水工金屬結(jié)構(gòu)插管角焊縫超聲相控陣檢測(cè)

艾文波，丁 鵬，2，3，黃福錢，李京鴻

(1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310012；2.浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；3.水利部杭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310012)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種首先應(yīng)用于軍事、醫(yī)療行業(yè)，現(xiàn)逐漸被用于工業(yè)檢測(cè)中，用于航空航天、石油化工、船舶、輸油管道、鍋爐壓力容器、鋼結(jié)構(gòu)及異型對(duì)接焊縫等動(dòng)態(tài)圖像化檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方式。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)尚未在水利水電工程中得到廣泛的應(yīng)用[1]。長(zhǎng)久以來(lái)，水電站蝸殼、壓力鋼岔管焊縫等結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜等限制以及常規(guī)超聲檢測(cè)方法[2-9]的限制，其內(nèi)部缺陷的定性、定量評(píng)價(jià)等一直受到制約。通過超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣，這一問題能夠得到有效解決。

1 超聲相控陣

超聲相控陣是使用微型探頭陣列產(chǎn)生超聲波束，通過建立聚焦規(guī)則使電子裝置控制每個(gè)陣列單元的發(fā)射和接收時(shí)間，從而產(chǎn)生出多個(gè)超聲波束，通過控制陣列的激發(fā)和接收時(shí)間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實(shí)現(xiàn)工件的快速掃描成像。相對(duì)于射線檢測(cè)，超聲相控陣檢測(cè)具有耗材成本小，使用成本低，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，各維數(shù)據(jù)顯示更全面，判性信息更精準(zhǔn)，更加環(huán)保，現(xiàn)場(chǎng)使用更加方便，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于TOFD檢測(cè)，超聲相控陣最大的優(yōu)點(diǎn)是適用于復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè)。在某種程度上，是一種能夠替代射線檢測(cè)和TOFD檢測(cè)的超聲成像檢測(cè)方法[10-16]。常規(guī)超聲與超聲相控陣一次檢測(cè)的聲場(chǎng)覆蓋如圖1所示。

圖1 常規(guī)超聲與超聲相控陣一次檢測(cè)的聲場(chǎng)覆蓋示意圖

由圖1可以看出，常規(guī)超聲檢測(cè)是線性檢測(cè)，而超聲相控陣檢測(cè)是扇形掃查方式，通過檢測(cè)工藝，計(jì)算超聲相控陣傳感器與焊縫的距離放置傳感器，就可以使發(fā)射波束覆蓋整個(gè)焊縫，實(shí)現(xiàn)一次性檢測(cè)整個(gè)焊縫截面。除特殊情況，無(wú)需再像常規(guī)超聲檢測(cè)一樣前后移動(dòng)傳感器。平面試塊中超聲相控陣聲場(chǎng)分布與試塊缺陷的分布情況如圖2所示。

圖2 平面試塊超聲相控陣聲場(chǎng)與試塊缺陷分布

圖2顯示了超聲相控陣聲場(chǎng)與平面試塊缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，缺陷深度、當(dāng)量均較好的吻合，超聲相控陣技術(shù)的數(shù)據(jù)顯示和判性信息方面均比常規(guī)超聲檢測(cè)更精準(zhǔn)、全面。

2 插管角焊縫檢測(cè)

2.1 檢測(cè)準(zhǔn)備

水利工程某碳鋼插管角焊縫(90°直插)，插管壁厚71mm，其管座處焊縫進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)。超聲相控陣探頭為5MHz、32 晶片探頭，楔塊為55°楔塊。其聲束模擬檢測(cè)如圖3所示，一次波和二次波聲束可以完全覆蓋整個(gè)焊縫。

圖3 插管角焊縫聲束模擬

2.2 檢測(cè)結(jié)果

掃查焊縫后，共發(fā)現(xiàn)6處缺陷，其中1處內(nèi)部夾渣，2處側(cè)壁未融合，3處裂紋。缺陷統(tǒng)計(jì)見表1。缺陷超聲相控陣檢測(cè)圖譜分別如圖4—9所示。

表1 插管焊縫缺陷表 單位：mm

圖4 1號(hào)缺陷相控陣圖譜

圖5 2號(hào)缺陷相控陣圖譜

圖6 3號(hào)缺陷相控陣圖譜

圖7 4號(hào)缺陷相控陣圖譜

圖8 5號(hào)缺陷相控陣圖譜

圖9 6號(hào)缺陷相控陣圖譜

由圖4中超聲相控陣扇掃圖像可見缺陷在焊縫內(nèi)部，結(jié)合S掃描、A掃描和D掃描圖像，波形不光滑，可判斷為內(nèi)部夾渣類缺陷。由圖5—6中超聲相控陣扇掃圖像可見缺陷在焊縫坡口位置，這2處缺陷均判斷為側(cè)壁未融合類缺陷。由圖7中超聲相控陣扇掃圖像發(fā)現(xiàn)缺陷在焊縫根部位置，結(jié)合S掃描、A掃描和D掃描圖像中的波形狀態(tài)，判斷為根部裂紋類缺陷。由圖8—9中超聲相控陣扇掃圖像可見缺陷在焊縫內(nèi)側(cè)上表面位置，結(jié)合S掃描、A掃描和D掃描圖像中的波形狀態(tài)，判斷為內(nèi)側(cè)上表面裂紋類缺陷。

3 結(jié)論

相控陣檢測(cè)技術(shù)可以結(jié)合C掃描、S掃描、A掃描和D掃描進(jìn)行缺陷類型的識(shí)別，對(duì)S掃描上可疑信號(hào)的A掃描信號(hào)進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)可疑信號(hào)所在角度的B掃描圖像進(jìn)行分析，通過一系列掃描圖像對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行精確分析，全方位直觀進(jìn)行缺陷定性、定量。經(jīng)過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，通過探頭位置及聲場(chǎng)的覆蓋范圍分析，確定從某一固定位置實(shí)現(xiàn)焊縫全斷面掃查，直觀檢測(cè)出插管角焊縫中的各種類型缺陷，并進(jìn)行定性、定量分析，相比于常規(guī)超聲檢測(cè)方法的波形觀察方式更加直觀、準(zhǔn)確。基于相控陣檢測(cè)技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)方式是插管角焊縫等各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)的理想檢測(cè)手段。