◆◆-編碼相控陣的應(yīng)用

PAGEPAGE11超聲編碼相控陣的應(yīng)用李晏摘要:介紹超聲編碼相控陣的技術(shù)特性和典型應(yīng)用，包括腐蝕檢測、小徑管檢測、大徑管檢測、管道自動檢測和鋼廠在線檢測等，意在為國內(nèi)承壓設(shè)備焊縫無損檢測,推廣符合國際法規(guī)要求的半自動或全自動超聲相控陣技術(shù)，提供有用借鑒。關(guān)鍵詞：超聲檢測;相控陣技術(shù)；定位編碼；專用掃查器；承壓設(shè)備；焊縫ApplicationsofUltrasonicEncodedPhasedArraysLIYanAbstract：Thisarticledescribedtechnicalcharacteristicsandapplicationsofultrasonicencodedphasedarray,includingcorrosionmapping,smalldiameterpipeinspection,largediameterpipes,pipelineAUT,in-lineinspectionsystems(pipemills),etc.Theintentionistoprovideusefulreferencestopromotingfurthertheuseofauto-orsemi-autoPAUTtechnologyathome,meetingtherequirementsoftherecentinternationalcodeandstandards.Keywords:Ultrasonicexamination;PhasedArraytechnology;Locationencoding;Specialscanner;Pressureequipment;Weldedjoints最新國際標(biāo)準(zhǔn)ASME(2011a)要求：承壓設(shè)備焊縫UT應(yīng)采用半自動或全自動計算機(jī)成像超聲技術(shù)（即CITs——ComputerizedImagingTechniques)。目前可作半自動或全自動CITs的有兩類：TOFD和相控陣（PA），而編碼相控陣是實施半自動或全自動PAUT的重要條件。這里，先簡述超聲相控陣原理，再說明相控陣超聲編碼線掃查的技術(shù)特性優(yōu)勢，然后介紹使用匹配專用掃查器的各種成套檢測系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用實例，如配用充水型探頭掃查器（Hydro-FORM）測量腐蝕，配用手鐲式掃查器（Cobra）檢測小徑管焊縫，配用漫游式掃查器（WeldROVER）檢測大徑管，配用跟蹤式掃查器（PipeWIZARD）檢測管道環(huán)焊縫，以及鋼管廠的生產(chǎn)現(xiàn)場整套在線檢測系統(tǒng)。超聲相控陣檢測用的主機(jī)，屬于便攜式的典型儀器有OmniScanMX2，移動式的有FocusLT?等。1相控陣工作原理超聲相控陣專著專述，早有發(fā)表[1][2]，有關(guān)操作細(xì)節(jié)此處不再詳述。簡言之，相控陣是由一系列電隔離的晶片（稱為陣元，每個陣元都有自己的連接器）、延時電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換卡組成的。陣列自身可為線陣（直線排列狀）、2D矩陣、環(huán)陣或其它特形陣。其中線陣最常用（因編程容易）。陣列中的陣元通常是定相成群激勵脈沖的。定相涉及到調(diào)整陣元的脈沖激勵時間，以產(chǎn)生相長干涉或相消干涉，由此實現(xiàn)相位調(diào)整。實際上，相控陣的使用有兩種方法：手動法[3]和編碼法[4]。兩者的差別在于配置不一[5],但根本問題是：只有編碼線掃（或自動）相控陣，才是全數(shù)據(jù)采集——有位置記錄，因此，檢測數(shù)據(jù)可查閱、分析和重建。國際權(quán)威法規(guī)ASME最新版（2011a）規(guī)定：承壓設(shè)備焊縫必須使用有編碼定位的半自動或全自動相控陣儀器進(jìn)行超聲檢測。2相控陣技術(shù)優(yōu)勢相控陣能通過施加于陣列的給定延時律（Focallaws或Delaylaws），使超聲波束聚焦、掃查和變角、轉(zhuǎn)向，見圖1。