加楔塊相控陣S掃描檢測影響因素研究

齊向前，孫政委，安廣山

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300384)

加楔塊相控陣S掃描檢測影響因素研究

齊向前，孫政委，安廣山

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300384)

為了提高相控陣加楔塊S掃描檢測結(jié)果的分辨力，針對相控陣探頭激發(fā)孔徑選擇、角度偏轉(zhuǎn)范圍設(shè)定、聚焦深度設(shè)置、對比試塊選取等因素對相控陣加裝楔塊S掃描檢測結(jié)果的影響進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，隨著檢測深度的增加，角度偏轉(zhuǎn)范圍降低，檢測中的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)根據(jù)試驗確定；為提高檢測結(jié)果分辨力，應(yīng)盡量對相控陣探頭晶片全激發(fā)，且聚焦深度選取應(yīng)根據(jù)工件中近場區(qū)的計算確定。

無損檢測；相控陣；激發(fā)孔徑；角度偏轉(zhuǎn)；聚焦深度

相控陣檢測可采用線掃描、S掃描等多種掃查方式，且具備A、S、D、C等圖像顯示模式，相對于常規(guī)超聲檢測具有明顯的檢測優(yōu)勢，尤其是相控陣的S掃描，對焊縫一次掃查可實(shí)現(xiàn)多個角度的聲束覆蓋，在工藝設(shè)定合理的情況下，使檢測效率及缺陷的檢出率大大提高。與常規(guī)超聲檢測類似，為更好地對缺陷進(jìn)行定位定量，相控陣也需要在試塊上完成聲速、楔塊延遲、TCG(時間校準(zhǔn)增益)等校準(zhǔn)工作。TCG調(diào)節(jié)過程中受偏轉(zhuǎn)角度、激發(fā)孔徑、試塊及人員等各種因素的影響，同時儀器聚焦深度的選擇也會影響檢測結(jié)果的分辨力。本研究主要通過試驗分析了上述幾種客觀因素對檢測結(jié)果的影響，以便于指導(dǎo)現(xiàn)場檢測的實(shí)施。

1 試驗方法

1.1 儀器及試塊選擇

試驗裝置使用PHASCAN 32/128便攜式超聲相控陣檢測儀，利用PHASCAN離線分析軟件分析數(shù)據(jù)。探頭采用5L32-0.6×15線陣探頭，主頻5MHz，32個晶片，晶片間距為0.6mm，晶片長度為15mm；楔塊選用SB10-N55S，鋼中折射角為55°，廠家推薦 S掃描角度 40°～70°，因為國內(nèi)相控陣標(biāo)準(zhǔn)尚未頒布，TCG調(diào)節(jié)采用的對比試塊為NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》規(guī)定的CSK-ⅡA-1、CSK-ⅡA-2試塊。

1.2 試驗方法

將偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為廠家楔塊推薦值40°～70°，激發(fā)晶片數(shù)量分別選取8、16和32，依次對深度為10～90mm的橫通孔制作TCG曲線，通過相控陣內(nèi)部電子增益的方式使不同深度、相同反射體當(dāng)量的回波高度達(dá)到滿屏的80％，然后分別對不同深度的橫通孔進(jìn)行測試，看是否在設(shè)定的角度偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)達(dá)到規(guī)定的波高[1]。

偏轉(zhuǎn)角度設(shè)置為40°～70°，晶片激發(fā)數(shù)量分別為8和32，在聚焦深度分別為10mm和30mm下，對深度為10mm和30mm的橫通孔進(jìn)行檢測，用ASME規(guī)定的測定反射信號-6dB聲束寬度來表征系統(tǒng)的橫向分辨力[2]。

2 試驗結(jié)果

不同激發(fā)孔徑下TCG校準(zhǔn)結(jié)果見表1。表1中“/”表示在該深度下角度偏轉(zhuǎn)范圍開始變小(見32晶片測試結(jié)果)，可見，隨著激發(fā)晶片數(shù)量的增加，TCG可調(diào)節(jié)的檢測深度范圍增加。

表1 不同激發(fā)孔徑下的偏轉(zhuǎn)極限(80％FSH)

