超聲波相控陣檢測技術在承壓特種設備焊縫檢驗中的應用探討

陳楊新

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，江西 南昌 330006）

傳統的檢測技術在準確性方面存在一定不足，其應用價值逐漸低落，被超聲波相控陣檢測技術取代已經成為必然發展趨勢。將該技術應用于承壓特種設備焊縫檢驗并充分發揮其優勢，可以實現焊縫全覆蓋檢測，有利于及時發現焊縫中存在的各種內部缺陷，對增強檢驗結果準確性、切實提高檢測質量具有積極影響。

1 超聲波相控陣檢測技術應用原理與優點

1.1 含義與原理

超聲波相控陣檢測技術的思想來源是雷達電磁波相控陣技術，后者通過控制排成陣列的輻射單元相位與幅度調整電磁波輻射方向，以此實現快速聚焦掃描的目的。與此相似，超聲波相控陣檢測技術利用單一晶片探頭激發超聲波，由于超聲波在同一傳播方向上角度不變，所以在應用該技術開展檢驗工作時，應注意角度的調整，避免出現漏檢問題。

1.2 優點與特征

經過試驗證明，超聲波相控陣檢測技術的特征表現為波束偏轉與波束聚焦兩方面，圖1左側表示波束偏轉，右側代表波束聚焦。其應用優勢主要包括以下幾點：第一，生成的波束角度與聚焦深度具有可控性；第二，能夠對從全方位、多角度對設備進行高速檢測；第三，在檢驗過程中既不需要移動和更換探頭，也不必采用復雜裝置；第四，控制聚焦范圍與波束方向的能力比較強，有利于提高缺陷檢出率，降低設備故障發生率。

圖1 超聲波相控陣檢測技術特征表現

2 超聲波相控陣檢測技術在承壓特種設備焊縫檢驗中的應用

2.1 科學選擇探頭

超聲波相控陣檢測技術對探頭質量要求較高，因此為了確保該技術在承壓特種設備焊縫檢驗中充分發揮自身功能優勢，必須科學選擇探頭。首先，需要對探頭的晶片陣列進行選擇，目前應用價值比較高的陣列主要有線性、矩形、環形等幾種，其中使用范圍最廣的是線性陣列。其次，確定并調整探頭頻率，頻率越高，探頭的靈敏度越高、分辨力越強，檢驗結果越真實，但在實際使用過程中需要根據焊縫所處設備的材質確定頻率，具體可參考：晶粒細的碳鋼頻率范圍是2.5～5（MHz），晶粒粗的不銹鋼焊縫頻率區間為1～2.5（MHz）[1]。最后，保證探頭尺寸的合理性，對于壁厚焊縫，可以選擇尺寸較大的探頭，原因是其包含的晶片數量較多，能夠利用聚焦法則一次性激發多組功能不同的波束，焊縫檢驗的覆蓋范圍比較廣；對于壁薄且不平整的焊縫，為了突破空間與形狀的限制，應選擇尺寸相對較小的探頭。

2.2 應用聲束模擬軟件檢測

特種設備焊縫檢驗區域主要包括焊縫內部、鄰近區域、熱影響區，為了保證超聲波相控陣檢測技術發出的波束有效覆蓋所有被檢區域，應采用聲束模擬軟件對波束傳播進行模擬，以此實現提高超聲波相控陣檢測質量的目的。Setup Builder聲束模擬是目前應用性較強的一款軟件，以理論聲學公式為基礎，對不同型號換能器在不同環境與工藝條件下產生的波束進行計算，為檢驗工作提供參數支持，充分發揮該軟件的作用，對改善波束信噪比與增強穿透力具有重要意義。

