相控陣檢測技術在厚壁壓力容器管道檢測中的應用

【摘要】編制了厚壁壓力容器管道相控陣檢測的檢測工藝，并對不同厚度的壓力容器管道進行檢測，將相控陣檢測發現的缺陷與射線檢測結果進行對比。結果顯示相控陣檢測的缺陷檢出率不亞于射線檢測。本文提出利用TOFD檢測、相控陣檢測兩種檢測新技術進行管道檢測的方式，能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

【關鍵詞】相控陣檢測；管道；射線檢測；厚壁

目前，厚壁管道的常規無損檢測方法主要有超聲波法、射線照相法、磁粉檢測法和滲透檢測法等，但常規無損檢測方法工作過程中工作量巨大，效率低下，可靠性低，成本高，很難實現快速、可靠、全面的厚壁管道檢測。因此，迫切需要一種更為有效的檢測手段。近年來，超聲相控陣無損檢測技術以其快速、靈活、可進行復雜檢測、陣列尺寸小、機械可靠性強、方向難以辨別的缺陷可檢測性增強等特點，在無損檢測中得到了越來越多的應用。

本文通過制定多種檢測工藝對不同厚度的厚壁壓力管道進行現場檢測，并將檢測結果與射線檢測結果進行對比，研究相控陣檢測技術在厚壁壓力容器管道上的檢出率，最終制定一套能提高厚壁壓力容器管道的缺陷檢出率的檢測方案。

1、相控陣的原理及特點

相控陣的基本概念來自于相控陣雷達技術，超聲相控陣換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個陣元，一般是由多個陣元組成的一維或二維陣列。通過電子系統控制換能器陣列中的各個陣元，按一定的規則和時序用電子系統控制激發，使陣列中各單元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規則和時序控制接收單元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示，從而實現材料的無損檢測，如圖1所示。

相控陣超聲檢測技術屬于脈沖反射法檢測范疇，但是在聲場特性、檢測應用、信號處理與成像、性能和功能等許多方面，相控陣與常規脈沖反射法有很大的不同。

相控陣超聲使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器，通過電子系統控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發射和接受超聲波，從而實現聲束掃描、偏轉與聚焦等功能。如圖2所示。

利用掃描特性，相控陣技術可以在探頭不移動的情況下實現對被檢測區域的掃查：利用偏轉特性，相控陣技術不僅可以在探頭不移動的情況下實現對被檢區域的掃查，而且聲束能夠以多種角度入射到缺陷上，從而提高缺陷檢出率；利用聚焦特性，相控陣技術可以提高聲場信號強度、回波信號幅度和信噪比，從而提高缺陷檢出率，以及缺陷深度、長度的測量精度。相控陣的掃查方式包括電子掃描和機械掃查。電子掃描分為扇形掃描、線掃描等，機械掃查分為沿線掃查和手動鋸齒掃查，檢測過程中電子掃描和機械掃查是可以結合并同時進行的。

相控陣檢測系統是高性能的數字化儀器，能夠實現檢測全過程信號的記錄。通過對信號進行處理，系統能生成和顯示不同方向投影的高質量的圖像。

2、檢測工藝

2.1、設備與試塊

ISONIC2010，以色列SONOTRONNDT公司生產的一款便攜式多功能超聲波相控陣成像檢測系統。選擇相控陣便攜A型試塊和CSK-ⅢA試塊。這兩塊試塊主要用于校準檢測系統的靈敏度。

2.2 被檢工件狀況

被檢管道有四種厚度，分別為32mm、40mm、50mm、64mm。焊縫均為V型坡口，對焊縫檢測時均要求對焊縫兩邊母材進行打磨，將管道表面的污垢、鐵屑和飛濺等影響探頭耦合和移動的不良因素通過打磨去除，其表面粗糙度Ra值應小于或等于6.3μm，打磨的寬度隨母材厚度的不同也有所不同。保留余高的焊縫，如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等應進行適當的修磨，并做圓滑過度以免影響檢測結果的評定。

