小徑管對接接頭相控陣超聲檢測關(guān)鍵工藝參數(shù)選擇

侯金剛 楊 齊 潘強(qiáng)華 原可義?

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

(2.國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局無損檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029）

相控陣超聲檢測技術(shù)具有聲束精確可控，靈活性強(qiáng)，缺陷顯示形象直觀，檢測速度快，缺陷定量準(zhǔn)確性高，總體檢測可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，代表著超聲檢測技術(shù)未來的發(fā)展方向。隨著GB/T 32563—2016《無損檢測 超聲檢測相控陣超聲檢測方法》和DL/T 1718—2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》的頒布實(shí)施，相控陣超聲檢測技術(shù)的工程實(shí)用化程度也進(jìn)一步提高。

在電站系統(tǒng)中，存在著大量φ32mm～89mm、壁厚4mm～14mm的鐵素體鋼制小徑薄壁管對接接頭。因其管壁薄、曲率半徑小、超聲檢測目標(biāo)區(qū)與近場區(qū)重疊等影響，常規(guī)超聲檢測存在聲波散射嚴(yán)重、檢測靈敏度低和表面波、幾何反射回波及變形波等雜波多、干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)，給缺陷的判定和定量帶來較大困難；而射線檢測時，因部分小徑管排列密集、透照空間狹窄、透照厚度比較大，有的焊接接頭只能從一個方向檢測，有效檢出范圍較小，容易造成缺陷漏檢。

為解決上述問題，中國特種設(shè)備檢測研究院聯(lián)合應(yīng)用單位，將相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到小徑管對接接頭的無損檢測中，完成了方法研究、工藝制定、工程驗(yàn)證、項(xiàng)目實(shí)施等一系列工作，在解決工程問題的同時，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，于2013年制定了業(yè)內(nèi)首個相控陣超聲企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；合作單位也于2017年完成了相控陣超聲電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制和頒布實(shí)施。筆者參與了該項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的大部分工作，現(xiàn)結(jié)合多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就小徑管對接接頭相控陣超聲檢測中工藝設(shè)置及實(shí)施過程的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)，以期對相控陣超聲檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用有所裨益。

1 楔塊的選擇

相控陣超聲檢測用楔塊一般需要專門設(shè)計，除了與探頭表面可靠耦合，實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)、保護(hù)晶片等常規(guī)功能外，為了與檢測表面匹配，可能還需要設(shè)計一定曲率的柱面、半球面或仿型面等。對于小徑管對接接頭檢測，通常將楔塊設(shè)計成與其外徑接近的柱面，以保證足夠的透射能量和可控的檢測聲場。目前，相控陣超聲檢測中常用的楔塊角度為45°、55°和60°，以上角度指的是超聲波聲束經(jīng)楔塊折射入鐵素體鋼材料中的中心角度。

經(jīng)過多年的應(yīng)用與改進(jìn)，小徑管對接接頭系列楔塊已比較完善，外形如圖1所示，曲率半徑從φ32mm到φ89mm都能有效覆蓋。根據(jù)ISO 13588：2012及 GB/T 32563—2016要求，對于曲面工件為確保耦合良好，工件與楔塊最大間隙超過0.5mm時，應(yīng)定制與工件曲率相符的楔塊，同時應(yīng)修改儀器中楔塊的參數(shù)，以確保延遲法則的精確性。實(shí)際上，不可能對每一種管徑都制作對應(yīng)的楔塊，通常通過將耦合間隙控制在0.5mm以內(nèi)以實(shí)現(xiàn)使用少數(shù)楔塊對目標(biāo)檢測范圍的覆蓋。

圖1 自聚焦相控陣超聲探頭專用斜楔塊

當(dāng)楔塊與檢測表面的曲率不一致時，會出現(xiàn)兩種情況，一種是耦合間隙出現(xiàn)在邊緣，如圖2（a)所示；另外是耦合間隙出現(xiàn)在耦合中心，如圖2（b)所示，這兩種情況對耦合效果的影響是不同的。

圖2 楔塊曲率半徑與被檢工件不完全匹配

利用CIVA仿真軟件對間隙為0、間隙＜0.5mm和間隙＞0.5mm時圖2所示的兩種情況進(jìn)行仿真，探頭參數(shù)按照小徑管檢測常用的自聚焦探頭設(shè)置（7.5MHz16陣元），楔塊和探頭的具體參數(shù)如圖3所示，被檢材料為碳鋼，楔塊材質(zhì)為有機(jī)玻璃，耦合介質(zhì)為水。仿真結(jié)果見圖4。

圖3 仿真使用的探頭和楔塊參數(shù)

圖4 耦合間隙類型及大小對檢測聲場的影響

對于以上仿真結(jié)果分析可知：

1）比較圖4（a）、圖4（b)和圖4（c)，聲場的結(jié)構(gòu)基本未發(fā)生變化，強(qiáng)度依次略有降低，是因?yàn)椴捎玫奶筋^為一維線陣探頭，接觸面為線接觸，即使由于楔塊本身的曲率半徑大于被檢工件的曲率半徑造成楔塊兩邊與工件本身存在一定的間隙，聲束的主要能量還是能通過中間接觸良好的區(qū)域?qū)牍ぜ校瑢τ隈詈喜粫刑笥绊懀?/p>

