陳楊新

（江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院南昌分院，江西 南昌 330006）

傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)在準(zhǔn)確性方面存在一定不足，其應(yīng)用價(jià)值逐漸低落，被超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)取代已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢(shì)。將該技術(shù)應(yīng)用于承壓特種設(shè)備焊縫檢驗(yàn)并充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)焊縫全覆蓋檢測(cè)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫中存在的各種內(nèi)部缺陷，對(duì)增強(qiáng)檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性、切實(shí)提高檢測(cè)質(zhì)量具有積極影響。

1 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用原理與優(yōu)點(diǎn)

1.1 含義與原理

超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)的思想來(lái)源是雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)，后者通過(guò)控制排成陣列的輻射單元相位與幅度調(diào)整電磁波輻射方向，以此實(shí)現(xiàn)快速聚焦掃描的目的。與此相似，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)利用單一晶片探頭激發(fā)超聲波，由于超聲波在同一傳播方向上角度不變，所以在應(yīng)用該技術(shù)開(kāi)展檢驗(yàn)工作時(shí)，應(yīng)注意角度的調(diào)整，避免出現(xiàn)漏檢問(wèn)題。

1.2 優(yōu)點(diǎn)與特征

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)的特征表現(xiàn)為波束偏轉(zhuǎn)與波束聚焦兩方面，圖1左側(cè)表示波束偏轉(zhuǎn)，右側(cè)代表波束聚焦。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：第一，生成的波束角度與聚焦深度具有可控性；第二，能夠?qū)娜轿?、多角度?duì)設(shè)備進(jìn)行高速檢測(cè)；第三，在檢驗(yàn)過(guò)程中既不需要移動(dòng)和更換探頭，也不必采用復(fù)雜裝置；第四，控制聚焦范圍與波束方向的能力比較強(qiáng)，有利于提高缺陷檢出率，降低設(shè)備故障發(fā)生率。

圖1 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)特征表現(xiàn)

2 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)在承壓特種設(shè)備焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1 科學(xué)選擇探頭

超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)探頭質(zhì)量要求較高，因此為了確保該技術(shù)在承壓特種設(shè)備焊縫檢驗(yàn)中充分發(fā)揮自身功能優(yōu)勢(shì)，必須科學(xué)選擇探頭。首先，需要對(duì)探頭的晶片陣列進(jìn)行選擇，目前應(yīng)用價(jià)值比較高的陣列主要有線性、矩形、環(huán)形等幾種，其中使用范圍最廣的是線性陣列。其次，確定并調(diào)整探頭頻率，頻率越高，探頭的靈敏度越高、分辨力越強(qiáng)，檢驗(yàn)結(jié)果越真實(shí)，但在實(shí)際使用過(guò)程中需要根據(jù)焊縫所處設(shè)備的材質(zhì)確定頻率，具體可參考：晶粒細(xì)的碳鋼頻率范圍是2.5～5（MHz），晶粒粗的不銹鋼焊縫頻率區(qū)間為1～2.5（MHz）[1]。最后，保證探頭尺寸的合理性，對(duì)于壁厚焊縫，可以選擇尺寸較大的探頭，原因是其包含的晶片數(shù)量較多，能夠利用聚焦法則一次性激發(fā)多組功能不同的波束，焊縫檢驗(yàn)的覆蓋范圍比較廣；對(duì)于壁薄且不平整的焊縫，為了突破空間與形狀的限制，應(yīng)選擇尺寸相對(duì)較小的探頭。

2.2 應(yīng)用聲束模擬軟件檢測(cè)

特種設(shè)備焊縫檢驗(yàn)區(qū)域主要包括焊縫內(nèi)部、鄰近區(qū)域、熱影響區(qū)，為了保證超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)發(fā)出的波束有效覆蓋所有被檢區(qū)域，應(yīng)采用聲束模擬軟件對(duì)波束傳播進(jìn)行模擬，以此實(shí)現(xiàn)提高超聲波相控陣檢測(cè)質(zhì)量的目的。Setup Builder聲束模擬是目前應(yīng)用性較強(qiáng)的一款軟件，以理論聲學(xué)公式為基礎(chǔ)，對(duì)不同型號(hào)換能器在不同環(huán)境與工藝條件下產(chǎn)生的波束進(jìn)行計(jì)算，為檢驗(yàn)工作提供參數(shù)支持，充分發(fā)揮該軟件的作用，對(duì)改善波束信噪比與增強(qiáng)穿透力具有重要意義。

