設(shè)置值附近有一個(gè)聚焦區(qū)域，大約為前后5 mm。在這個(gè)聚焦范圍由于聲束能量集中，使用相控陣檢測(cè)方法對(duì)缺陷的定位定量相對(duì)較為準(zhǔn)確。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

現(xiàn)在海洋石油平臺(tái)項(xiàng)目中存在大量壁厚尺寸較大的管線焊縫，以某在建項(xiàng)目中壁厚為30 mm厚的管線為例，如果根據(jù)以往檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，按照常規(guī)聚焦方式，將聚焦深度設(shè)置在2/3壁厚(20 mm)處時(shí)，焊縫中部分缺陷會(huì)產(chǎn)生漏檢或誤差較大現(xiàn)象。故當(dāng)一次聚焦深度范圍不能覆蓋整個(gè)焊縫時(shí)，應(yīng)該采用分段聚焦方式對(duì)該焊縫進(jìn)行相控陣掃查。

可以根據(jù)以下步驟進(jìn)行檢測(cè)：

1)將該焊縫分為3個(gè)區(qū)間段，即0～10、11～20、21～30 mm。并將聚焦深度分別設(shè)置為55、15、25 mm。

2)根據(jù)3個(gè)不同的聚焦深度建立相對(duì)應(yīng)聚焦法則，并進(jìn)行3次掃查工作，通過(guò)55 mm聚焦深度設(shè)置，利用小角度二次波掃查0～10 mm區(qū)間，通過(guò)15 mm聚焦深度設(shè)置掃查11～20 mm區(qū)間，通過(guò)25 mm聚焦深度設(shè)置，利用大角度一次波掃查21～30 mm區(qū)間，并分別取得相關(guān)數(shù)據(jù)。

3)進(jìn)行評(píng)圖分析。將所得到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析，根據(jù)缺陷所在大致位置確定該缺陷所在區(qū)間。以該區(qū)間數(shù)據(jù)做為該缺陷的掃查結(jié)果。

分段掃查的實(shí)際應(yīng)用，避免了常規(guī)檢測(cè)時(shí)由于聚焦深度設(shè)置因素所帶來(lái)的測(cè)量誤差，可以有效提高缺陷定位定量精確度，將誤差控制在1 mm內(nèi)。得到了項(xiàng)目業(yè)主的認(rèn)可，目前應(yīng)用該技術(shù)成功進(jìn)行了約1 200道大壁厚焊口的檢驗(yàn)工作。

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)聚焦深度與缺陷孔深相同時(shí)，孔深和孔徑測(cè)量誤差均達(dá)到最小值。以實(shí)際孔深18 mm為例，聚焦深度同為18 mm時(shí)，該測(cè)量誤差分別為0.1、0.07 mm。

2) 在使用超聲相控陣方法對(duì)某一厚度焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以采用分段聚焦方式，即進(jìn)行多次分段掃查，可以將定位定量誤差控制在1 mm范圍內(nèi)。

[1] 丁守寶,劉富君. 我國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(4):304-308.

[2] Olympus NDT. Advances in phased array ultrasonic technology applications[M]. Waltha: Olympus NDT,2007:17-36.

[3] 張志寬,孫鐘,孫小磊,等. 超大型海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù),2014,43(1):48-51.

[4] 單寶華,喻言,歐進(jìn)萍. 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)超聲相控陣檢測(cè)成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 海洋工程,2005,23(2):104-107.

[5] 劉曉睿,強(qiáng)天鵬,鄔冠華,等. 無(wú)楔塊條件下超聲相控陣的聚焦特性測(cè)試[J]. 無(wú)損檢測(cè),2012,34(3):38-41.

[6] 李錦,林書(shū)玉. 平面相控陣的尺寸對(duì)聲波聚焦效果的影響[J]. 應(yīng)用聲學(xué),2004,23(3):23-28.

[7] 靳世久,楊曉霞,陳世利,等. 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2014,28(9):925-934.

[8] 李生田,劉志遠(yuǎn). 焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:91-92.

[9] 敬人可,李建增,周海林. 超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2012,31(7):28-30.

[10] 李衍. 鋼焊縫相控陣超聲波探傷新技術(shù)[J]. 無(wú)損探傷,2002,26(3):1-5.

[11] Wooh S C, Shi Y J. A simulation study of the beam steering characteristics for linear phased arrays[J]. Journal of Nondestructive Evaluation,1999,18(2):39-57.

[12] 劉書(shū)宏,丁菊,張蒲根. 超聲相控陣點(diǎn)聚焦檢測(cè)缺陷定量精度研究[J]. 江蘇科技信息,2016(2):39-41.

Effect of Focus Depth on Test Results by Ultrasonic Phased Array Inspection

WANG Xu，LIU Gui-ji

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,ShandongQindao266520,China)

Ultrasonic phased array focusing ultrasonic energy on the inspected area to make the test results more obvious. The focus depth setting had great influence in defect quantification. This paper had detected the Φ2mm drill holes of different depth like 4,9,13,18,23,29,35 mm by using ultrasonic phased array scanning technology. As per the test result, when focus depth setting equal to the hole depth, the tolerance of the hole depth and the hole aperture will be 迷你mum. When the focusing zone in which ultrasonic beam energy concentrated is approximately 5mm front and after the focusing point setted, and the detecting and sizing the defect has better accuracy. The deviation could be controlled in the range of 1mm.

ultrasonic phased array; depth focusing; defect quantification

2016年9月20日

2016年11月25日

王旭(1990年-)，男，碩士，主要從事海洋鋼結(jié)構(gòu)無(wú)損檢驗(yàn)等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.005

1673-6214(2016)06-0357-04