李 洋 陳積樂

（1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司 2.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

隨著無損檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的高新無損檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用在生產(chǎn)活動(dòng)中，諸如衍射時(shí)差法檢測(cè)（TOFD）、數(shù)字射線檢測(cè)（DR）、相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）等技術(shù)發(fā)展日趨成熟，給無損檢測(cè)工作帶來了極大便利。在高新無損檢測(cè)技術(shù)中，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已逐漸發(fā)展完善。相控超聲檢測(cè)技術(shù)是把n個(gè)相互獨(dú)立的壓電單元按一定順序進(jìn)行排列組合，形成特定陣列，通過控制每個(gè)陣元的相對(duì)時(shí)間延時(shí)來激勵(lì)發(fā)射超聲波波束在檢測(cè)物體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)聚焦、偏轉(zhuǎn)或聚焦偏轉(zhuǎn)，在接收回波信號(hào)后通過延時(shí)補(bǔ)償、信號(hào)疊加等一系列處理，使物體內(nèi)部信息更清晰、直觀地表現(xiàn)出來[1]。相控陣超聲是檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的重要手段，其優(yōu)勢(shì)十分明顯，既具備對(duì)面積型缺陷檢測(cè)時(shí)高度靈敏的特性，又具有直觀的缺陷顯示圖像，因此相控陣超聲檢測(cè)在各行業(yè)的無損檢測(cè)中應(yīng)用越來越廣泛。

在小徑管環(huán)焊縫無損檢測(cè)中，相控陣超聲檢測(cè)方法已得到應(yīng)用[2]。在管道焊縫檢測(cè)中，PAUT具有較高的檢出率，95%置信度下達(dá)到90%檢出率的缺陷尺寸為0.92 mm[3]。相控陣換能器由多個(gè)壓電晶片組成，一次檢測(cè)中進(jìn)入工件中的聲束具有多個(gè)角度，減少了探頭的移動(dòng)距離，為檢測(cè)效率的提升奠定基礎(chǔ)。通過聚焦法則控制超聲脈沖延時(shí)，可實(shí)現(xiàn)聲束在工件中聚焦，獲得良好的檢測(cè)靈敏度。焊縫PAUT檢測(cè)是以成像顯示檢測(cè)結(jié)果,即將采集的三維數(shù)據(jù)體按照實(shí)際的物理位置關(guān)系重構(gòu)后顯示在不同平面上的圖像。目前的相控陣超聲檢測(cè)儀器能提供多種成像顯示，如A型顯示、S型顯示、C型顯示等，為檢測(cè)人員判別缺陷真?zhèn)翁峁┝藥椭?，使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

小徑管環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測(cè)屬于曲面工件的檢測(cè)，相對(duì)于平面工件的檢測(cè)，曲面工件的檢測(cè)更加復(fù)雜。曲面工件的檢測(cè)效果根據(jù)不同的曲率半徑而不同，曲率半徑越小，檢測(cè)效果越差，這就給小徑管的檢測(cè)工作帶來了困難。因此，分析不同管徑相控陣超聲檢測(cè)成像機(jī)制，是提升小徑管環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測(cè)效果的關(guān)鍵。

1 成像機(jī)制

采用相控陣超聲檢測(cè)曲面工件時(shí)，不同的曲率半徑對(duì)檢測(cè)效果有著不同的影響。在相控陣超聲小徑管檢測(cè)應(yīng)用中，超聲波聲束從相控陣換能器陣列中按照既定的延遲發(fā)射，通過有機(jī)玻璃楔塊斜射入到工件中，在界面上波形轉(zhuǎn)換形成橫波傳播。由相控陣超聲檢測(cè)的特點(diǎn)可知，超聲波束在換能器晶片排列方向上形成聚焦，使該方法具有很高的檢測(cè)靈敏度。為保護(hù)換能器以及適應(yīng)不同管徑的工件，檢測(cè)時(shí)通常使用曲面楔塊，當(dāng)曲面楔塊的曲率半徑越接近工件的曲率半徑時(shí)，聲束的能量損失就越小。當(dāng)楔塊的曲率半徑與工件的曲率半徑一致時(shí)，換能器產(chǎn)生的聲束能全部進(jìn)入到工件中，損失能量最小[4]。楔塊與曲面耦合，聲束在經(jīng)過界面時(shí)，相當(dāng)于聲束經(jīng)過凸形界面（從入射方向看）進(jìn)入鋼材質(zhì)的工件中，因?yàn)橛袡C(jī)玻璃中聲速小于鋼中的聲速，由折射定律可知聲束在鋼材質(zhì)管體中發(fā)散，如圖1所示。同時(shí)，由于相控陣聚焦法則的存在，聲束在換能器晶片的排列方向可實(shí)現(xiàn)電子聚焦。所以相控陣超聲檢測(cè)曲面工件時(shí)，聲束在晶片排列的方向上匯聚，聲束能量集中，檢測(cè)靈敏度很高；在晶片長(zhǎng)度的方向上發(fā)散，聲束能量發(fā)散，檢測(cè)靈敏度降低。

