對接焊縫相控陣超聲檢測可靠性的CIVA仿真與試驗

涂春磊，鄒建華，強天鵬，李士林，鄭 凱，孫忠波

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210003；2.貴州省特種設(shè)備檢驗檢測院，貴陽 550003；3.天津誠信達金屬檢測有限公司，天津 300384）

相控陣超聲技術(shù)作為超聲無損檢測新技術(shù)已于20世紀70年代首先應(yīng)用于醫(yī)學超聲診斷領(lǐng)域。隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，相控陣超聲檢測成像技術(shù)逐步應(yīng)用于航天航空、核電、機械制造等工業(yè)領(lǐng)域。相控陣超聲具有靈活的聲束偏轉(zhuǎn)與聚焦特性，其掃描方式多樣、檢測速度快、可實現(xiàn)多種成像以及再現(xiàn)性好等優(yōu)勢在實際檢測中逐漸顯現(xiàn)。

相控陣超聲檢測技術(shù)在承壓設(shè)備中的應(yīng)用在國內(nèi)外也逐步被接受和認可。美國ASME標準已將相控陣與TOFD列入計算機成像技術(shù)，對焊縫手工相控陣超聲檢測批準了5個案例［1－5］。此外，美國ASTM E2491 和 E2700［6－7］，歐 洲 EN 16018－2011［8］等標準都對相控陣超聲檢測工藝作了相關(guān)說明。但大多只是對應(yīng)用案例進行介紹，并沒有形成比較完備，操作性強的超聲相控陣檢測工藝標準體系。近年來，國內(nèi)在相控陣超聲的設(shè)備開發(fā)、技術(shù)應(yīng)用方面取得了一定進展，但還缺乏堅實的實踐基礎(chǔ)，迄今還未頒布關(guān)于相控陣檢測的工藝標準［9－10］。

在國內(nèi)，常規(guī)超聲檢測技術(shù)在鍋爐、壓力容器等承壓設(shè)備中的應(yīng)用已有數(shù)十年的時間，在各種承壓設(shè)備檢測工藝特點與可靠性方面積累了豐富的經(jīng)驗，已經(jīng)形成完備的標準化體系，是一種早已被廣泛認可的較為成熟可靠的檢測方法。筆者依據(jù)JB／T 4730－2005等相關(guān)標準，通過承壓設(shè)備對接焊縫相控陣超聲與常規(guī)超聲檢測仿真和試驗的對比，分析對接焊縫相控陣檢測的可靠性，為承壓設(shè)備相控陣檢測相關(guān)標準的制訂與技術(shù)推廣提供參考。

1 相控陣超聲技術(shù)與焊縫檢測工藝特點

1.1 相控陣超聲原理

相控陣超聲是由多個超聲換能器陣列按一定形狀、尺寸排列，構(gòu)成超聲陣列換能器。分別控制每個陣元發(fā)射和接收信號的相位延遲，可使各陣元的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成聲束偏轉(zhuǎn)與聚焦效果。相控陣超聲基于惠更斯原理，與常規(guī)超聲在聲學原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別，其輻射聲場分布可由亥姆霍茲－基爾霍夫積分定理計算［11］：

1.2 對接焊縫相控陣檢測工藝特點

對接焊縫相控陣檢測工藝（依據(jù)ASME等相關(guān)相控陣應(yīng)用案例）與常規(guī)超聲檢測（依據(jù)JB／T 4730－2005標準）相比有如下特點：

（1）探頭：對于同一工件，相控陣一般只使用一個探頭；常規(guī)超聲需要根據(jù)技術(shù)等級、工件厚度選用一個（一個K值）或多個（不同K值）探頭。

（2）儀器校準：相控陣儀器除了要進行常規(guī)的測試校準外，一般還需要使用CSK－IA和CSK－IIIA試塊進行角度增益校準（ACG）和深度增益校準（TCG）。

（3）掃查工藝：常規(guī)超聲依據(jù)標準，采用鋸齒形掃查方式。在區(qū)分缺陷信號、確定缺陷的位置、方向和形狀時也可采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等掃查方式。相控陣一般采用非平行方向上的直線掃查方式（結(jié)合S型掃查）。

