_全自動相控陣超聲檢測技術及在環(huán)焊縫檢測中的應用

1、全自動相控陣超聲檢測技術及在環(huán)焊縫檢測中的應用發(fā)布日期：2007-04-07 09:23:43    摘要：全自動相控陣超聲檢測系統(tǒng)是在斷裂力學(ECA)的基礎上，采用區(qū)域劃分法,將焊縫分成垂直方向上的若干個區(qū)，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對其進行分區(qū)掃查。檢測結(jié)果以雙門帶狀圖的形式顯示，在輔以TOFD(衍射時差法)和掃描功能，對焊縫進行分析、判斷。全自動相控陣超聲儀在國外已被廣泛應用于管道環(huán)焊縫的檢測。      主題詞：全自動超聲波   區(qū)域劃分法  相控陣  帶狀顯示&#

2、160; TOFD      全自動超聲波在國外已被大量應用于長輸管線的環(huán)焊縫檢測,且越來越成為一種趨勢。與傳統(tǒng)手動超聲檢測和射線檢測相比，其在檢測速度、缺陷定量準確性、減少環(huán)境污染、降低作業(yè)強度等方面有著明顯的優(yōu)越。加拿大R/D Tech公司生產(chǎn)的Pipe WIZARD相控陣超聲檢測系統(tǒng)是專用于長輸管線環(huán)焊縫的檢測設備。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)生單元、電機驅(qū)動單元、相控陣探頭、工業(yè)計算機、顯示器等組成。系統(tǒng)在Windows NT界面下運行Pipe WIZARD操作軟件，完成對焊縫的線性掃查、實時顯示、結(jié)果評判。對其基本原理，筆者根據(jù)自己在

3、實際工作中的體會和經(jīng)驗在此作一簡單介紹。      本文使用的焊縫參數(shù)如下。坡口形式CRC；壁厚16.4mm；焊接方法：全自動焊接。      一、 基本原理      1區(qū)域劃分法      采用全自動超聲檢測的關鍵是“區(qū)域劃分法”。根據(jù)壁厚、坡口形式、填充次數(shù)將焊縫分成幾個垂直的區(qū)。每個分區(qū)的高度一般為13mm，每個區(qū)都由一組獨立的晶片進行掃查（這種分區(qū)的掃查被稱為掃）。檢測主聲束的角度按照主

4、要缺陷的方向來設定（在自動焊中主要是未熔合，即將波束盡量垂直于熔合線）。掃采用聚焦聲束進行掃查，焦點尺寸一般為2mm或更小。它們可以有效的檢測各自的區(qū)域，而且臨近區(qū)域反射體上的重疊最小。每個分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個通道，其檢測結(jié)果在帶狀圖上以相對應的通道顯示出。從根部依次為：根焊區(qū)、鈍邊區(qū)（LCP）、熱焊1區(qū)、熱焊2區(qū)、熱焊3區(qū)、填充1區(qū)、填區(qū)2區(qū)、填充3區(qū)。      檢測角度的配置原則（角的配置）。根焊采用一次波法，聲束垂直于根部熔合線，角為52.5度；鈍邊可用一次波探傷，采用70度角，也可用串列掃查，角為50度。熱焊區(qū)采用

5、二次波反射法，理論上應為45度角，為避免覆蓋根焊可選用50度或55度。填充1和填充2采用串列掃查，選用40度角（考慮到接收晶片最大角為70度）。填充3采用二次波反射法，角為60度。      2相控陣探頭      相控陣列是換能器晶片的組合，為確定不連續(xù)性的形狀。其大小和方向提供出比單個或多個換能器系統(tǒng)更大的能力。有三種主要陣列類型：線性、面狀和環(huán)行。在一個相控陣列中相位轉(zhuǎn)換是用電子系統(tǒng)控制，通過超聲發(fā)射器通向每個換能器。相控陣列除有效地控制超聲形狀和方向外，還實現(xiàn)和完善了復雜的動態(tài)聚焦和實時

6、掃描。（參見美國無損檢測手冊超聲卷“相控陣” ）       Pipe WIZARD相控陣探頭采用線形陣列，容納晶片60個。晶片成間隔狀直線性分布在探頭中。通常使用兩個陣列探頭分布于焊縫兩側(cè)。它能產(chǎn)生上千種不同的超聲束，可配置40到70范圍的掃查角度（角），以滿足分區(qū)掃查所需要的各種角度。      3. 標準試塊      校準試塊用于調(diào)整掃查靈敏度，確定缺陷位置，校驗儀器校準準確性。試塊根據(jù)分區(qū)掃查原理，針對自動焊易出現(xiàn)的主要缺陷（主要指側(cè)壁

7、未熔合），用標準孔或槽來代表。一般用垂直于融合線的2平底孔。根部可用方槽或與根部融合線吻合的三角槽來調(diào)節(jié)。          從鈍邊到填充3，每個區(qū)都設定一個2mm平底孔。有時在表面熔合線處設置方槽（長1020mm，寬2mm，深1mm），用于檢測焊趾線裂紋。根據(jù)檢測需要還可設置附加反射體，用于B掃描調(diào)節(jié)。附加反射體位于焊縫中心線處，平底孔底面成水平45度。      4門的設置      帶狀圖中的門包括時間和波幅門