相同偏轉(zhuǎn)角度下(40°～70°)、不同激發(fā)晶片、不同聚焦深度下，深度為10mm和30mm橫通孔的S掃描結(jié)果及分辨力測量值如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)測量深度在30mm以內(nèi)時，選擇32晶片激發(fā)，深度聚焦設(shè)置為30mm具有最佳的信噪比和檢測分辨力。

圖1 40°～70°偏轉(zhuǎn)角度下、不同激發(fā)晶片、不同聚焦深度下深度為10mm和30mm橫通孔的S掃描結(jié)果及分辨力

3 試驗結(jié)果分析與討論

ASME—2010及ASTM E2491均介紹了相控陣探頭偏轉(zhuǎn)極限的測試方法，兩種方法原理相似，即將探頭孔徑中心置于50mm圓弧中心，對沿圓弧一定間隔角度分布的Φ2mm通孔進(jìn)行S掃描成像(見圖2)，規(guī)定兩相鄰孔間最高信號與最低信號差為6dB(也可規(guī)定其他數(shù)值)為可分辨，找出可分辨角度范圍即為探頭的偏轉(zhuǎn)極限，該方法僅代表了某聲程處、某種聚焦法則下特定的偏轉(zhuǎn)角度，廠家的楔塊標(biāo)稱偏轉(zhuǎn)極限也應(yīng)是在某種條件下特定的測試結(jié)果[3]。

圖2 ASME及ASTM規(guī)定聲束偏轉(zhuǎn)示測試意圖

當(dāng)偏轉(zhuǎn)角設(shè)置為40°～70°，激發(fā)8晶片進(jìn)行TCG調(diào)節(jié)時，由于激發(fā)孔徑較小，探頭的發(fā)射能量較低，對30mm深孔進(jìn)行大角度(60°～70°)TCG校準(zhǔn)時，由于超聲波衰減嚴(yán)重導(dǎo)致不能進(jìn)行校準(zhǔn)，為避免此現(xiàn)象，必須對初始偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行重新設(shè)置，當(dāng)晶片數(shù)量增大時，探頭發(fā)射能量提高，大角度TCG校準(zhǔn)超聲波衰減減弱，角度偏轉(zhuǎn)范圍增大，檢測深度也隨之增大，但在一定數(shù)量的激發(fā)晶片情況下，其適宜進(jìn)行TCG校準(zhǔn)的偏轉(zhuǎn)角度和檢測深度只能通過試驗確定，對某一厚度工件進(jìn)行加楔塊S掃描檢測時，晶片數(shù)量選取全激發(fā)能夠取得好的檢測效果[4]。

由于相控陣只能在近場區(qū)域進(jìn)行聚焦，相控陣探頭在加裝楔塊后的近場區(qū)計算公式[5]為

式中：Neff—近場長度；

k矩形—近場長度修正系數(shù)；

L—探頭長度；

β—聲束折射角；

α—聲束入射角；

L斜楔—楔塊中聲程；

v試件—試件聲速；

v斜楔—楔塊聲速。

依據(jù)公式(1)，不同晶片數(shù)和不同折射角的探頭近場區(qū)計算結(jié)果見表2。由表2可見，當(dāng)激發(fā)8晶片時，工件中近場區(qū)長度均為0，聲束不能聚焦，導(dǎo)致分辨力非常低；激發(fā)32晶片，60°折射角近場區(qū)長度可達(dá)到30mm，聚焦深度可設(shè)置為30mm，此時10mm深度孔的分辨力相對于聚焦10mm基本相當(dāng)，主要原因為兩種聚焦深度下10mm深孔均為大折射角檢測(接近70°)，此時近場區(qū)接近為0，不能實(shí)現(xiàn)聚焦，后者較好的原因可能是受聚焦深度為30mm的焦柱長度影響造成的[6-7]。

表2 帶有楔塊的相控陣探頭在工件中的近場區(qū)

TCG校準(zhǔn)60mm深橫通孔聲束路徑和仿真聲束路徑如圖3和圖4所示。在TCG調(diào)節(jié)過程中，還應(yīng)注意對比試塊的選取，如用CSK-IIA2標(biāo)準(zhǔn)試塊對深60mm橫通孔進(jìn)行TCG校準(zhǔn)，當(dāng)小角度掃描到深60mm橫通孔時，觀察S掃顯示會發(fā)現(xiàn)同等深度區(qū)域內(nèi)大角度處存在一個反射能量很高的回波(見圖3)，導(dǎo)致TCG不能有效校準(zhǔn)。用聲束仿真軟件進(jìn)行仿真表明，該回波主要由端部斜面反射造成(見圖4)，因此在TCG校準(zhǔn)過程中，應(yīng)選擇合理的對比試塊，避免對檢測結(jié)果造成影響[8-10]。