（4）缺陷定量：常規(guī)超聲依據(jù)標準，采用缺陷回波波幅定量和缺陷測長（6dB法）定量，均由檢測人員在掃查操作時根據(jù)波形在線測定。相控陣無相關(guān)標準依據(jù)，實際檢測中大多需要借鑒常規(guī)超聲的定量方法，一般是在檢測人員完成掃查工作后根據(jù)存儲的波形、圖像數(shù)據(jù)進行綜合分析測定。

2 焊縫檢測CIVA仿真對比

2.1 仿真軟件工具與參數(shù)

2.1.1 仿真工具

采用CIVA無損檢測仿真軟件平臺，此為由法國原子能委員會（CEA）研發(fā)的一款專業(yè)無損檢測仿真軟件系統(tǒng)。

2.1.2 仿真參數(shù)

（1）常規(guī)超聲：探頭尺寸12mm×12mm、前沿13mm。對于20mm板厚，頻率5MHz，分別選用K1.5，K2，K2.5的三種K 值；對于60mm板厚，頻率2.25MHz，分別選用 K1，K1.5，K2的三種 K值。采用柵格型掃查，掃查間距均為1mm（保證覆蓋焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)）。

（2）相控陣超聲：晶片數(shù)量32個（分別激發(fā)16、32個晶片）、晶片間距0.6mm、晶片長度10mm、楔塊SA5－N60S。對于20mm板厚，頻率5MHz；對于60mm板厚，頻率2.5MHz；采用S型掃查，角度范圍40°～75°、間距為1°，非平行掃查，抵靠余高、掃查間距1mm（保證全覆蓋焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)）。

（3）試板與缺陷的參數(shù)：分別設(shè)置20mm板厚V型，20mm板厚X型，60mm板厚U型，60mmX型，60mm雙U型的試板；未熔合缺陷高×長為3mm×20mm，有一定寬度（0～1mm），位于焊縫側(cè)面中間位置；裂紋缺陷高度為3mm、長度為40mm、鋸齒高度為0.1～2.5mm之間（鋸齒參差不齊），分別位于上部熱影響區(qū)、焊縫中間（中部）、焊縫底部位置（下部）。

表1 仿真波幅定量值統(tǒng)計

2.2 仿真結(jié)果與分析

為了使相控陣與常規(guī)超聲具有可比性，相控陣檢測的仿真結(jié)果的缺陷定量方法參照常規(guī)超聲的JB／T 4730－2005標準，采用波幅定量的方法。常規(guī)超聲與相控陣超聲的仿真結(jié)果統(tǒng)計見表1。

以JB／T 4730－2005標準中定量線作為檢出依據(jù)，進行仿真結(jié)果的分析，得出結(jié)論如下：

（1）對于20mm厚度的V型坡口焊縫，上、中、下三個不同位置的鋸齒裂紋及坡口未熔合缺陷，常規(guī)和相控陣超聲均能較好地檢出（定量線φ1－3dB）；中、下部裂紋相控陣與常規(guī)超聲檢測當量波高非常接近，上部裂紋常規(guī)超聲檢測當量波高要大于相控陣；對于坡口未熔合缺陷，常規(guī)超聲檢測當量波高要大于相控陣，K值越大當量波高越大。

（2）對于20mm厚度的X型坡口焊縫，上、中、下三個不同位置的鋸齒裂紋及坡口未熔合缺陷，常規(guī)和相控陣超聲均能較好地檢出（定量線φ1－3dB）；中、下部裂紋相控陣與常規(guī)超聲檢測當量波高非常接近，上部裂紋常規(guī)超聲檢測當量波高要大于相控陣；對于坡口未熔合缺陷，常規(guī)超聲檢測當量波高要大于相控陣，K值越大當量波高越大。