2.3 掃查方式的選擇

為了能夠在提高檢測效率的同時，保證一次檢測能覆蓋到整個焊縫，掃查方式選擇扇形沿線編碼掃查。相控陣掃查方向如圖3所示，環焊縫掃查點以0點為起點，每條焊縫分兩次掃查，第一次從0°經90°掃查至180°，第二次從0°經270°掃查至180°，兩次掃查重疊搭接長度為50mm。

2.4、檢測系統參數的選擇

管道焊縫檢測時探頭擺放方法如圖4所示，探頭與焊縫保持一定的距離采用扇形沿線編碼掃查，通過一次波和二次波一次性記錄整個焊縫相控陣檢測圖像。

本文參照ISO 13588-2010《Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology》編制檢測工藝，檢測技術等級：A級。對檢測系統靈敏度調整，采用CSKⅢA試塊和相控陣便攜A型試塊制作DAC曲線的方式進行校準，檢測系統參數如表1所示。

掃查時DAC曲線判廢線不應超過滿屏的100%，為得到較大的動態范圍，可將判廢線設置為滿屏高度的90～100%。檢測橫向缺陷時，應將各線靈敏度均提高6dB。

依照工藝設置檢測系統，將探頭擺放到要求位置，沿設計的路徑進行掃查。最大掃查速度不應超過25mm/s。

3、檢測結果分析

對管道進行掃查后，經由ISONIC PA Office軟件對圖譜進行分析，標記好缺陷，然后生成檢測報告，圖4為50mm厚壓力容器管道相控陣S掃檢測結果，由于采用真實幾何位置的成像方式，一次波和二次波的成像既可以分別顯示，也可以疊加顯示，易于缺陷的判讀，可直觀的看出缺陷的位置。其長度、埋深和自身高度等信息可方便的進行測量。表2為四種不同厚度的管道掃查后的缺陷測量數據。

為驗證相控陣檢測的準確性，采用射線檢測對上述工件進行探傷，射線檢測結果如表3所示。其結果與相控陣檢測結果能夠對應。

以往在厚壁壓力容器管道檢測中，主要使用射線與常規超聲進行檢測。由于射線檢測效率低，且具有輻射危害，目前我們主要采用TOFD（超聲衍射時差法）檢測技術、常規超聲檢測與表面檢測方法進行管道檢測。相控陣檢測較常規超聲缺陷檢出率高，聲束覆蓋區域大，其亦能夠彌補TOFD檢測盲區的檢測，且檢測結果直觀。故本論文提出一項全新的檢測模式，在對厚壁壓力容器管道檢測時，先采用TOFD檢測，而后采用相控陣進行檢測及驗收，這種同時運用兩種檢測新技術的檢測模式能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

4、結論

參照ISO 13588-2010編制了厚壁壓力容器管道相控陣檢測的檢測工藝，并按照工藝分別對不同厚度的壓力容器管道進行檢測，將相控陣檢測發現的缺陷與射線檢測結果進行對比。

1）相控陣檢測的缺陷檢出率不亞于射線檢測；

2）TOFD（超聲衍射時差法）檢測技術、常規超聲檢測與表面檢測方法進行管道檢測的方式可由TOFD檢測、相控陣檢測替代，同時運用兩種檢測新技術的檢測模式能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

參考文獻：

[1]李衍.超聲相控陣技術 第二部分 掃查模式和圖像顯示[J].無損探傷，2007，31（6）：33-38.

[2]李衍.管道環焊縫相控陣超聲探傷技術的應用[J].無損檢測，2002，24（9）：386-390.

[3]ISO 13588-2010. ：Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology [S].

作者簡介：

王培寧（1973年4月-），男，本科，助理工程師。主要從事特種設備及靜設備管理、無損檢測、焊接及管道專業管理