圖3 TCG校準(zhǔn)60mm深橫通孔聲束路徑示意圖

圖4 TCG校準(zhǔn)60mm深橫通孔仿真聲束路徑示意圖

4 結(jié) 論

(1)楔塊上廠家標(biāo)明的偏轉(zhuǎn)角度僅是在某一條件下測定結(jié)果，實(shí)際TCG校準(zhǔn)過程中，偏轉(zhuǎn)角度范圍隨深度增加逐漸減小，為獲得一定深度范圍內(nèi)較大的偏轉(zhuǎn)角度，應(yīng)盡量對晶片進(jìn)行全激發(fā)，在制作橫波S掃描檢測工藝時，應(yīng)先通過試驗確定TCG校準(zhǔn)掃描角度范圍，再依據(jù)掃描角度范圍制定聲束對工件的覆蓋工藝。

(2)激發(fā)8晶片和16晶片進(jìn)行加楔塊S掃描檢測時，近場區(qū)在工件中為0或很小，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)聲束聚焦或聚焦范圍太小，分辨力差；激發(fā)32晶片，聚焦深度在30mm可獲得最佳的檢測分辨力。實(shí)際檢測過程中聚焦深度的選取應(yīng)通過工件中近場區(qū)的計算確定。

(3)TCG調(diào)節(jié)過程中對比試塊選取時應(yīng)注意是否有干擾信號影響TCG的校準(zhǔn)。

[1]ASTM E 2491—2006，Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems[S].

[2]ASME：2010，Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-array Ultrasonic Testing Instruments and Systems[S].

[3]欒保華，徐德政，張曉芹，等.超聲相控陣角度偏轉(zhuǎn)能力的仿真測試與分析[J].能源技術(shù)與管理，2016(1)：171-173.

[4]強(qiáng)天鵬，孫忠波，肖雄，等.超聲相控陣角度偏轉(zhuǎn)極限測試方法探討[J].無損檢測，2012(6)：21-24，61.

[5]劉曉睿，強(qiáng)天鵬，鄔冠華.加楔塊超聲相控陣的聚焦特性測試[J].無損檢測，2012(11)：32-36.

[6]孫忠波，強(qiáng)天鵬.超聲相控陣系統(tǒng)的聚焦特性研究[J].無損檢測，2012(10)：23-27.

[7]劉曉睿，強(qiáng)天鵬，鄔冠華，等.無楔塊條件下超聲相控陣的聚焦特性測試[J].無損檢測，2012(3)：38-41.

[8]楊平華，林莉，劉春偉，等.相控陣超聲檢測橫向分辨力實(shí)驗測試及分析[J].儀器儀表學(xué)報，2011(6)：1384-1389.

[9]楊平華.相控陣超聲檢測關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2011.

[10]李國偉，陳琦，陳亞珠.高強(qiáng)度聚焦超聲相控陣列的優(yōu)化設(shè)計方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2002，36(7)：949-952.

Study on Influence Factors of Phased Array Adding Wedge S-scanning Detection

QI Xiangqian，SUN Zhengwei，AN Guangshan
(CNOOC Safty Technology Services Co.,Ltd.,Tianjin 300384，China)

In order to increase the resolution of phased array adding wedge S-scanning detection results，it studied the influence on phased array adding wedge S-scanning from phased array probe excitation aperture selection，angle deflection range setting，focus depth setting，reference block selection and others.The results indicated that，with detection depth increasing，the angle deflection range reduced，the actual deflection angle should be determined according to the test.In order to improve the detection result resolution，should as far as possible to excite the phased array probe wafer，and the focus depth should be determined in accordance with near field zone of workpiece.

nondestructive testing;phased array;excitation aperture;angle deflection;focus depth

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.007

齊向前(1978—)，男，高級工程師，主要從事金屬材料及無損檢測技術(shù)的研究。

2016-06-08

謝淑霞