圖1 聲束在小徑管中的傳播規(guī)律

在換能器通過曲面楔塊與小徑管完全貼合的情況下，聲束在不同的管徑中折射角度不同。聲束在晶片排列方向上匯聚是由相控陣聚焦法則控制，不同管徑的聚焦可通過儀器設(shè)置聚焦法則來達(dá)成一致，對(duì)不同管徑的檢測(cè)無影響，所以無需討論。但在晶片的長(zhǎng)度方向上，聲束進(jìn)入工件受到折射定律的影響，曲面直接影響了聲束的入射角度。聲束從凹面的有機(jī)玻璃楔塊進(jìn)入到金屬材料中，折射規(guī)律如圖1所示。由折射定律可知：

式中：CL1——有機(jī)玻璃中縱波聲速；

Cs2——金屬管體中橫波聲速；

b——入射角；

c——金屬管體中橫波折射角。

由式（1）變換后可得：

從圖1的幾何關(guān)系中不難得到：

式中：a——小徑管弧面法線與入射主聲束的夾角；

D——有機(jī)玻璃楔塊長(zhǎng)度的一半；

R——小徑管半徑。

由式（2）和式（3）可得：

從式（4）可以看出，管體中橫波的折射角度隨著小徑管半徑的不同而不同，半徑越小，折射角度越大，聲束發(fā)散越嚴(yán)重，對(duì)檢測(cè)越不利。

在相控陣超聲小徑管檢測(cè)應(yīng)用中，聲束能量在小徑管中的分布情況可以看作由晶片排列方向與晶片長(zhǎng)度方向的能量分布疊加，由于曲率半徑的影響，晶片長(zhǎng)度方向的能量發(fā)散，導(dǎo)致聲束能量在小徑管中發(fā)散，檢測(cè)靈敏度下降。而管徑越小，能量發(fā)散越嚴(yán)重，靈敏度就越低。下面通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同管徑下相控陣檢測(cè)的成像效果。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用16晶片換能器相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)不同管徑的小徑管環(huán)焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，小徑管環(huán)焊縫中預(yù)埋有相同類型的缺陷，通過比較不同管徑相同類型缺陷回波的幅值大小來判定不同管徑下相控陣超聲檢測(cè)的成像效果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部件型號(hào)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部件

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

分別按照不同的管徑規(guī)格調(diào)節(jié)校準(zhǔn)儀器，使用相同的檢測(cè)靈敏度，對(duì)不同管徑的管材進(jìn)行掃查，分別記錄圖像數(shù)據(jù)。使用相控陣圖譜分析軟件Suport打開檢測(cè)圖像，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 小徑管相控陣超聲檢測(cè)圖譜

2.3 結(jié)果對(duì)比

從相控陣超聲檢測(cè)圖像可以明顯看出，70 mm管件的缺陷顯示顏色最深，60 mm管件缺陷顯示顏色次之，51 mm管件缺陷顯示顏色最淺。圖像中顏色深淺表示缺陷回波幅值高低，即70 mm管件缺陷回波幅值最高，51 mm管件缺陷回波幅值最低。不同管徑的管件夾鎢缺陷回波幅值如表2所示。

表2 不同管徑缺陷檢出幅值

從表2可知：管徑越大，缺陷檢出幅值越大。這說明較大的管徑具有更高的檢測(cè)靈敏度，這與理論分析的結(jié)果一致，即管徑越小，缺陷檢出靈敏度越低，越難檢出小缺陷。

3 分析與討論

在小徑管相控陣超聲檢測(cè)過程中，曲率過大會(huì)給檢測(cè)帶來不利的影響。首先，不同的管徑需要配備不同曲率的楔塊，這對(duì)檢測(cè)成本要求較高，裝配不同的楔塊也會(huì)影響檢測(cè)效率，其次，曲率的存在會(huì)導(dǎo)致聲束擴(kuò)散，降低檢測(cè)靈敏度。

為了解決聲束在小徑管中發(fā)散使檢測(cè)靈敏度降低的問題，通?？梢酝ㄟ^采用自聚焦相控陣超聲換能器，即將晶片在長(zhǎng)度方向上彎曲，使聲束在晶片中產(chǎn)生時(shí)就開始匯聚，這樣可使聲束進(jìn)入到工件中時(shí)保持匯聚，從而提高檢測(cè)靈敏度。

通過前面的分析和實(shí)驗(yàn)可知：在實(shí)際小徑管相控陣超聲檢測(cè)中，管徑越小，進(jìn)入工件中的超聲波聲束越發(fā)散，檢測(cè)靈敏度越低。解決小徑管檢測(cè)靈敏度低的方法是：換能器應(yīng)選用自聚焦相控陣換能器，校準(zhǔn)儀器時(shí)，使用曲率與待檢工件相近的GS試塊，這樣能保證檢測(cè)靈敏度受標(biāo)準(zhǔn)控制，不會(huì)產(chǎn)生漏檢現(xiàn)象。