8、。時間門用來設定掃查范圍，濾掉指定區(qū)域以外的反射信號。通常由焊縫寬度和檢測缺陷的需要來設置。以坡口熔合線為中心，起點在熔合線外3mm左右（檢查熱影響區(qū)缺陷），終點至少過焊縫中心線1mm，保證覆蓋焊縫中心。（可以根據(jù)需要任意設定門的起始位置和長度）      波幅門的起點和終點與時間門相同。根部的波幅門比時間門短2-3mm,起點保持一致。門中波幅的高度設置在20。帶狀圖以顏色塊來顯示時間門，以回波包絡線顯示波幅。調(diào)節(jié)通道時，基準靈敏度被設置在80，系統(tǒng)默認波幅在20以下時，時間門無色塊顯示；回波幅度在2040時，時間門顯示綠色；波幅超過80時，時

9、間門變?yōu)榧t色塊，需要對缺陷進行測長、評定。      5、雙門帶狀圖      完整的帶狀圖可以同時顯示整條焊縫的檢測結(jié)果。總體上看起來象把焊縫從中心線處切開。TOFD通道位于屏幕中央，整條焊縫被分為上游、下游，按照根焊、鈍邊、熱焊、填充層的順序依次排列在TOFD通道兩側(cè)。系統(tǒng)還可以按照需要很方便的添加其它通道，如蓋面B掃、根部B掃等。焊縫圓周尺寸顯示在左側(cè)，耦合監(jiān)測通道在右側(cè)。雙門帶狀圖并非傳統(tǒng)的A型顯示，其縱坐標顯示時間門幅度（缺陷在焊縫中的橫向位置）和反射波包絡線幅度。橫坐標表示探頭的掃查

10、軌跡。從雙門帶狀圖上可以迅速讀出缺陷所處深度、橫向位置，反射波幅度，并對缺陷進行測長、評判。      6.TOFD原理      超聲波入射到線形缺陷時，在缺陷的兩端除普通的反射波外還會產(chǎn)生衍射波。衍射能量在很大角度范圍內(nèi)傳播并且假定它們都源于缺陷的端部。這與傳統(tǒng)的超聲波完全不同。傳統(tǒng)超聲波主要依靠從缺陷上反射的能量的大小來判斷缺陷。      TOFD技術采用一發(fā)一收的方式。通常使用壓力探頭，主壓力波的反射角范圍是45o至70o。發(fā)射探頭發(fā)射

11、橫向縱波。沿表面?zhèn)鞑サ囊皇唤邮仗筋^接收，形成外壁正向信號波，它是區(qū)分和測量缺陷的參考。焊縫中的橫向縱波遇到缺陷后在缺陷尖端產(chǎn)生衍射波，形成負向信號波。同樣，缺陷下端也會產(chǎn)生衍射波，被接收探頭接收后形成正向信號波。發(fā)往內(nèi)壁的波束經(jīng)內(nèi)壁反射后被探頭接收，形成負向信號。      TOFD以B掃的形式顯示出來。這里的B掃與傳統(tǒng)意義上的B掃一致，它是試件的截面二維視圖，一個軸代表探頭的運動，另一個軸代表外壁、內(nèi)壁和缺陷的深度。TOFD目前在國際上并沒有標準將它作為一項獨立的超聲波檢測手段，更多的是作為雙門帶狀圖的輔助工具，用于判別缺陷的真?zhèn)渭叭毕莞叨?/p>

12、的測量。      TOFD技術的局限性：      1、入射表面附近存在盲區(qū)（在2mm左右）。      2、需要另外一個軸向運動來判定缺陷位于焊縫的哪一邊。      3、根部的缺陷易被內(nèi)壁信號所掩蓋。      全自動相控陣超聲波系統(tǒng)是在斷裂力學的基礎上，對缺陷進行定性、判定，由于采用了相控陳列、雙門帶狀圖、TOFD及大容量的數(shù)據(jù)采集、計算和

13、分析系統(tǒng)，在檢測速度、檢測精度比傳統(tǒng)超聲波有著革命性的提高?，F(xiàn)場檢測時只需對環(huán)焊縫進行一次簡單的線性掃查而無需來回移動即可完成焊縫的檢測，整個掃查過程約需2分鐘（管徑1016mm）。      二、現(xiàn)場應用          現(xiàn)場檢測圖例      目前，西氣東輸管道工程已經(jīng)啟動，該項工程計劃采用100%全自動相控陣超聲檢測和100%X射線檢測。這對于檢驗全自動相控陣超聲儀在環(huán)焊縫檢測中的可靠性、實用性，以及對提高國

14、內(nèi)全自動超聲波應用水平和開展技術研究是一項絕好的機會。      該系統(tǒng)在長輸管道環(huán)焊縫檢測領域與傳統(tǒng)的手動超聲檢測和射線檢測。      三、結(jié)論      與 傳統(tǒng)的手工藝超聲波探傷相比，相控陣具有以下的優(yōu)勢：      1、檢測速度快，現(xiàn)場檢測時只需對環(huán)焊縫進行一次簡單的線性掃查而無需來回移動即可完成全焊縫的檢測，從準備到焊縫評定完畢，整個過程約需6分鐘。   

15、   2、缺陷定位準確，檢測靈敏度高。      3、完全車載，作業(yè)強度小，無輻射無污物。      4、檢測結(jié)果直觀，可實現(xiàn)實時顯示。在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判。也可打印、存盤，實現(xiàn)檢測結(jié)果的永久性保存。避免X射線底片不易攜帶、不易保存的缺點。      5、可檢測射線無法穿透的壁厚。對管道環(huán)焊縫、球罐、儲罐等對接焊縫的檢測，效率高、效果好。      相控陣的局限性：      1、受客觀影響大，工件表面光滑度，焊縫工藝完整性，軌道安裝精度都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。