（3）對于60mm厚度的U型坡口焊縫，上、中、下三個不同位置的鋸齒裂紋，常規(guī)和相控陣超聲均能檢出（定量線φ1＋0dB），且常規(guī)探頭（三個）檢測當量波高均低于相控陣探頭檢測；對于坡口未熔合缺陷，常規(guī)超聲檢測三個K值的探頭都出現(xiàn)了漏檢，而相控陣16和32個激發(fā)晶片均能檢出。

（4）對于60mm厚度的X型坡口焊縫，上、中、下三個不同位置的鋸齒裂紋及坡口未熔合缺陷，常規(guī)和相控陣超聲均能檢出（定量線φ1＋0dB）；中、下部裂紋相控陣檢測當量波高均大于常規(guī)超聲；對于坡口未熔合缺陷，常規(guī)超聲檢測當量波高要大于相控陣，K值越大當量波高越大。

（5）對于60mm厚度的雙U型坡口焊縫，上、中、下三個不同位置的鋸齒裂紋，常規(guī)和相控陣超聲均能檢出（定量線φ1＋0dB）；中、下部裂紋相控陣檢測當量波高均大于常規(guī)超聲；對于坡口未熔合缺陷，常規(guī)超聲檢測兩個K值的探頭出現(xiàn)了明顯漏檢，而相控陣16和32個激發(fā)晶片均能檢出。

仿真結(jié)果表明，對于聲束指向性要求高的缺陷（如仿真中坡口未熔合缺陷），相控陣檢測的漏檢率要低于常規(guī)超聲；對于厚度較大的工件焊縫，相控陣檢測對于常規(guī)超聲的優(yōu)勢較為明顯，其中常規(guī)超聲對未熔合漏檢情況均出現(xiàn)在60mm的焊縫；相控陣檢測60mm焊縫中、下部裂紋的當量波高明顯高于常規(guī)超聲，而在20mm焊縫中卻非常接近，常規(guī)超聲甚至要略高于相控陣；相控陣檢出率要高于常規(guī)超聲（出現(xiàn)漏檢的均為常規(guī)超聲）。

3 焊縫檢測試驗對比

3.1 試驗方法

試驗選取了14～45mm對接焊接試板16塊，分別對這些試件進行常規(guī)超聲檢驗及相控陣檢驗。以射線檢測作為試驗結(jié)果評定缺陷性質(zhì)及長度測定的參考依據(jù)。

常規(guī)超聲檢測人員為3人，檢測工藝及缺陷定量評級均依據(jù)JB／T 4730.3－2005標準。

相控陣超聲檢測人員為5人，分別使用了Omniscan－MX、Omniscan－MX2及Isonic－2009設(shè)備，檢測工藝由檢測人員根據(jù)各自的經(jīng)驗制定?？紤]到所使用設(shè)備離線分析軟件均不能讀取超過滿屏100%的信號幅值，靈敏度調(diào)節(jié)使用 CSK－1A 試塊φ1mm×6mm 短橫孔，長 度 測 量使用JB／T 4730.3－2005評定線靈敏度進行。

3.2 試驗結(jié)果

對氣孔（8個）、夾渣（6個）、未熔合（14個）、未焊透（4個）、縱向裂紋（8個）、橫向裂紋（3個）缺陷的檢出率和長度測量的結(jié)果見表2。

表2 缺陷檢出情況統(tǒng)計

3.3 試驗結(jié)果分析

（1）試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相控陣的總體缺陷檢出率為87.5%，常規(guī)超聲總體缺陷檢出率為74.4%，相控陣總體缺陷檢測出率要高于常規(guī)超聲；相控陣誤判率0.55%，常規(guī)超聲為0.83%，兩者的誤判率都非常低。

（2）對于裂紋、未熔合等缺陷，相控陣檢出率均要高于常規(guī)超聲。對于未熔合、縱向裂紋缺陷，相控陣檢出率分別為97.1%、97.4%，常規(guī)超聲為87.2%、85.7%，相控陣略高于常規(guī)超聲。對于橫向裂紋，相控陣的檢出率為50%，常規(guī)超聲僅為25%，相控陣明顯高于常規(guī)超聲。

