楊宇清* 蔚道祥

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

目前GB/T 32563—2016《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè)相控陣超聲檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)適用于厚度為6～200 mm 的細(xì)晶鋼焊接接頭”。而在石油、化工等行業(yè)中大量使用管道的企業(yè)，其管道尺寸往往超出該范圍，而超出范圍的管道只能依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定“通過演示證明儀器系統(tǒng)具有足夠的檢測(cè)能力后，參照本標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)”。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)平板金屬材料，對(duì)于管道檢測(cè)校準(zhǔn)并沒有給出具體規(guī)定,特別是小徑管的曲率半徑小，曲面耦合聲能損失大，超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射時(shí)發(fā)散嚴(yán)重，探傷靈敏度低，給缺陷判定帶來較大困難。由此可見，雖然相控陣超聲標(biāo)準(zhǔn)已實(shí)施，但還需要通過企業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)的理論研究和大量試驗(yàn)，證實(shí)相控陣超聲的檢測(cè)能力后，才能將該項(xiàng)技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用中。在役壓力薄壁管道的管壁較薄，常規(guī)超聲檢測(cè)方法很難對(duì)其環(huán)焊縫進(jìn)行有效檢測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小徑薄壁管實(shí)施更加有效的檢測(cè)，本文提出了超聲相控陣檢測(cè)方法。

1 超聲相控陣檢測(cè)

超聲相控陣基本概念來源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣?yán)走_(dá)通過改變陣列天線中信號(hào)相位關(guān)系來實(shí)現(xiàn)改變天線發(fā)射波束指向的目的[1]。超聲相控陣技術(shù)是將相控陣探頭中多個(gè)晶片按照預(yù)先規(guī)定的設(shè)置(增益、振幅、延時(shí)等）進(jìn)行激發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的掃查方向偏擺、會(huì)聚以及波束合成等控制[2]。超聲相控陣的主要工作元件是換能器，換能器內(nèi)部由多個(gè)相互獨(dú)立的陣元按照一定規(guī)律排列，每個(gè)陣元都可以看成一個(gè)輻射超聲波的子波源[3-4]。在激發(fā)過程中，控制各個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的相位延遲、波形和幅度，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加成一個(gè)新的波陣面，從而實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦效果[5]；在接收過程中，按照同樣的聚焦法則進(jìn)行控制，由于換能器中超聲波按照一定延遲時(shí)間發(fā)射，在換能器接收信號(hào)時(shí)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)間補(bǔ)償，使接收信號(hào)達(dá)到相位一致[6]，最后將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，如圖1 所示。

圖1 超聲相控陣檢測(cè)原理示意圖

2 試塊

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試

在進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)之前，需要對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行線性校準(zhǔn)及靈敏度校準(zhǔn)。線性較準(zhǔn)的目的是使缺陷定位更加準(zhǔn)確，靈敏度校準(zhǔn)的目的是為了滿足最小缺陷的檢出性，以便確定檢測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)靈敏度。標(biāo)準(zhǔn)試塊主要是用于檢測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試以及增益補(bǔ)償。

對(duì)于曲率半徑小于200 mm 的管道， GB/T 32563—2016 標(biāo)準(zhǔn)中未詳細(xì)說明，而是提出了按照常規(guī)超聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。因此，對(duì)焊縫曲率較大的管道進(jìn)行線性校準(zhǔn)時(shí)，檢測(cè)面應(yīng)與被檢測(cè)工件曲率近似，且需要2 個(gè)不同聲程的反射體，可選擇小徑管焊接接頭超聲波檢驗(yàn)專用試塊（DL 試塊），進(jìn)行線性校準(zhǔn)時(shí)利用試塊的圓弧面確定聲速和探頭延遲情況。DL 試塊的參數(shù)及適用范圍如表1 所示。

表1 DL-1試塊參數(shù)及適用范圍

超聲相控陣儀器的線性和分辨率應(yīng)滿足一定要求， 根 據(jù)ASME2779 "2019 ASME Boiler & Pressure Vessel Code"中的相關(guān)規(guī)定，利用B 型試塊對(duì)儀器的深度分辨率、S 掃描視圖分辨率、水平分辨率等參數(shù)進(jìn)行較準(zhǔn)，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。B 型試塊的長(zhǎng)度為150 mm，如圖2 所示。

圖2 相控陣B型試塊示意圖（單位：mm）

2.2 檢測(cè)試塊

本次試驗(yàn)中共有2 塊管道焊縫試塊，管道規(guī)格如表2 所示，并在管道環(huán)焊縫中加工自然缺陷。

表2 驗(yàn)證試塊規(guī)格

3 檢測(cè)過程

3.1 檢測(cè)參數(shù)

超聲相控陣檢測(cè)掃查系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下。

（1）焊縫及工件參數(shù)

焊縫及待檢工件相關(guān)參數(shù)包括工件厚度、焊縫坡口參數(shù)等。在檢測(cè)軟件中繪制出焊縫的外形輪廓線，如圖3 所示。

圖3 焊縫外形輪廓模擬

（2）探頭位置和組件參數(shù)

