超聲相控陣檢測技術與常規超聲波檢測技術

王衛華，金 博，鄧寶剛，汪 超

（渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

隨著工業技術不斷發展和新型技術的廣泛應用，焊縫非破壞性檢測技術正朝著超聲波成像和計算機軟件輔助方向上發展，即常規超聲波檢測技術和射線成像技術的結合[1-2]。相控陣技術運用于超聲波檢測技術的基礎上進行升級，解決復雜類構件以及難以接近工件的檢測。鋼管焊縫的檢測就是此類問題，相控陣超聲檢測技術針對解決該問題提供技術支持。運用計算機處理方可實現超聲相控陣線性掃查及扇形掃查在焊縫接頭處的覆蓋率，且能減少常規超聲波檢測使用探頭數量，可以有效地減少焊縫接頭的盲區，并可以根據超聲相控陣檢測設備提供的數據對檢測工件進行評定[3]。

1 檢測原理介紹

1.1 超聲相控陣技術檢測原理

超聲相控陣檢測技術是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵（或接收）脈沖的時間延遲，從而改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位差，實現聚焦點和聲束方位的變化，達到完成聲成像的技術。由于相控陣陣元的延遲時間可以動態改變，因此使用超聲相控陣探頭檢測主要是利用它的聲束角度可控和可動態聚焦兩大特點來實現。

1.2 常規超聲波檢測原理

超聲波的檢查原理主要是超聲波頻率要高于20 kHz。不同頻率的超聲波，從材料返回的波形是不同的。超聲波是由工件機械振動產生的，由于在不同材質中超聲波具有不同的特性，超聲波檢測就是利用這一不同特性進行檢測。超聲波探頭必須與被測材料盡量靠近，或者通過耦合接近工件，即在探頭和被測工件之間要有某種介質，在鋼板的超聲波探傷中，多用水作為該介質，即所謂“耦合水”。檢測期間，所有探頭處在離鋼板表面同一水平面，聲音耦合由水來完成，為使超聲波很好地進入工件，超聲波兩次通過水界面，檢測是通過縱波和橫波兩種波形來實現的。縱波主要是用來檢測鋼板內部平行于鋼板板面的缺陷，適合于檢測鋼板內部的分層、面積型夾渣和球狀裂紋；橫波主要用來檢測鋼板近表面和內部非平行的縱向線狀缺陷和點狀缺陷[1]。

1.3 超聲波相控陣檢測與常規超聲波檢測的區別

超聲波相控陣檢測是在常規超聲波檢測基礎上增加許多陣元而拓展的一項新技術，相當于許多組超聲波同時在檢測，超聲波相控陣檢測與常規超聲波的主要區別在于：①常規超聲波檢測時只能單單的進行A 掃，顯示很不直觀，不便于以后的質量追溯和管理；而超聲波相控陣檢測技術可以同時實現A 掃、B掃、C 掃、S 掃及TOFD 等5 種掃描圖像同時顯示，顯示更直觀、便于判讀缺陷、圖譜可永久保存，有利于質量追溯和管理；②對于焊縫檢測，常規超聲是利用線性掃查的方式，每次使用的探頭為單一角度的斜探頭掃查，檢測一條焊縫要多次多個角度的斜探頭分別進行掃查，才能把焊縫內所有缺陷檢測出，通常使用較多的為45°、60°、70°（即K1、K2、K3）角度探頭在檢測面上采用前后、左右、轉角、環繞等常用的檢測運動方式進行移動，常規超聲波焊縫掃查如圖1 所示。

圖1 常規超聲波焊縫掃查

超聲波相控陣檢測技術以扇形或者線性進行掃查，在一定角度范圍內進行掃查時，掃查范圍覆蓋多個角度，在進行檢測過程中以聲束40°～70°角度為最佳，相控陣扇形掃查如圖2 所示，相控陣扇形掃查焊縫聲束模擬如圖3 所示。因此，超聲波相控陣檢測在不移動探頭的情況下，利用一次或者二次反射波能覆蓋整個焊縫截面。使用單個探頭以多個陣元進行檢測，能極大的提高缺陷的檢出率及檢測效率。

圖2 相控陣扇形掃查

圖3 相控陣扇形掃查焊縫聲束模擬

2 超聲相控陣技術優缺點

2.1 超聲相控陣檢測技術優點

超聲波相控陣檢測最顯著的特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓的分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸及位置在一定范圍內連續、且動態隨時可調。因此，超聲波相控陣技術的主要優勢是：①可以用單軸扇形掃查替代柵格形掃查提高檢測速度；②不需要移動探頭或盡量少移動探頭即可以實現100%掃查厚大工件和形狀復雜工件的每一個區域，是解決可達性差和空間限制問題的有效手段；③超聲波檢測不需要復雜的掃查裝置，且不需更換探頭可實現整個體積或所檢測區域的多角度多方向掃查，因此在核工業設備檢測中可減少受輻照時間。

