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        相控陣探頭楔塊磨損對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

        2019-10-31 01:10:42
        無損檢測(cè) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:楔塊聲束相控陣

        (葫蘆島北檢科技有限公司,葫蘆島 125001)

        相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是先進(jìn)的、可靠的無損檢測(cè)技術(shù),已經(jīng)應(yīng)用于我國(guó)主要工業(yè)領(lǐng)域,例如:“西氣東輸”管道工程中管道環(huán)焊縫的檢測(cè),安徽六安和安慶火力發(fā)電廠薄壁小徑管環(huán)焊縫的檢測(cè),汽輪機(jī)葉片根部和渦輪圓盤的檢測(cè)、火車輪軸檢測(cè)、核電站主泵隔熱板的檢測(cè)等。

        在實(shí)際相控陣超聲檢測(cè)應(yīng)用過程中,探頭的楔塊易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象,雖然有的相控陣設(shè)備具有楔塊磨損自校準(zhǔn)功能,但其校準(zhǔn)的是楔塊延時(shí),而沒有真正自校準(zhǔn)楔塊幾何尺寸,故原始楔塊角度沒有改變,因此并未解決實(shí)質(zhì)問題。

        相控陣探頭楔塊的磨損會(huì)帶來以下問題: ① 造成楔塊角度發(fā)生變化和缺陷定位出現(xiàn)偏差,使缺陷圖像顯示的位置發(fā)生改變,進(jìn)而給缺陷評(píng)定分析增加難度,會(huì)出現(xiàn)誤判或漏評(píng)的現(xiàn)象;② 造成扇形掃描偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化,聲束入射角的不同會(huì)導(dǎo)致反射率不同,從而使得波幅發(fā)生改變,甚至引發(fā)漏檢。

        而相控陣探頭楔塊加工工藝復(fù)雜,制作成本高,更換楔塊的成本較高,因此明確楔塊磨損程度及其更換時(shí)機(jī)尤為重要。筆者通過試驗(yàn)驗(yàn)證了楔塊磨損對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響程度,同時(shí)提出在相控陣超聲檢測(cè)過程中定期修正相控陣探頭楔塊參數(shù)的重要性以及更換楔塊的必要性。

        1 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)置

        1.1 相控陣超聲設(shè)備

        選用以色列的ISONIC-2009型相控陣超聲設(shè)備,采用按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式。

        1.2 相控陣探頭

        (1) 采用一維線形相控陣探頭,其參數(shù)為頻率7.5 MHz,晶片數(shù)為16,兩晶片中心線間距p=0.5 mm,單個(gè)晶片寬度e=0.4 mm,兩晶片間隙g=0.1 mm,曲面晶片的曲率半徑為35 mm。楔塊曲面直徑為60 mm。

        (2) 采用一塊完好未經(jīng)磨損的相控陣探頭楔塊(其幾何參數(shù)示意見圖1),楔塊角度α為39°,H1為10 mm,H2為2 mm,W1為8.12 mm,W2為18 mm。

        圖1 完好未經(jīng)磨損的楔塊幾何參數(shù)示意

        (3) 采用一塊磨損且參數(shù)已經(jīng)修正的相控陣探頭楔塊,楔塊角度α為41.9°,H1為9.42 mm,H2為0.56 mm,其他幾何參數(shù)與圖1中相同。

        1.3 參考試塊

        采用DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中的PGD-4試塊。

        1.4 掃查方式

        采用平行于焊縫方向的線性掃查方式。

        1.5 檢測(cè)對(duì)象

        檢測(cè)對(duì)象是規(guī)格(直徑×壁厚)為60 mm×8 mm的模擬缺陷試管,該試管中含有4個(gè)缺陷,分別是:1#根部未焊透缺陷,其圓周位置為20~50 mm;2#氣孔缺陷,其圓周位置為80~83 mm;3#坡口未熔合缺陷,其圓周位置為116~144 mm;4#氣孔缺陷,其圓周位置為159~163 mm。對(duì)此4個(gè)缺陷,相控陣超聲均能檢測(cè)出來。由于2#氣孔和4#氣孔參數(shù)相似,屬于一類缺陷,分析時(shí)以4#氣孔缺陷為代表。通過對(duì)根部未焊透缺陷、坡口未熔合缺陷及氣孔缺陷的檢測(cè)來驗(yàn)證楔塊磨損對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

        1.6 檢測(cè)設(shè)置參數(shù)

        一次激發(fā)16個(gè)晶片;相控陣探頭前端距焊縫邊緣距離為5 mm;扇掃角度范圍為38°~75°。

        2 檢測(cè)結(jié)果分析及結(jié)論

        2.1 根部未焊透缺陷

        2.1.1 根部未焊透缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)

