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(海洋石油工程股份有限公司，青島 266520)

焊縫超聲相控陣檢測工藝參數的選擇

劉貴吉,于德軍,李江

(海洋石油工程股份有限公司，青島 266520)

指出在焊縫檢測時傳統(tǒng)檢測方法的優(yōu)缺點，以及使用超聲波相控陣方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法檢測焊縫的優(yōu)勢。介紹了超聲波相控陣檢測系統(tǒng)的組成、相控陣技術的參數，以及正確選擇超聲波相控陣檢測工藝參數的重要性。通過對某焊縫進行超聲相控陣檢測的實踐經驗，說明在實際應用中檢測工藝參數的選擇對檢測結果的影響。

焊縫檢測；超聲波相控陣；工藝參數

目前,國內船舶建造中的檢測大多仍采用傳統(tǒng)的超聲波與X射線檢測方法，雖然這些技術已較為成熟，但耗費時間較長，過程相對復雜。此外，射線的電離輻射對人體存在一定的危害性，并且在船體合攏后,部分焊口由于空間有限需要縮短拍片焦距，從而會導致底片質量下降,影響缺陷的檢出率。相比之下，超聲相控陣檢測方法則方便靈活、無輻射、不影響周邊施工，可檢測大壁厚材料，遇到構架也不需開孔和封孔，在作業(yè)現(xiàn)場可單面操作，并可定位缺陷深度，返修方便，從而可以有效降低檢測成本、加快施工進度。同時，采用超聲相控陣檢測方法檢測時，只需將檢測設備與電腦連接即可獲得檢測結果，該方法更為及時、快捷[1]。但在檢測開始前，正確地選擇檢測參數是成功使用超聲相控陣檢測的基礎,否則可能會出現(xiàn)漏檢、誤判等現(xiàn)象，給質量和施工帶來不便。筆者通過對某焊縫進行超聲相控陣檢測，說明在實際應用中檢測工藝參數的選擇對檢測結果具有很大影響。

1 超聲相控陣檢測系統(tǒng)組成部件的選擇

超聲相控陣檢測系統(tǒng)主要包括由探傷儀、探頭、楔塊等組成的硬件及由激發(fā)晶片、聚焦范圍、掃查角度范圍、角度步進等組成聚焦法則的軟件部分[2]。檢測系統(tǒng)參數的選擇主要指硬件和軟件系統(tǒng)參數的選擇，正確地選擇其參數對于有效地發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷定位、定量甚至定性都是至關重要的，實際檢測中要根據被檢工件的結構形狀、尺寸、加工工藝和技術要求來選擇。

1.1儀器的選擇

目前國內外相控陣儀器品牌種類較多，不同儀器性能各有特點，應根據檢測要求和現(xiàn)場條件來選擇檢測儀器。

(1) 應選擇水平線性和波幅線性較好的儀器，以更準確地對缺陷定位及定量。測定方法及最大誤差要求可參考標準ASTM SE-2491StandGuideforEvaluatingPerformanceCharacteristicofPhasedArrayUltrasonicTestingInstrumentsandSystem。

(2) 實際工程檢測應用環(huán)境多以車間或室外為主，宜選擇輕巧便攜、屏幕光亮度好、操作系統(tǒng)簡便的儀器。

(3) 超聲相控陣系統(tǒng)有一系列的發(fā)射器和接收器，并且其數量通常為16的倍數，這是儀器施加一組聚焦法則對激發(fā)探頭晶片最多數量的限制。比如對于一個32/128的相控陣系統(tǒng)，有32通道的發(fā)射器和32通道的接收器，并且能夠切換到支持128通道的探頭，但在單個聚焦法則中，任意一次激發(fā)的晶片最大數量為32，對于未用的通道可以用作單晶探頭的某些檢測，比如一對TOFD探頭的檢測。

1.2探頭和楔塊的選擇

(1) 探頭晶片陣列：探頭陣列可分為很多種形式，如線性陣列、矩形陣列、環(huán)形陣列等[3]。目前焊縫檢測中比較常用的為線性陣列探頭，對于某些需要一發(fā)一收裝置的可用雙線性陣列探頭，如DMA探頭。

(2) 探頭頻率：頻率的高低對檢測有較大的影響。頻率越高，靈敏度和分辨力越高，對檢測有利；但頻率越高，衰減越大，又對檢測不利。實際檢測中要全面分析各方面因素，合理選擇頻率。一般對于晶粒稍細的碳鋼焊縫，常用頻率范圍為2.5 MHz～5 MHz，對于一些薄壁焊縫，頻率可以為7.5 MHz；對于晶粒粗大的不銹鋼焊縫，宜選用較低的頻率，一般選用頻率范圍為1 MHz～2.5 MHz；如果是縱波檢測，可用頻率范圍為2 MHz～4 MHz。如果頻率過高，就會引起嚴重的衰減，信噪比下降，甚至造成無法檢測。

