相控陣超聲波儀器的校準

文/吳員 姜華 張天江

1 背景

近年來，碳鋼對接環焊縫的檢測技術不斷發展，涌現出了衍射時差法（TOFD）,全自動超聲波（AUT）,相控陣超聲波技術（PAUT）等一系列先進的無損檢測手段，其中相控陣超聲波設備有檢測效率高、體積靈活，而且無污染等特點，已經逐漸占據碳鋼對接環焊縫檢測的主導地位，本文針對該設備的關鍵指標及校準方法進行了研究說明，為類似的設備校準提供了參考。

2 檢測設備要求

數據處理系統相控陣設備應具有PE功能，并配備2dB 或者更小步進可調的控制。設備應有獨立的16/32 發射/接受通道。系統能夠提供A/B/C/S 四種圖像顯示。相控陣系統包含聚焦法則生成軟件，允許直接修改超聲聲束特性。相控陣系統可以使用外接的存儲設備。便攜式電腦可以通過網絡連接。除了數據存儲，電腦也可以用來數據采集之后的數據分析。

如果校準中使用某項控制功能，那么影響系統校準這些功能將不能改變。相控陣系統應在開工前進行線性校準，校準的有效期為12個月。設備同時還要能夠支持TOFD 檢驗。

3 校準試塊

相控陣設備應在專用的試塊上進行校準，試塊必須采用與生產焊縫材料系統或者相近的材料進行加工，聲速測量及楔塊延遲應使用IIW 試塊或者復合試塊的弧面進行校準，TCG及靈敏度應根據ASME V 的要求使用直徑為2.4mm 的側鉆孔進行校準。

4 認可試塊

試塊使用材料應為項目中實際應用管材或者聲速性能相近的材料并使用與實際生產一致的焊接程序進行焊接。校準試塊反射體的尺寸及位置參照ASME V 和 ASME B31.3 CASE 181。

5 設備校準

設備應進行校準以保證相控陣設備在現場檢驗過程中狀況良好。

5.1 屏幕高度線性

（1）相控陣設備使用縱波或者橫波探頭耦合于任何能夠產生兩個信號的試塊。

（2）調整探頭使兩個信號分別指80%及40%FSH。

（3）如果相控陣設備可以在PE 模式下支持單晶片的探頭，那么在線性試塊中兩個阻抗可調的平底孔將提供遮這樣的信號。

（4）增加增益使較大的信號調節是100%FSH。

（5）以10%的間隔調節較大的信號直至10%FSH。

（6）使較大的信號調整至80%，確定較小的信號沒有變化。

（7）如果第二個信號大于41%，或者小于39%，重復上述實驗。

表1：波幅控制線性

圖1：楔塊延遲校準

5.2 波幅控制線性

（1）垂直線性是為了檢查反射波幅高度滿足表1的要求。

（2）打開設備并導入設置。

（3）將探頭放在試塊上，移動探頭得到一個已知深度的信號。

（4）調節增益使信號達到80%FSH。

（5）按照下表調節增益，使得波幅高度滿足表1要求。

5.3 水平線性

（1）為了評估水平線性，調整相控陣設備至A 掃。選擇0 度縱波探頭。

（2）在IIW 試塊上25mm 壁厚范圍內得到10 個反射信號。

（3）設置模數轉換率至少80MHz。

（4）至少顯示10 個A 掃。

（5）水平線性誤差理論及實際值不能超過2%。

5.4 探頭晶片檢測

應進按照下列步驟行晶片檢測，檢測是否有損壞晶片。

（1）連接探頭及楔塊。

（2）調整顯示范圍所有角度都能夠顯示覆蓋100mm 的IIW 試塊的弧面。

（3）將探頭放置于IIW 試塊上得到100mm 弧面的信號。

（4）前后移動探頭并調整增益使最高波達到80%FSH。

（5）凍結顯示。

（6）調整角度檢查波幅。

誤差說明：

（1）相鄰晶片差距不得大于3 dB。

（2）損壞晶片數量不得大于2 個。

（3）損壞晶片數量不得大于總晶片數量的10%。

6 校準測試

6.1 相控陣校準

6.1.1 聲束校準

聲束校準應使用IIW 試塊的弧面。

6.1.2 楔塊延遲校準

所有的組都應進行楔塊延遲校準。IIW 試塊100mm 的弧面應用來校準楔塊延遲，將探頭放置于下面IIW 試塊。來回移動相控陣探頭得到不同角度或聚焦法則的最高波，如圖1所示。