        圖2 根部未焊透缺陷的設(shè)計(jì)尺寸

        根部未焊透缺陷的設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示,其長(zhǎng)度為(17±5) mm,深度為(6.5±1) mm,自身高度為(1.5±0.5) mm

        2.1.2 根部未焊透缺陷的射線檢測(cè)結(jié)果

        射線(DR)檢測(cè)得到根部未焊透缺陷的長(zhǎng)度為13.8 mm,如圖3所示。

        圖3 根部未焊透及坡口未熔合缺陷的射線檢測(cè)底片

        2.1.3 根部未焊透缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

        2.1.3.1 采用完好(未經(jīng)磨損)楔塊的檢測(cè)結(jié)果

        采用完好未經(jīng)磨損的楔塊對(duì)根部未焊透缺陷進(jìn)行檢測(cè),得到的圖像如圖4所示。該圖像為S掃描圖像,也就是主視圖。檢測(cè)時(shí)采用一次波,聲束角度為69.5°,波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí)增益為37.5 dB,深度為7.9 mm。

        圖4 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測(cè)根部未焊透缺陷的結(jié)果

        圖5 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)根部 未焊透缺陷的結(jié)果

        2.1.3.2 采用磨損楔塊的檢測(cè)結(jié)果

        (1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊對(duì)根部未焊透缺陷進(jìn)行檢測(cè),得到的圖像如圖5所示。檢測(cè)時(shí)采用一次波,聲束角度為68.5°,波高達(dá)到滿屏高度的80%時(shí)增益為41 dB,深度為7.9 mm。

        圖6 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)根部 未焊透缺陷的結(jié)果

        (2)楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊對(duì)根部未焊透缺陷進(jìn)行檢測(cè),得到的圖像如圖6所示。檢測(cè)時(shí)采用一次波,圖6(a)的聲束角度為73.5°,波高達(dá)到滿屏高度的80%時(shí)增益為40 dB,深度為6.9 mm。圖6(b)的聲束角度為71°,深度為7.9 mm,增益為40 dB時(shí)波高為滿屏高度的62.4%。

        2.1.3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

        (1) 采用DR射線技術(shù)檢測(cè)出了根部未焊透缺陷(見圖3),證明該缺陷是真實(shí)存在的。

        (2) 未焊透缺陷圖像在主視圖中顯示為位于焊縫根部的中間(見圖4),符合根部未焊透缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置。

        (3) 未焊透缺陷在主視圖中顯示為偏離焊縫根部中間的位置(見圖5),且偏向一側(cè),接近根部焊趾線位置,不符合根部未焊透缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置。說明楔塊磨損使得楔塊幾何尺寸發(fā)生了變化,進(jìn)而造成楔塊角度的改變,同時(shí)也使扇形掃描角度范圍發(fā)生了改變,而相控陣超聲設(shè)備還是按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的,從而導(dǎo)致缺陷圖像位置發(fā)生變化,進(jìn)而引起嚴(yán)重誤評(píng)。

        (4) 圖6中顯示的未焊透缺陷在接近焊縫根部中間的位置,符合根部未焊透缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置。圖7中的根部未焊透缺陷顯示的位置明顯優(yōu)于圖5中缺陷顯示的位置。說明楔塊磨損后參數(shù)經(jīng)過修正,并重新輸入至相控陣超聲設(shè)備探頭參數(shù)中,相控陣設(shè)備按照重新輸入的參數(shù)計(jì)算,最終使檢測(cè)結(jié)果得以正確顯示。

        (5) 從圖4~6中的根部未焊透缺陷定量參數(shù)(見表1)看,楔塊磨損不僅會(huì)造成缺陷圖像位置的變化,同時(shí)也會(huì)造成靈敏度的變化。由表1可見,圖5的聲束角度與圖4的角度相差為1°,兩圖的靈敏度相差為3.5 dB;圖6的聲束角度與圖4的角度相差4°,兩圖的靈敏度相差為2.5 dB。說明楔塊角度發(fā)生變化,聲束偏轉(zhuǎn)角度也會(huì)發(fā)生變化,最終導(dǎo)致缺陷定位和定量出現(xiàn)偏差。由此可得,楔塊磨損后,如不進(jìn)行參數(shù)修正,檢測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤評(píng),無法保證檢測(cè)質(zhì)量。

        表1 根部未焊透缺陷的定量參數(shù)

        圖7 坡口未熔合缺陷的設(shè)計(jì)尺寸

        2.2 坡口未熔合缺陷

        2.2.1 坡口未熔合缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)

