相控陣技術對焊縫缺陷檢測的研究及應用

華月姣

安陽中科工程檢測有限公司 河南安陽 455000

1 相控陣檢測技術

1.1 概述

相控陣檢測是一種通過對陣列傳感器各獨立陣元按一定的延遲法則進行激勵、接收，合成特定形式聲場，通過超聲波數據以圖像的形式顯示出來的一種無損檢測技術。通過時間延遲相繼激發探頭中多個晶片，每個激活晶片發射的超聲波束相互干涉形成新的波束，通過軟件調整，新波束的角度、焦距、焦點尺寸等均可根據檢測需要予以改變。與傳統TOFD、超聲測厚、A型脈沖回波檢測等無損檢測技術相比，相控陣檢測技術的一個探頭即具備多個性質相同的晶片，通過控制聚焦深度、偏轉角度、波束寬度形成不同的虛擬探頭（VPA），從而可對試件進行高速、全方位和多角度的檢測，在掃查過程中可形成大量A掃和C掃數據，且通過相控陣儀器數據處理可實現以S掃的形式顯示出來。

1.2 基本原理

根據費爾馬原理，可以計算出晶片的激發時間和延遲時間，使所有晶片產生的柱狀波（球面波）的波前在同一時間到達空間的同一點，波束都是柱狀聚焦或球面聚焦的，基于缺陷的反射波被晶片接收來檢測，通過聚焦法則計算器，計算出每個晶片的延時，從而得出波束偏轉和聚焦的深度和角度，檢測得到的模擬信號經過調整，可在多個視圖中顯示。利用超聲探測儀按預先設定的波前延時值觸發各通道相控陣裝置，從而形成激勵脈沖，通過各壓電陣元均產生聲束，使陣列探頭中各單元發射的超聲波疊加形成入射波前。接收時，通過界面或者缺陷反射波，按預定的延時值，接受回波信號并進行累加，經過超聲探測儀處理即顯示出來。

2 國內外相控陣檢測技術發展現狀

目前國外相控陣檢測技術在工業上的應用已得到ASTME2491：2006，ASMEE2007-9，JISZ3070：1998，EN16018：2011，ISO/DIS13588：2010等標準的認可。其中研究及應用相控陣較為深入的國家主要有法國、加拿大、英國、德國、美國等。2005年，GE研發的超聲相控陣油氣管道檢測系統正式投入使用，得到良好的檢測效果；同時，GE與聯邦材料試驗研究所（BAM）、德國鐵路(DB)聯合研發了用于檢測火車輪軸關鍵部位橫向裂紋的超聲相控陣系統。ISO13588-2010標準是到目前為止最為先進的相控陣標準，此標準對檢測設定了四種等級，并允許采用長度法及波幅法對缺陷進行驗收（或評估），但此標準不包含對缺陷驗收的等級。與國外相比，國內對于超聲相控陣的研究起步較晚，各個標準機構都在積極研究制訂超聲相控陣檢測技術工藝和儀器性能測試的標準，如中華人民共和國國家標準正研究討論相控陣超聲檢測系統的性能與檢驗，而中華人民共和國機械行業標準則對相控陣檢測儀器技術條件、鋼對接焊縫相控陣超聲檢測方法及缺陷分級做了規范[1]。但迄今都還在討論階段，尚未制訂具體的標準。在相控陣檢測技術理論研究上，清華大學基于設計了二維矩陣相控陣，對檢測區域進行了三維成像。天津大學研制了超聲相控陣管道環焊縫檢測系統，并對環焊縫的相關檢測方法進行了研究，獲得很好的缺陷分析結果[2]。由于國內擁有相控陣設備單位比較少且檢驗技術不成熟，對相控陣檢測中發現的各種性質的缺陷特別是裂紋的認識還不足。因此有必要對相控陣檢測中發現的不同性質的缺陷進行特征分析，提高焊縫缺陷的檢測能力，確保設備的安全運行[3]。

3 相控陣檢測技術在對接焊縫檢測中的應用

相控陣檢測技術在承壓類特種設備對接焊縫檢測中發揮著重要作用，本試驗選用400mm×400mm×17mm材質為Q345R的缺陷模擬試塊為例，采用OlympusOmniscanmx2相控陣檢測儀。S掃描視圖為由扇掃描聲束組成的扇面形狀的圖像顯示，圖像中橫坐標表示離開探頭前沿的距離（步進軸），縱坐標表示深度（超聲軸），沿扇面弧線方向的坐標表示角度。焊縫檢測時，S掃描顯示的是探頭前方焊縫的橫截面信息。真實的裂紋類缺陷，通常會有一個較強烈的底面端角反射信號，同時在該反射信號上會出現斷續的較弱的尖端衍射信號。在S掃描視圖上，通過改變角度光標的位置，找到上端點和下端點的位置，并將參考光標和測量光標放置于上下端點位置。通過測量得到最終缺陷的測量尺寸如下：缺陷長度S(mr)=7．90mm（實際長度為8．00mm），缺陷深度U(r)=16．70mm（實際深度為16．50mm），缺陷高度U(m-r)=5．48mm（實際高度為5．6mm），誤差均小于2．5%，檢測結果與實際缺陷相符。

4 結語

相控陣檢測技術在對接焊縫檢測中，焊縫缺陷可通過S掃描圖像進行定性和定量分析，與常規A掃脈沖波形相比，相控陣技術檢測的缺陷信號和幾何信號圖像更易分辨和儲存。運用相控陣檢測技術對承壓類特種設備焊縫進行無損檢測能獲得更多波形，可以更有效快速的發現設備的缺陷隱患，生成可視云圖實現動態監測，確保其安全運行狀況，達到提高設備安全運行的目的，切實保障國民人身和財產安全。