6.1.3 靈敏度校準

靈敏度校準是為了保證不同角度檢測反射體是顯示的波幅是一致的，該項目中將使用2.4mm 的SDH.移動探頭至SDH 上方，掃描范圍覆蓋SDH，生成一個曲線，增益自動計算并增加。最終使檢測SDH 的所有聚焦法則得到的波幅均為80%。

6.1.4 靈敏度校準

繼續上述過程將會創建TCG 曲線。孔的位置應至少覆蓋2 倍的焊縫厚度。該校準修正同一反射體在不同深度或者聲程的情況，使得檢測波幅都達到80%。由于探頭的移動將所有的聚焦法則都暴露于校準反射體，設備中的校準管理獎儲存每個TCG 點的增益偏移。靈敏度、楔塊延遲及TCG 的校準是為了檢測不同聲程的SDH 及槽時得到相同的波幅。檢測前應至少進行一次完整的系統校準。

6.1.5 編碼器校準

自動或者半自動掃查應使用編碼器跟蹤探頭的位置。在焊縫周長方向上的定位精度應達到+/- 1%或者 10mm 的較大值。編碼器應每天校準。在既定的距離上移動掃查器并比較開始及最終的讀數就可以確定編碼器。誤差外的編碼器應進行重新校準。

6.2 TOFD校準

6.2.1 PCS 設置

為保證被檢測區域都能被檢測到，TOFD探頭必須兩個組成一組，兩個探頭沿著焊縫對稱擺放，且兩個探頭連線垂直焊縫，探頭掃查時沿著焊縫平行移動。探頭的設置必須保證需要檢測區域超聲衍射信號的強度達到指定的靈敏度。對于11.1mm 和12.7mm，探頭間距必須使兩探頭聲束交點2/3t 深度處。

6.2.2 厚度校準

為了確保TOFD 系統及其所有設置都是正確，可行，檢測系統檢測前必須進行厚度校準,在以下情況下需要對系統進行厚度校準。

將探頭放置在參考試塊上沒有缺陷位置處。直通波和縱波反射回波必須能清晰顯示，采集直通波和反射縱波并顯示在B 掃描圖像中。如果無法采集直通波和反射縱波，在被檢測區域的刻槽或橫孔信號也可以用作深度校準。

6.2.3 掃查靈敏度校準

能否顯示出缺陷主要取決于信號強度，當增益調至最優化時（所有參考缺陷都能顯示出來）,直通波的波幅或者參考缺陷信號的波幅都可以作為實際工件掃查時的參考靈敏度。當工件較薄，一對TOFD 探頭，一個分區能夠滿足要求時，在實際工件上進行靈敏度設置，一般將直通波的波幅設定到滿屏高的40 ～80%；若因工件表面狀況影響，采用直通波不適合或直通波不可見，可將底面反射波幅設定為滿屏高再提高18 ～30dB；若直通波和底面反射波均不可用，可將材料的晶粒噪聲設定為滿屏高的5%～10%作為靈敏度。

7 數據評估

7.1 相控陣數據分析

最后的數據評估應使用Tomoview 軟件在現場完成。數據評判時可根據焊縫幾何尺寸的不同使用不同的頁面布局但至少應包涵以下內容：A 掃，扇形掃查，B 視圖，C 視圖。

數據分析應按照下列步驟進行：

（1）放大B 視圖，顯示150mm 的范圍。

（2）使用鼠標移動數據線，注意扇形掃查的顯示。

（3）將數據線放置于扇形掃查顯示的缺陷位置中間，其他視圖配合完成分析。

（4）記錄B 視圖缺陷的長度，長度的測量應使用6 dB 法。

（5）S 視圖中找到缺陷的最高波幅，測量缺陷的高度，使用6 dB 法。

（6）用扇掃確定缺陷的偏移位置。

（7）任何超標缺陷都應明確參考位置。應用草圖描述缺陷的大致位置，包括長度及起始。

7.2 TOFD數據分析

當缺陷的上下尖端可以清晰的辨認時，TOFD 技術應用來提高缺陷的檢測和定量精度。

8 結論

通過上文的敘述，相控陣超聲波設備的校準試塊、系統校準、數據分析等內容得到了清晰的展現，基本上覆蓋了設備校準的全部要點及關鍵步驟，在類似設備的校準中可以參考本文的內容。