        坡口未熔合缺陷的設(shè)計(jì)尺寸如圖7所示,其長(zhǎng)度為(13±5) mm,深度為(2.5±1) mm,自身高度為(2±0.5) mm。

        2.2.2 坡口未熔合缺陷射線檢測(cè)結(jié)果

        射線(DR)檢測(cè)得到的坡口未熔合缺陷長(zhǎng)度為10.24 mm,如圖3所示。

        2.2.3 坡口未熔合缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

        2.2.3.1 采用完好(未經(jīng)磨損)楔塊的檢測(cè)結(jié)果

        采用完好未經(jīng)過磨損的楔塊檢測(cè)坡口未熔合缺陷,得到的圖像如圖8所示。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為55°,波高達(dá)到滿屏高度的80%時(shí)增益為30 dB,深度為2.9 mm。

        圖8 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測(cè)坡口未熔合缺陷的結(jié)果

        2.2.3.2 采用磨損楔塊的檢測(cè)結(jié)果

        (1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)坡口未熔合缺陷,得到的圖像如圖9所示。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為51°,波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí)的增益為25 dB,深度為2.4 mm。

        圖9 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)坡口 未熔合缺陷的結(jié)果

        (2) 楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)坡口未熔合缺陷,得到的圖像如圖10所示。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為55.5°,達(dá)到滿屏高度80%時(shí)增益為34 dB,深度為2.8 mm。

        圖10 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)坡口 未熔合缺陷的結(jié)果

        2.2.3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

        (1) 采用DR射線技術(shù)檢測(cè)出了坡口未熔合缺陷(見圖3),證明該缺陷是真實(shí)存在的。

        (2) 坡口未熔合缺陷在主視圖中顯示為位于焊縫坡口面(見圖8),符合坡口未熔合缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置。

        (3) 坡口未熔合缺陷在主視圖中顯示為偏離焊縫輪廓(見圖9),也就是不在焊縫里,與焊縫坡口存在一定距離,不符合坡口未熔合缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置。說明楔塊磨損造成了楔塊角度的變化,也造成了扇形角度范圍的變化。而相控陣超聲設(shè)備仍按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,最終導(dǎo)致了缺陷圖像位置的改變,因此不能判斷該圖像顯示是缺陷顯示還是偽缺陷顯示。

        (4) 圖10中的圖像顯示,坡口未熔合缺陷位于焊縫坡口面外側(cè),接近焊縫坡口面,也符合坡口未熔合缺陷實(shí)際產(chǎn)生的位置,此圖顯示的缺陷位置遠(yuǎn)比圖9顯示的位置真實(shí)。這是由于楔塊磨損后參數(shù)得到了修正,且修正后的參數(shù)被重新輸入至相控陣超聲設(shè)備中,設(shè)備按照新輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,最終使檢測(cè)結(jié)果顯示在符合要求的位置。這也說明了楔塊在檢測(cè)過程中要定期修正的必要性。

        (5) 從圖8~10中坡口未熔合缺陷的定量參數(shù)(見表2)來看,楔塊磨損不僅造成了缺陷圖像位置的變化,同時(shí)也造成了靈敏度的變化。圖9的聲束角度與圖8的角度相差4°,靈敏度相差為5 dB;圖10的聲束角度與圖8的相差0.5°,靈敏度相差為4 dB。說明楔塊角度發(fā)生變化后,聲束偏轉(zhuǎn)角度也發(fā)生了變化,最終導(dǎo)致了缺陷定位和靈敏度的變化。這也說明楔塊磨損后,如不及時(shí)進(jìn)行參數(shù)修正或更換,檢測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)漏檢或誤評(píng)現(xiàn)象。

        表2 坡口未熔合缺陷的定量參數(shù)

        2.3 氣孔缺陷

        2.3.1 氣孔缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)

        氣孔缺陷的設(shè)計(jì)尺寸如圖11所示,其直徑為(3±0.5) mm,深度為(3.5±1) mm。

        圖11 氣孔缺陷的設(shè)計(jì)尺寸

        2.3.2 氣孔缺陷的射線檢測(cè)結(jié)果

        射線(DR)檢測(cè)出的氣孔缺陷尺寸為φ2.45 mm,檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

        圖12 氣孔缺陷的射線檢測(cè)底片

        2.3.3 氣孔缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

        2.3.3.1 采用完好未經(jīng)磨損的楔塊檢測(cè)結(jié)果

        采用完好未經(jīng)過磨損的楔塊檢測(cè)氣孔缺陷,得到如圖13所示的圖像。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為61.5°,波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí)增益為59.5 dB,深度為3.9 mm。