(3) 探頭尺寸：探頭的尺寸由各晶片尺寸(橫截面積)、晶片間的距離及晶片數量等決定。尺寸大的探頭通常包含數量多的晶片或尺寸大的單個晶片，可以一次性通過多種聚焦法則激發(fā)形成多組功能不同的聲束，通過一次性掃查就可以覆蓋焊縫不同的區(qū)域，宜適用于相對壁厚較大的焊縫。但對于某些小型工件，掃查空間或幾何形狀受限、掃查面不太平整的情況，宜選用尺寸較小的探頭[4]。

(4) 楔塊：和常規(guī)超聲波不同，相控陣波形種類和波束偏轉不是固定的，而是通過聚焦法則和楔塊來實現(xiàn)的。楔塊的選擇首先是和探頭相互匹配，然后再根據聚焦法則選擇波型種類，對于有曲率的工件，可以選擇跟工件曲率相同或相近的楔塊。

2 超聲相控陣檢測的工藝參數

通過相控陣系統(tǒng)激發(fā)出聲束的參數需要綜合考慮多方面因素,聲束掃描方式、激發(fā)的晶片數量及位置、聲束波型、探頭偏移、聲束角度、聚焦范圍等都影響著檢測結果。工藝參數的選擇應遵循以下基本原則：

(1) 聲束能夠覆蓋被檢焊縫所有體積、熱影響區(qū)及其以外6 mm的區(qū)域。

(2) 所設置的參數經儀器調校后，應在認證試塊上認證成功。

(3) 符合標準規(guī)范的其他要求。

2.1聲束掃描方式

在焊縫檢測中，通常使用扇形掃描(S掃)，但在某些特殊情況下，為發(fā)現(xiàn)某特定區(qū)域的缺陷，可輔以線性掃查(E掃)方式，如針對坡口未熔合缺陷，設置一組與坡口垂直的線性掃查是非常有效的(見圖1)，利用藍色扇掃覆蓋焊縫內部、根部及熱影響區(qū)，而紅色的線掃則是專門針對坡口區(qū)域而設定的。但對于大部分標準來說，這并非是強制要求。

圖1 相控陣檢測線性掃查方式示意

2.2聲束類型

在檢測焊縫時，通常采用橫波聲束以及一次反射法來掃查焊縫，但對于晶粒相對粗大的不銹鋼焊縫， 有時即使采用低頻的橫波，依然存在著衰減嚴重、信噪比差的情況。此時，采用縱波角度入射不失為一種好的解決方法，如某公司為檢測不銹鋼而設計開發(fā)的DMA探頭，就是利用縱波一發(fā)一收的原理。

2.3聲束角度范圍

聲束角度范圍的選定則應綜合考慮選擇的楔塊及焊縫尺寸， 任一楔塊都有其中心角度，選擇的角度范圍宜在楔塊廠家推薦值的范圍內，以保證聲束的可靠性和可控性。聲束角度范圍越小，覆蓋焊縫體積越有限，這樣一組聲束可能不能完全覆蓋被檢區(qū)域，所以應在廠家推薦值的范圍內，盡量選擇大范圍的聲束。但對于大壁厚焊縫的檢測或其他情況下，當一組聲束設置成最大范圍后，仍不能有效覆蓋被檢區(qū)域時，則應增加一組或多組聲束。

2.4探頭偏移和晶片激發(fā)起始位置

探頭偏移一般指焊縫中心到探頭前沿的距離，其和晶片激發(fā)起始位置同時影響著探頭、聲束和焊縫的相對位置。在焊縫存在余高的情況下，應保證有足夠的探頭偏移，避免探頭前沿壓在焊縫余高上而導致無法耦合，通常在保證覆蓋被檢區(qū)域的前提下，調節(jié)探頭偏移使得被激活晶片處于探頭的中間位置(見圖2)。

圖2 探頭偏移原理示意

2.5激發(fā)晶片數量

被激發(fā)晶片的數量越多，有效晶片的尺寸就越大，輻射超聲波的能量也就越大，發(fā)現(xiàn)遠距離缺陷的能力越強。同時，近場區(qū)也隨著晶片尺寸的增大而增大，可聚焦的范圍廣，對檢測有利。但過多的激發(fā)晶片對相控陣系統(tǒng)也提出了更高的要求，如需要激發(fā)32晶片時，16/128的設備則不能實現(xiàn)，至少需要使

用32/128的設備；另外增加激發(fā)晶片數量會影響掃查速度，還會加重數據存儲的負擔。一般材料檢測時推薦激發(fā)16晶片即可，對于厚壁或聲波衰減系數稍大的材料可適當增加晶片數量。