2.3 結(jié)合實(shí)際情況采用不同掃查法

在應(yīng)用超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)特種設(shè)備焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇掃查法?，F(xiàn)階段比較常用的掃查法主要是分區(qū)掃查與線性掃查：第一，分區(qū)掃查法是指將焊縫分為若干分區(qū)，對(duì)每個(gè)分區(qū)的高度進(jìn)行控制，針對(duì)每個(gè)分區(qū)安排一組超聲波波束，基于焊縫坡口角度確定波束檢測(cè)角度，以此完成焊縫檢驗(yàn)工作；為了確保分區(qū)掃查效果，通常會(huì)采用專用校準(zhǔn)試塊進(jìn)行控制，根據(jù)不同材質(zhì)、不同直徑、不同壁厚的特種設(shè)備選擇針對(duì)性較強(qiáng)的試塊，為提高焊縫檢驗(yàn)工作質(zhì)量提供支持[2]。第二，線性掃查是指沿著特種設(shè)備焊縫做直線運(yùn)動(dòng)，在應(yīng)用線性掃查法時(shí)，超聲波波束的主要面向?qū)ο蟮恼麄€(gè)焊縫被檢區(qū)域，相較于傳統(tǒng)的鋸齒形掃查法，線性掃查法覆蓋的區(qū)域更廣；另外，該掃查法需要利用多個(gè)探頭進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)，但因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向單一且操作方式簡(jiǎn)單，因而可以將其與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，如此既能提高超聲波相控陣檢測(cè)效率，又能優(yōu)化人力資源配置，對(duì)減少人為操作失誤、規(guī)避漏檢現(xiàn)象具有積極影響。

2.4 基于實(shí)際確定工藝參數(shù)

為了提高超聲波相控陣檢測(cè)效果，檢測(cè)人員在正式開(kāi)展相關(guān)工作之前需要先綜合分析實(shí)際情況，并基于此確定參數(shù)，目前對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響性較強(qiáng)的參數(shù)主要有波束類型、波束角度、激發(fā)的晶片數(shù)量、探頭偏移、聚焦范圍等。若想保證確定的工藝參數(shù)符合超聲波相控陣功能充分發(fā)揮要求，檢測(cè)人員還需要遵循以下基本原則：波束覆蓋范圍必須概括熱影響區(qū)、檢測(cè)區(qū)，以及除此之外的6mm區(qū)；利用經(jīng)儀器對(duì)初步設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，確?？梢猿晒νㄟ^(guò)認(rèn)證試塊認(rèn)證；符合超聲波相控陣檢測(cè)標(biāo)注規(guī)范中提出的其他要求。

檢測(cè)人員在確定工藝參數(shù)時(shí)，可以借鑒以下方法降低影響因素的限制：第一，波束類型，面對(duì)晶粒相對(duì)較粗且材質(zhì)為不銹鋼的承壓特種設(shè)備焊縫檢測(cè)，檢測(cè)人員需要采用縱波角度入射法，相較于傳統(tǒng)橫波波束的一次反射法，能夠有效解決衰減嚴(yán)重、信噪比差等問(wèn)題。第二，波束角度，在選定該角度范圍時(shí)，檢測(cè)人員要充分考慮承壓特種設(shè)備焊縫尺寸等實(shí)際情況，基于此科學(xué)選擇楔塊，主要原因是波束角度一般在廠家推薦的楔塊閾值內(nèi)，為了保證檢測(cè)效果，應(yīng)盡量擴(kuò)大波束范圍，尤其是壁厚相對(duì)較大的焊縫，若是波束范圍過(guò)小，便無(wú)法全面覆蓋被檢區(qū)域，會(huì)減弱檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性。第三，激發(fā)的晶片數(shù)量與位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響性較大，被激發(fā)的晶片數(shù)量越多且位置正確，有效晶片的尺寸就會(huì)越大，極大程度上增強(qiáng)了發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷的能力，對(duì)擴(kuò)大可聚焦范圍、提高檢測(cè)質(zhì)量具有積極影響；正常條件下，晶片數(shù)量以16為最佳，其他情況可以根據(jù)壁厚、聲波衰減系數(shù)適當(dāng)增加或減少[3]。第四，探頭偏移是指承壓特種設(shè)備焊縫中心與探頭前沿的距離，當(dāng)焊縫存在余高時(shí)，必須保證探頭偏移足夠，這是避免因探頭前沿壓在焊縫余高上使其無(wú)法耦合的關(guān)鍵，對(duì)此檢測(cè)人員要在保證覆蓋被檢區(qū)域的前提下，對(duì)探頭偏移進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使被激發(fā)的晶片始終處于探頭中間位置。第五，聚焦范圍，超聲波相控陣與常規(guī)超聲波的不同之處在于前者可以實(shí)現(xiàn)波束的動(dòng)態(tài)聚焦，當(dāng)聚焦區(qū)域內(nèi)的超聲波能量較強(qiáng)時(shí)，檢測(cè)設(shè)備的靈敏度與分辨力相對(duì)較高，因此針對(duì)尺寸較小的尺寸，檢測(cè)人員要將聚焦范圍設(shè)置在焊縫中間；對(duì)于某區(qū)域的特定缺陷，聚焦范圍應(yīng)集中于一點(diǎn)；面對(duì)壁厚逐漸增加的現(xiàn)象，可以先將焊縫劃分為不同區(qū)域，再分別采用不同波束進(jìn)行聚焦檢測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行全方位、多角度的高速檢測(cè)，在控制聚焦范圍、調(diào)整波束方向、檢測(cè)缺陷等方面具有良好作用。因此為了確保該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在特種設(shè)備焊縫檢驗(yàn)充分發(fā)揮，必須科學(xué)選擇探頭、合理應(yīng)用聲束模擬軟件并基于實(shí)際情況選擇掃查法，以此彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的不足。