2.2 超聲相控陣檢測技術缺點

超聲相控陣檢測技術的應用主要缺點如下：①超聲相控陣檢測使用探頭結構復雜，是由多晶片組成，相當于形成許多組即發射又接收的探頭，該探頭目前國內制作廠家很少；②相控陣探頭由多陣元組成，最多達128 陣元，因此相控陣探頭一般外觀尺寸較大，容易受現場檢測條件及檢測工件的限制；③相控陣檢測對儀器的設置精度要求較高，包括焊接形貌、焊接坡口、焊接鈍邊等尺寸要精確的設置，因此對檢測人員的要求非常高；④超聲相控陣檢測技術并不能解決所有問題，也不是進行一次掃查就能發現所有缺陷。

3 超聲相控陣檢測技術的應用

相控陣檢測技術比常規超聲波檢測技術具有諸多優越勢，且在制造業中采用相控陣技術檢測工件越來越多。目前，在電力、石化、石油、航天航空、軍工等行業的壓力容器中大量采取相控陣檢測技術，提高檢測效率及質量控制。但由于相控陣技術是新型技術，掌握該項技術及擁有該類檢測設備企業數量滿足不了當前相控陣檢測需求，從事該項檢測對人員資質相應的要求，具有相控陣檢測培訓機構的資質也少，所以，專業檢測公司進行相控陣檢測收費也非常高。以小徑管焊縫相控陣檢測技術為例進行介紹。

小徑管是指壁厚4～14 mm，外徑32～89 mm 的管子，其在鍋爐、壓力容器制造安裝過程中應用較廣，承受較高的壓力。特別是火力發電廠的水冷壁管、過熱器管、再熱器管等大都屬于小徑管。

3.1 檢測工件描述

規格為Φ64×14 mm，鋼管直徑64 mm，壁厚為14 mm，周長約為201 mm。

3.2 檢測方式

對鋼管焊縫進行整體檢測，檢測結果顯示：①焊縫掃查的A 型顯示圖，也是超聲波相控陣在檢測過程中顯示的A 掃信息；②帶有鋼管焊縫模擬焊接坡口的扇掃（即S 掃）顯示圖，也為探頭當前位置在鋼管焊縫縱截面圖；③鋼管焊縫掃查的C掃圖（俯視圖），也為鋼管焊縫長度和寬度方向的顯示圖；④焊縫掃查的D 型顯示圖（側視圖），也叫焊縫長度和深度方向的顯示圖。

3.3 檢測結果分析

對該鋼管焊縫在檢測或圖譜結果分析時檢測出兩處不合格，對該兩處不合格顯示進行結果分析如下：

（1）坡口未焊透和密集點狀缺陷分析。在A 處檢測時發現反射點深度和水平位置基本上有變化，且波形變化點明顯，主要由超聲波相控陣檢測的一次波發現，根據波形圖顯示判斷，該缺陷的深度約8 mm，長度24 mm，結合結果圖顯示的位置及面積、反射波幅及焊接坡口型式整體綜合數據分析，該處缺陷為未焊透和密集點狀缺陷。

（2）密集點狀、根部未焊透缺陷分析。在B 處檢測時發現反射點深度和水平位置基本上在變化，且波形變化點明顯，超聲波相控陣檢測的一次波和二次波都能發現，根據波形圖顯示判斷，該缺陷的深度約9～10 mm，長度為35 mm，且在焊縫中心線同一側，結合結果圖顯示的位置及面積、反射波幅及焊接坡口型式整體綜合數據來分析，該處缺陷主體為密集點狀、末段為根部未焊透缺陷。

（3）未熔合缺陷分析。在C 處檢測時發現其波形圖的反射點深度和水平位置基本無變化，且反射波整體較高，主要由超聲波相控陣檢測的一次波發現，根據波形圖顯示判斷，該缺陷的深度約11 mm，長度43 mm，且在焊縫中心線同一側，結合結果圖顯示的位置及面積、反射波幅及焊接坡口型式整體綜合數據來分析，該處缺陷為未熔合缺陷。

4 結束語

超聲波相控陣是最新無損檢測技術，其主要優勢是檢測圖像直觀、檢測速度快，發現缺陷的能力強、精度準確。該項技術在制造業上應用廣泛，主要用來取代常規超聲波和射線檢測方式。相控陣檢測人員及培訓機構逐步增加，應用越來越廣泛，在設備的安裝現場，采用超聲波相控陣替代常規UT 和RT 檢測越來越頻繁。使用超聲波相控陣檢測技術主要優越性如下：

（1）相控陣檢測結果是以直觀的三維圖像顯示，能夠對缺陷的高度、深度及長度尺寸進行精確定位定量，解決常規超聲波只有波形信號的儲存，在結果評定過程中檢驗人員的檢測水平高低對結果影響很大，能夠像射線拍片一樣進行儲存后期的直觀評定。

（2）超聲波相控陣檢測雖采用脈沖反射法的原理進行檢測，波形以鏡面反射方式采取多個角度聚焦聲束來檢測不同部位的缺陷，能夠對工件內部不同角度缺陷進行一次掃查完成，其缺陷檢出率高，操作便捷，無危害性，使該技術具有靈活的使用范圍。

（3）超聲波相控陣檢測技術可通過軟件編制工件的模型，其可更加具體的在工件模型上顯示出缺陷位置、形狀大小等，特別對一些不好判斷缺陷的工件如（T 形焊縫、角焊縫、小徑管焊縫）等進行缺陷定位和定性，給人一種更加直觀、更加便捷的檢測方法。