為了使扇型掃查完全覆蓋焊縫及熱影響區(qū)域，檢測(cè)軟件根據(jù)輸入的探頭參數(shù)，直觀地得出掃查覆蓋范圍，如圖4 所示。在設(shè)置參數(shù)時(shí)需要保證扇形掃查圖中最小角度的反射波完全覆蓋焊縫熱影響區(qū)，本次試驗(yàn)中探頭檢測(cè)位置為探頭前沿距焊縫中心線約6～10 mm 處。

圖4 探頭組件位置所覆蓋范圍

（3）聚焦法則設(shè)置

在檢測(cè)軟件中需要輸入檢測(cè)所使用的波形（縱波或橫波）、聚焦深度和扇形掃查范圍。本文中扇形掃查時(shí)采用的波形為橫波，扇形掃查角度范圍為35°～70°，聚焦深度為焊縫厚度的2 倍，激發(fā)晶片為1～32 晶片。

（4）較準(zhǔn)

采用DL 試塊2 個(gè)弧面測(cè)試探頭延遲情況和聲速，得到超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)基線，可為檢測(cè)過程缺陷準(zhǔn)確定位奠定基礎(chǔ)，利用橫通孔進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度較準(zhǔn)。最后利用DL 試塊中2 mm 反射體制作距離-幅度（DAC）曲線。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷的評(píng)價(jià)方法

待檢對(duì)象為管道環(huán)焊縫，對(duì)檢測(cè)缺陷的評(píng)價(jià)主要可分為以下幾方面：（1）缺陷定量，包括缺陷長(zhǎng)度和缺陷的當(dāng)量；（2）缺陷定位，包括缺陷的深度，缺陷偏離焊縫中心線位置和缺陷的周向位置。

采用手動(dòng)超聲相控陣檢測(cè)，并配備管道掃查器，可實(shí)時(shí)得到探頭在管道周向的位置，在掃查過程中，若發(fā)現(xiàn)缺陷較易得出缺陷深度、偏離焊縫中心線位置和缺陷的周向位置。本文參照J(rèn)B/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3 部分：超聲檢測(cè)》中的定量方法，即采用DAC 曲線確定缺陷的當(dāng)量水平，缺陷長(zhǎng)度測(cè)量則采用6 dB 法或端點(diǎn)6 dB 法。

4 超聲相控陣檢測(cè)

本次試驗(yàn)使用相控陣儀器為OLYMPUS 公司的OMNi-Scan SX2 型號(hào)設(shè)備（具有實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能），該超聲相控陣儀最大可支持32 通道。選用5.0L32-1.0-10 型自聚焦線陣相控陣探頭，探頭頻率為5 MHz，陣元數(shù)為32。利用該儀器對(duì)2 塊試塊進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖5 和6 所示。

圖5 1500243試塊檢測(cè)結(jié)果

由圖5 中的A 掃描視圖和S 掃描視圖可知在該試塊中共發(fā)現(xiàn)3 個(gè)缺陷。圖5 a）中的缺陷1 深度為10.46 mm，長(zhǎng)度為5.31 mm，缺陷1 位于焊縫根部位置；圖5 b）中的缺陷2 深度為5.38 mm，長(zhǎng)度為5.08 mm，缺陷2 位于焊縫中；圖5 c）中的缺陷3 深度為0.96 mm，長(zhǎng)度為5.17 mm，缺陷3 位于焊縫表面。

圖 6 1500245試塊檢測(cè)結(jié)果

由圖6 中的A 掃描視圖和S 掃描視圖可知，在該試塊中共發(fā)現(xiàn)3 個(gè)缺陷。圖6 a）中的缺陷1 深度為12.58 mm，長(zhǎng)度為7.56 mm，缺陷1 位于焊縫根部位置；圖6 b）中的缺陷2 深度為3.62 mm，長(zhǎng)度為7.61 mm，缺陷2 位于焊縫中；圖6 c）中的缺陷3 深度為0.27 mm，長(zhǎng)度為6.97 mm，缺陷3 位于焊縫表面。

5 射線驗(yàn)證相控陣檢測(cè)

為了對(duì)比相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)在小口徑管道焊縫缺陷檢測(cè)中的差別，同時(shí)對(duì)2 塊自然缺陷試塊進(jìn)行射線檢測(cè)，將射線檢測(cè)結(jié)果和相控陣檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3 所示。

表3 相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

由表3 可知，相控陣檢測(cè)得到的缺陷長(zhǎng)度普遍大于射線檢測(cè)，這是因?yàn)槭浅曄嗫仃嚈z測(cè)得到的是缺陷沿周向的實(shí)際長(zhǎng)度，而射線平行穿過被檢測(cè)對(duì)象（管道），得到的是缺陷在射線底片上的投影長(zhǎng)度。

6 結(jié)論

試驗(yàn)證明超聲相控陣檢測(cè)方法對(duì)小徑薄壁鋼管道環(huán)焊縫具有一定的檢測(cè)靈敏度，宜采用自動(dòng)化掃查檢出缺陷，并測(cè)量缺陷長(zhǎng)度。對(duì)檢出的缺陷進(jìn)行手動(dòng)超聲相控陣鋸齒檢測(cè)，確定缺陷當(dāng)量。將超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果和射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，射線檢測(cè)得到的結(jié)果是缺陷在底片上的投影長(zhǎng)度，相控陣檢測(cè)結(jié)果是缺陷沿著管道周向的實(shí)際長(zhǎng)度，因此對(duì)于同一缺陷相控陣檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度大于射線檢測(cè)結(jié)果。