        圖13 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測(cè)氣孔缺陷的結(jié)果

        2.3.3.2 采用磨損楔塊的檢測(cè)結(jié)果

        (1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)氣孔缺陷,得到如圖14所示的圖像。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為56°,波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí)增益為62.5 dB,深度為2.6 mm。

        圖14 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè) 氣孔缺陷的結(jié)果

        (2) 楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

        采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè)氣孔缺陷,得到如圖15所示的圖像。檢測(cè)時(shí)采用二次波,聲束角度為63.5°,波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí)增益為60.5 dB,深度為4.4 mm。

        圖15 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測(cè) 氣孔缺陷的結(jié)果

        2.3.3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

        (1) 采用射線技術(shù)檢測(cè)出了氣孔缺陷(見圖12),證明該缺陷是真實(shí)存在的。

        (2) 氣孔缺陷在圖13的主視圖中顯示為位于焊縫中部,且處在焊縫輪廓中心線位置。

        (3) 圖14的主視圖顯示,氣孔缺陷偏離焊縫輪廓中心線,且處于焊縫中上部位置。說明楔塊磨損造成了楔塊角度的變化,也造成了扇形角度范圍的變化,而相控陣超聲設(shè)備仍按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,最終導(dǎo)致缺陷圖像位置的變化。

        (4) 圖15中顯示,氣孔缺陷位于焊縫輪廓中心線位置,且處于焊縫中下部。圖15顯示的缺陷位置明顯優(yōu)于圖14顯示的缺陷位置,與圖13中顯示的缺

        陷位置相當(dāng)。這說明楔塊磨損后修正的楔塊參數(shù)重新輸入至相控陣超聲設(shè)備中,設(shè)備按照新輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后,得到的結(jié)果顯示符合實(shí)際要求的位置。

        (5) 從圖13~15中氣孔缺陷的定量參數(shù)(見表3)來看,楔塊磨損不僅造成了缺陷圖像位置的變化,同時(shí)也造成了靈敏度的變化。圖14的聲束角度與圖13的角度相差5.5°,靈敏度相差3 dB;圖15的聲束角度與圖13的聲束角度相差2°,靈敏度相差1 dB。說明楔塊角度變化后,聲束偏轉(zhuǎn)角度也發(fā)生了變化,最終導(dǎo)致缺陷定位和定量出現(xiàn)偏差。

        表3 氣孔缺陷的定量參數(shù)

        2.4 結(jié)論

        楔塊參數(shù)未經(jīng)修正的檢測(cè)結(jié)果與原始楔塊參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果相比較,在最佳角度聲束波高達(dá)到滿屏高度的80%時(shí),聲束角度相差最大值為5.5°,靈敏度相差最大值為5 dB。楔塊參數(shù)修正后的檢測(cè)結(jié)果與原始楔塊參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果相比較,在最佳角度聲束波高達(dá)到滿屏高度80%時(shí),聲束角度相差最大值為4°,靈敏度相差最大值為4 dB。由此可斷定必須更換該相控陣探頭楔塊,否則會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        現(xiàn)場(chǎng)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,相控陣探頭楔塊磨損后,需對(duì)楔塊角度進(jìn)行評(píng)價(jià):當(dāng)實(shí)際測(cè)量的楔塊角度與楔塊標(biāo)稱值偏差范圍在-2°~+2°之間時(shí)[1],不必更換楔塊,也不需要重新修正楔塊幾何參數(shù);當(dāng)實(shí)際測(cè)量的楔塊角度與楔塊標(biāo)稱值偏差超出±2°時(shí),應(yīng)更換楔塊,或?qū)π▔K進(jìn)行修磨再重新輸入探頭幾何參數(shù)。

        3 結(jié)語

        相控陣超聲檢測(cè)過程中探頭楔塊磨損經(jīng)常發(fā)生,該磨損超出一定的范圍后,會(huì)使楔塊角度發(fā)生變化,進(jìn)而使扇形掃描角度范圍發(fā)生變化,從而導(dǎo)致缺陷圖像的顯示位置和波幅發(fā)生變化,最終導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此,必須定期監(jiān)測(cè)楔塊的磨損狀態(tài),在楔塊角度偏差允許的范圍內(nèi),檢測(cè)結(jié)果可以接受,否則會(huì)出現(xiàn)漏檢或誤評(píng)現(xiàn)象。只有這樣,才能既科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地控制檢測(cè)成本,又能保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性,同時(shí)保證工程或產(chǎn)品的質(zhì)量。

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