（3）對于夾渣、未焊透缺陷，相控陣檢出率分別92.9%（26／28），100%，常規(guī)超聲為100%，91.7%（11／12），兩種方法均非常高。由于常規(guī)超聲波高評級（Ⅱ級）與相控陣圖像判定的差異，導致兩者的檢出率有微小的差異。對于氣孔缺陷，由于反射面光滑，各個方向回波大小基本一致，相控陣檢出率為64.1%，明顯高于常規(guī)超聲的30.4%。

（4）從缺陷測長結(jié)果統(tǒng)計上看，相控陣缺陷測長結(jié)果總體上要大于常規(guī)超聲（除橫向裂紋以外）。對于氣孔、未焊透缺陷，相控陣測長結(jié)果要好于常規(guī)超聲（更接近射線測長結(jié)果）；對于夾渣缺陷，常規(guī)超聲要好于相控陣；對于未熔合、裂紋缺陷，兩者差不多（都不接近射線側(cè)長結(jié)果）。就缺陷測長精度，相控陣相對于常規(guī)超聲并沒有明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

仿真與試驗方法有著各自的優(yōu)勢和不足，結(jié)合CIVA仿真和檢測試驗結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

（1）相控陣的缺陷檢出率總體上要高于常規(guī)超聲。兩種檢測方法的誤判率都非常低。

（2）對于有著嚴重危害且對聲束指向性要求高的面狀缺陷（裂紋、未熔合），相控陣的檢出率要高于常規(guī)超聲。尤其對于橫向裂紋，由于聲束的指向性缺陷回波較小，容易漏檢，相控陣檢測相對于常規(guī)超聲具有明顯的優(yōu)勢。

（3）體積型缺陷中，對于夾渣、未焊透缺陷，相控陣與常規(guī)超聲檢出率均非常高，均超過90%以上；對于氣孔類回波較小缺陷，檢出率相對較低，相控陣檢出率明顯高于常規(guī)超聲。

（4）由仿真結(jié)果分析，對于工件厚度較大的焊縫檢測，相控陣相對于常規(guī)超聲的優(yōu)勢更加明顯，即在各自適當?shù)墓に嚄l件下相控陣可以掃描檢測更厚的工件焊縫區(qū)域。

（5）通過對接焊縫檢測試驗對比分析，相控陣超聲缺陷測長結(jié)果相對于常規(guī)超聲總體上要偏大，而相控陣超聲缺陷測長精度（參照射線缺陷定長）并不明顯高于常規(guī)超聲。

［1］ ASME Section V Article 4Code Cases 2541：Use of Manual Phased Array Ultrasonic Examination Section V［S］.

［2］ ASME Section V Article 4Code Cases 2557：Use of Manual Phased Array S－Scan Ultrasonic ExaminationPer Article 4Section V［S］.

［3］ ASME Section V Article 4Code Cases 2558：Use of Manual Phased Array E－Scan Ultrasonic Examination Per Article 4Section V［S］.

［4］ ASME Section V Article 4Code Cases 2599：Use of Linear Phased Array E－Scan Ultrasonic Examination Per Article 4Section V［S］.

［5］ ASME Section V Article 4Code Cases 2600：Use of Linear Phased Array S－Scan Ultrasonic Examination Per Article 4Section V［S］.

［6］ ASTM.ASTM E2491－08，Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.

［7］ ASTM.ASTM E2700－09 Standard Practice for Contact Ultrasonic Testing of Welds Using Phased Arrays［S］.

［8］ EN 16018－2011 Non－destructive testing－Terminology－Terms Used in Ultrasonic Testing with Phased Arrays［S］.

［9］ 王艷麗，鄭中興.相控陣列探頭的應(yīng)用和標準化動向［J］.無損探傷，2010，34（1）：27－30.

［10］ 李衍，薛飛展.承壓設(shè)備焊縫超聲相控陣檢測讀譜［J］.無損檢測，2010，32（8）：567－570.

［11］ 鮑曉宇.相控陣超聲檢測系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京：清華大學，2003：15－28.