2）比較圖 4（a）、圖 4（d) 和圖 4（e)，當(dāng)楔塊與被檢工件間隙＜0.5mm時，聲場的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度基本沒有變化，但是當(dāng)楔塊與被檢工件間隙＞0.5mm時，聲場的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均發(fā)生了較大變化，主要是由于間隙的存在形成了透鏡效應(yīng)，造成了聲場分布的變化；

3）以上分析說明：當(dāng)楔塊曲率半徑大于管外徑時，對于耦合間隙的容忍度較大；當(dāng)楔塊曲率半徑小于管外徑時，耦合間隙需要嚴(yán)格控制，否則對耦合效果影響較大。在小徑管檢測中，當(dāng)沒有完全匹配的楔塊時，盡量選擇曲率半徑大于工件本身曲率半徑的楔塊，以減少檢測過程中耦合間隙波動引起的定量誤差。

2 扇掃描角度范圍選擇

扇掃描是相控陣超聲檢測中最常用的延遲法則，在扇掃過程中，超聲主聲束按照一定的角度步進(jìn)依次覆蓋選定的范圍。角度范圍是扇掃描的關(guān)鍵參數(shù)，如果扇掃描的起始角小于第一臨界角，檢測工件中就會同時存在折射橫波和折射縱波，對檢測結(jié)果造成干擾甚至誤判，如果角度范圍過大，則可能出現(xiàn)檢測聲場不均勻，令檢測靈敏度下降，造成漏判，因此在檢測中，需要慎重選擇角度范圍。

2.1 扇掃描起始角度的確定

根據(jù)snell定律，當(dāng)超聲波斜入射到界面時，會產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。如圖5所示，當(dāng)縱波L傾斜入射到固/固界面時，會同時產(chǎn)生反射縱波L′、反射橫波S′、折射縱波L″和折射橫波S″，它們的反射角或折射角可由式（1）表示：

2.2 三組患者血清陽性檢出率比較 血清AFP、CA125、TK1三者聯(lián)合陽性檢出率明顯高于單項(xiàng)陽性檢出率，肝癌組陽性檢出率明顯高于對照組以及良性組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表2。

式中：

cL1，cS1——分別為第一介質(zhì)中的縱波、橫波波速；

cL2，cS2——分別為第二介質(zhì)中的縱波、橫波波速；

αL，α′L，α′S——分別為縱波入射角、縱波反射角和橫波反射角；

βL，βS——分別為縱波折射角和橫波折射角。

圖5 縱波斜入射的波型轉(zhuǎn)換[1]

通常將βL= 90°時的αL稱為第一臨界角，為避免波形轉(zhuǎn)換的干擾，在設(shè)置扇掃角度范圍時，主聲束的入射角應(yīng)大于第一臨界角；需要注意的是，在目前的相控陣儀器中，角度范圍的設(shè)置通常是指βS的范圍，因此在應(yīng)用中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。舉例說明：

若采用的楔塊縱波聲速為2337m/s，鋼中縱波聲速為5950m/s，鋼中橫波聲速為3230m/s。當(dāng)工件中的折射縱波角βL= 90°時，根據(jù)式（1）計算得αL=23.1°，βS= 32.8°。所以設(shè)置的扇掃描起始角度應(yīng)該大于32.8°。

2.2 扇掃描角度范圍的選擇

圖6 不同偏轉(zhuǎn)角度時的聲場變化

根據(jù)不同的檢測條件，扇掃描的最大角度可能會有波動，但上限值始終存在。通常在小徑管檢測中，扇掃描角度范圍一般選擇40°～70°，根據(jù)具體檢測對象還需微調(diào)。如果可以在被檢焊縫兩側(cè)掃查，在滿足覆蓋要求時，角度范圍可以選擇小一些，因?yàn)槭苡布较拗疲蠖鄶?shù)儀器的角度增益補(bǔ)償（ACG）的動態(tài)范圍有限，補(bǔ)償角度范圍過大時，會影響角度均一性、降低檢測靈敏度；但是由于結(jié)構(gòu)原因，只能在單側(cè)檢測時，為了盡可能保證被檢區(qū)域全覆蓋，角度范圍要大一些，在無法實(shí)現(xiàn)均一角度增益補(bǔ)償時，可以分多次設(shè)置。