2.6聚焦范圍

和常規(guī)超聲波不同，超聲相控陣系統(tǒng)能實現(xiàn)聲束的動態(tài)聚焦，而眾所周知，在聚焦區(qū)域，聲波能量越集中，靈敏度和分辨力越高，所以正確設定聚焦區(qū)域尤為重要。對于尺寸相對較小的焊縫，將聚焦區(qū)域設置在焊縫的中間即可，但隨著壁厚的增加，可將焊縫劃分為幾個區(qū)域，分別用不同的聲束聚焦來檢測。另外，如果要精確發(fā)現(xiàn)某一區(qū)域的缺陷，可將聚焦點設置在這一區(qū)域。

3 工藝參數的選擇實例

對某LNG(液化天然氣)平臺建造過程中管線對接焊縫進行相控陣檢測,被檢材料為A333鋼(低溫碳鋼)，焊接工藝為氬弧焊，坡口形式為“V”型，管徑為200 mm，壁厚為12.7 mm。采用的檢測設備為OMNISCAN MX1或MX2，探頭型號為5L32-A11，楔塊型號為SA11-N55S-AOD8.625。相控陣系統(tǒng)與探頭的參數選擇如表1所示。

表1 相控陣系統(tǒng)與探頭的參數選擇

檢測時最多一次激發(fā)16個晶片，超聲相控陣設備應至少含16通道，MX1為16/128，MX2為32/128。被檢材料為普通碳鋼，為非高衰減系數材料，為得到更好的靈敏度和分辨力，選用5 MHz探頭即可；同時A11探頭比A12探頭小，對于直徑為200 mm的管線耦合效果更好。A11探頭匹配的楔塊為SA11系列，根據工藝模擬采用橫波檢測，即采用中心角度為55°的橫波楔塊，同時為達到更好的耦合效果，楔塊宜帶有和被檢工件接近的曲率(楔塊直徑應稍大于被檢工件，否則楔塊中心處無法與工件緊密接觸)。

被檢焊縫的壁厚和體積都相對較小，使用一組扇掃就能夠使聲束有效覆蓋被檢體積，同時對于高危險性的坡口未熔合缺陷，則使用和坡口相垂直的線掃加以輔助。波束類型則都使用橫波一次反射法。被檢焊縫表面寬度為18 mm，則探頭偏移至少是9 mm。扇掃的波束范圍覆蓋了焊縫及其熱影響區(qū)，同時也在廠家推薦范圍內。聚焦范圍設置在焊縫中心處。

探頭偏移、激發(fā)晶片及波束范圍均由被檢焊縫本身決定，但都不是一個絕對的固定數值，這些數值可以通過聲束模擬軟件模擬、修改和確認，工藝的模擬結果如圖3所示。

圖3 某焊縫相控陣檢測工藝模擬結果示意

圖4 某焊縫的超聲相控陣與射線檢測結果示意

利用此工藝進行焊縫檢驗，經過掃查并分析數據，發(fā)現(xiàn)長度為7 mm的根部缺陷。特對此焊縫進行射線檢測，結果與超聲相控陣檢測結果相符(見圖4)。

4 結語

超聲相控陣檢測系統(tǒng)有明顯的優(yōu)越性，但其系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)超聲檢測略復雜，在制定其檢測工藝時，應綜合考慮各項因素，并且一定要通過試驗來驗證其檢測效果，若在試驗過程中發(fā)現(xiàn)漏檢、信噪比太差等不利因素，應對工藝參數進行調整。

[1] 單寶華,喻言，歐進萍,等. 海洋平臺結構超聲波相控陣技術的發(fā)展及應用[J]. 海洋工程，2005, 23 (2) :104-107.

[2] 周琦,劉方軍，李志軍,等.超聲相控陣成像技術與應用[J].兵器材料科學與工程，2002,25 (3) :34-37.

[3] 牟彥春,朱曉智, 金南輝.超聲相控陣檢測技術在電站鍋爐厚壁管道檢測中的應用[J].無損檢測,2014,36(9):59-61.

[4] 李陽,唐創(chuàng)基, 李男,等.相控陣超聲檢測技術在海洋工程小管徑對接焊縫檢驗中的應用[J].無損檢測,2013,35(9):41-44.

SelectionofTechnologicalParametersforPhasedArrayUltrasonicTestingofWeld

LIU Guiji, YU Dejun, LI Jiang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Qingdao 266520, China)

This paper indicated the advantage and disadvantage of traditional testing for weld inspection, and showed the benefit of using ultrasonic phased array instead of RT, but this should be based on the correct parameter setting up. The content introduces the system of phased array ultrasonic testing and its parameters & essential variable,and it is important to select these parameters as they may affect the test result.

weld inspection; ultrasonic phased array; technological parameter

2017-03-22

劉貴吉(1986-),男,工程師,主要從事無損檢測工藝開發(fā)研究

劉貴吉,luigj@mail.cooec.com.cn

10.11973/wsjc201711016

TG115.28

B

1000-6656(2017)11-0068-03