2.3 結合實際情況采用不同掃查法

在應用超聲波相控陣檢測技術對特種設備焊縫進行檢驗時，應根據實際情況選擇掃查法。現階段比較常用的掃查法主要是分區掃查與線性掃查：第一，分區掃查法是指將焊縫分為若干分區，對每個分區的高度進行控制，針對每個分區安排一組超聲波波束，基于焊縫坡口角度確定波束檢測角度，以此完成焊縫檢驗工作；為了確保分區掃查效果，通常會采用專用校準試塊進行控制，根據不同材質、不同直徑、不同壁厚的特種設備選擇針對性較強的試塊，為提高焊縫檢驗工作質量提供支持[2]。第二，線性掃查是指沿著特種設備焊縫做直線運動，在應用線性掃查法時，超聲波波束的主要面向對象的整個焊縫被檢區域，相較于傳統的鋸齒形掃查法，線性掃查法覆蓋的區域更廣；另外，該掃查法需要利用多個探頭進行焊縫檢驗，但因為運動方向單一且操作方式簡單，因而可以將其與自動化技術相結合，如此既能提高超聲波相控陣檢測效率，又能優化人力資源配置，對減少人為操作失誤、規避漏檢現象具有積極影響。

2.4 基于實際確定工藝參數

為了提高超聲波相控陣檢測效果，檢測人員在正式開展相關工作之前需要先綜合分析實際情況，并基于此確定參數，目前對檢測結果影響性較強的參數主要有波束類型、波束角度、激發的晶片數量、探頭偏移、聚焦范圍等。若想保證確定的工藝參數符合超聲波相控陣功能充分發揮要求，檢測人員還需要遵循以下基本原則：波束覆蓋范圍必須概括熱影響區、檢測區，以及除此之外的6mm區；利用經儀器對初步設置好的參數進行調校，確保可以成功通過認證試塊認證；符合超聲波相控陣檢測標注規范中提出的其他要求。

檢測人員在確定工藝參數時，可以借鑒以下方法降低影響因素的限制：第一，波束類型，面對晶粒相對較粗且材質為不銹鋼的承壓特種設備焊縫檢測，檢測人員需要采用縱波角度入射法，相較于傳統橫波波束的一次反射法，能夠有效解決衰減嚴重、信噪比差等問題。第二，波束角度，在選定該角度范圍時，檢測人員要充分考慮承壓特種設備焊縫尺寸等實際情況，基于此科學選擇楔塊，主要原因是波束角度一般在廠家推薦的楔塊閾值內，為了保證檢測效果，應盡量擴大波束范圍，尤其是壁厚相對較大的焊縫，若是波束范圍過小，便無法全面覆蓋被檢區域，會減弱檢測結果的真實性。第三，激發的晶片數量與位置對檢測結果影響性較大，被激發的晶片數量越多且位置正確，有效晶片的尺寸就會越大，極大程度上增強了發現遠距離缺陷的能力，對擴大可聚焦范圍、提高檢測質量具有積極影響；正常條件下，晶片數量以16為最佳，其他情況可以根據壁厚、聲波衰減系數適當增加或減少[3]。第四，探頭偏移是指承壓特種設備焊縫中心與探頭前沿的距離，當焊縫存在余高時，必須保證探頭偏移足夠，這是避免因探頭前沿壓在焊縫余高上使其無法耦合的關鍵，對此檢測人員要在保證覆蓋被檢區域的前提下，對探頭偏移進行調節，促使被激發的晶片始終處于探頭中間位置。第五，聚焦范圍，超聲波相控陣與常規超聲波的不同之處在于前者可以實現波束的動態聚焦，當聚焦區域內的超聲波能量較強時，檢測設備的靈敏度與分辨力相對較高，因此針對尺寸較小的尺寸，檢測人員要將聚焦范圍設置在焊縫中間；對于某區域的特定缺陷，聚焦范圍應集中于一點；面對壁厚逐漸增加的現象，可以先將焊縫劃分為不同區域，再分別采用不同波束進行聚焦檢測。

3 結束語

綜上所述，超聲波相控陣檢測技術能夠對設備進行全方位、多角度的高速檢測，在控制聚焦范圍、調整波束方向、檢測缺陷等方面具有良好作用。因此為了確保該技術優勢在特種設備焊縫檢驗充分發揮，必須科學選擇探頭、合理應用聲束模擬軟件并基于實際情況選擇掃查法，以此彌補傳統檢測技術的不足。