此外，超聲能量在界面處的透過率也對檢測靈敏度有較大的影響，而扇掃角度與聲壓的往復(fù)透射率有直接的關(guān)系。如圖7所示為楔塊材料為有機(jī)玻璃，縱波斜入射至有機(jī)玻璃/鋼界面時的聲壓往復(fù)透射率與入射角的關(guān)系曲線。當(dāng)縱波入射角為14.5°～27.27°(第二臨界角)之間時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波，其折射橫波聲壓往復(fù)透射率最高不超過30%，往復(fù)透射率最高時所對應(yīng)的縱波入射角約為30°，橫波折射角約為37°。根據(jù)此關(guān)系曲線扇掃描的角度范圍應(yīng)控制為35°～70°，此范圍內(nèi)的聲壓往復(fù)透射率在20%左右。

圖7 有機(jī)玻璃/鋼界面聲壓往復(fù)透射率[1]

以上所述為相控陣超聲檢測中角度范圍選擇的基本原則，角度范圍最終的選擇還要根據(jù)能否全部覆蓋或者最大程度的覆蓋被檢區(qū)域來選擇。一般要根據(jù)檢測對象結(jié)構(gòu)、工件厚度、坡口型式、焊縫寬度，并結(jié)合探頭的放置位置來確定。

3 關(guān)于“探頭位置”的選擇

所謂探頭位置，指的是實(shí)際檢測時探頭與焊縫的相對位置，對于不同的相控陣超聲檢測設(shè)備有不同的定義，一種為探頭前端距離焊縫邊緣的位置，另一種為探頭前端至焊縫中心線的位置，本文描述采用前一種定義。

目前在用的相控陣超聲設(shè)備都內(nèi)置有簡易聲線法模擬軟件，但大多數(shù)在延遲法則設(shè)置和模擬運(yùn)算時都沒有考慮余高的存在，如圖8所示，余高在仿真中不作為有效界面出現(xiàn)，聲束按設(shè)置厚度反射，因?yàn)椴豢紤]余高的存在，圖示聲束能夠完全覆蓋被檢區(qū)域，但是實(shí)際情況并非如此。

圖8 某設(shè)備內(nèi)置模擬軟件聲束覆蓋圖

以φ51mm×4mm和φ45mm×11mm為例利用CIVA軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示，因?yàn)橛喔叩拇嬖冢瑢?dǎo)致了聲場的畸變，在被檢體積內(nèi)出現(xiàn)了聲場無法覆蓋的區(qū)域。

相控陣超聲檢測中，探頭前端距焊縫邊緣的距離（L）設(shè)置很關(guān)鍵，它決定了檢測覆蓋范圍，還要考慮探頭是否有余高干涉，以及非平行掃查是否可行等。總體而言，探頭的位置并不是越近越好，需要綜合考慮坡口型式、焊縫的實(shí)際尺寸、有無余高、探頭尺寸、有效孔徑激發(fā)晶片的位置、扇掃角度范圍等多個因素，在不影響對被檢區(qū)域覆蓋的情況下盡可能地靠近焊縫，當(dāng)需要利用多次波檢測時，應(yīng)特別注意保證反射波通過母材反射。

圖9 聲束經(jīng)余高反射后的聲場變化

4 壁厚4mm～8mm的小徑薄壁管焊接接頭掃查覆蓋設(shè)置

對于公稱厚度為4mm≤T≤8mm的小徑薄壁管，由于相控陣超聲探頭晶片和前沿一般較常規(guī)探頭（如K3探頭）的晶片和前沿大，一次波很難檢測到焊縫根部，增大一次波的角度，會引起聲束畸變和激發(fā)表面波，影響檢測。因此對于公稱厚度8mm以下的工件可采用三次波檢測焊接接頭根部，考慮到聲場的分布，采用二次波或四次波檢測焊接接頭中上部，如圖10所示。

圖10 壁厚4mm～8mm的小徑薄壁管焊接接頭的聚焦法則設(shè)置

三次波檢測焊接接頭根部，入射角一般設(shè)置在35°～55°之間，如圖11端角反射率與入射角的關(guān)系曲線所示，在入射角為35°～55°之間時，端角反射率達(dá)100%。也就是說，折射角βS為35°～55°之間時，探測類似端角的缺陷（例如焊縫中的未焊透和裂紋類缺陷）靈敏度較高，現(xiàn)場的實(shí)際檢測情況同樣驗(yàn)證了此類設(shè)置的有效性。

圖11 端角反射率與入射角的關(guān)系[1]

5 結(jié)論

相控陣超聲檢測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，其獨(dú)特的偏轉(zhuǎn)和聚焦特性以及線掃描、扇掃描、動態(tài)聚焦等方式為復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的檢測提供了便利條件，但是對于檢測薄壁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件時需要和對象建模和聲場仿真緊密結(jié)合，對工藝制訂和檢測實(shí)施者以及檢測設(shè)備的要求均較高，對于實(shí)際操作與工藝一致性要求高。制定的工藝需要通過模擬試塊進(jìn)行驗(yàn)證，在現(xiàn)場檢測時，還需根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況調(diào)整檢測工藝，以滿足現(xiàn)場檢測需要，只有通過理論與實(shí)際的互相補(bǔ)充，互相完善，才能在檢測工藝上進(jìn)一步的優(yōu)化。