陣列要適于應(yīng)用，如適合于平板尺寸、材料種類等。若法規(guī)有規(guī)定，也要符合法規(guī)要求。通常，用編碼線掃相控陣，能提供優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)——如手工UT或RT的優(yōu)勢如下：（1）速度快；（2）靈活性好；（3）數(shù)據(jù)便于查閱；（4）缺陷檢測率高；（5）易于缺陷定量。實際上，總的檢測費(fèi)用減小，有先進(jìn)的成像技術(shù)，是相控陣之所以能在短時間內(nèi)在工業(yè)上推廣應(yīng)用、卓有成效的主要原因。而且，相控陣并不改變超聲物理特性，與常規(guī)UT的區(qū)別，主要是產(chǎn)生和接收超聲信號的方法有所不同。無疑，相控陣也有局限性。也會碰到普通超聲碰到的一些問題，如：耦合、楔塊磨損、陣列選擇、盲區(qū)等。另外，還會碰到相控陣所特有的一些問題，如：柵瓣、S掃最佳角度、范圍校驗，特別是人員培訓(xùn)[6]。（a）水平變焦；（b）斜角變焦；（c）深度變焦圖1超聲相控陣E掃、S掃和深度聚焦特性示圖3定位編碼器技術(shù)特性探頭機(jī)械夾持器應(yīng)裝上定位編碼器，編碼器與A掃描取樣同步。編碼器應(yīng)按制造單位的推薦進(jìn)行校驗，至少每移動500mm驗證一次，顯示距離誤差不大于實際移動距離的±1%。編碼器的校驗周期：時間間隔應(yīng)不超過一個月，或初次使用后不超過一個月。ASME第Ⅴ卷第四章強(qiáng)制性附錄Ⅴ規(guī)定了用線陣列相控陣探頭，通過聲束角度固定的相控陣電子掃描（E掃）和聲束角度可變的扇形掃描（S掃），進(jìn)行編碼線掃查的檢測要求。編碼相控陣設(shè)備具有利用編碼器收集和存儲掃查數(shù)據(jù)及探頭位置數(shù)據(jù)的能力。將編碼器加在電子設(shè)備上，還涉及到相關(guān)軟件。編碼相控陣設(shè)備可收集完整的A掃描波形數(shù)據(jù)，存儲和操作顯示，給出頂視圖、側(cè)視圖和端視圖，能處理這些數(shù)據(jù)。換言之，編碼相控陣設(shè)備是輕便、低價的自動超聲檢測（簡稱AUT）設(shè)備，相控陣掃查數(shù)據(jù)可現(xiàn)場實時顯示分析,也可存儲后重新釋放,作離線數(shù)據(jù)分析。而一般的聲束掃描相控陣設(shè)備,充其量只是配有可變角和可變焦換能器的超聲檢測設(shè)備。編碼相控陣設(shè)備對檢測焊縫之類的對象，具有省時省費(fèi)用的優(yōu)勢。圖2表示傳統(tǒng)UT，要靠手工移動，使超聲單斜探頭對著焊縫作前后移動，即令超聲波束對焊接接頭橫斷面進(jìn)行光柵式掃查，再加探頭在焊縫長度方向的左右移動，以及兩種移動方式的組合，反復(fù)循環(huán)，以此來完成對整個焊縫長度的體積檢測。圖3則表示用相控陣UT的特征：相控陣斜探頭無需對焊縫前后移動，只需沿焊縫長度方向作單道直線狀掃查——即所謂“線掃”，而探頭陣列則進(jìn)行光柵式掃查動作，光柵掃與線掃兩結(jié)合，就能完成對整個焊縫長度的體積檢測。聲束掃描相控陣僅執(zhí)行光柵式掃查，而編碼相控陣除了光柵掃，還能進(jìn)行線掃。圖2是為常規(guī)手工光柵掃，圖3是相控陣線掃。相控陣線掃在速度上能提供明顯優(yōu)勢，約為常規(guī)單探頭檢測速度的5～10倍。圖2傳統(tǒng)UT的光柵式掃查圖3相控陣UT的線掃（含陣列光柵掃）除能收集和顯示所有缺陷外，有些編碼相控陣設(shè)備還能同時進(jìn)行多種掃查，即只要陣列在焊縫兩側(cè)進(jìn)行單道掃查，就能滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。更為先進(jìn)的設(shè)備，還能進(jìn)行TOFD之類的附加掃查。當(dāng)然，編碼相控陣設(shè)備的價格比一般的聲束掃查式相控陣儀器要貴些，因為它有編碼器性能，能存儲相應(yīng)數(shù)據(jù)、作顯示重建，有更多通道，還能作某種信號處理。另外，也要有更多培訓(xùn)事項。但對正常應(yīng)用來說，編碼數(shù)據(jù)采集確是好得多、更為經(jīng)濟(jì)合算的解決辦法，而且在許多情況下，是唯一可行的檢測方法。圖4即為編碼相控陣多組屏幕顯示有助于檢測結(jié)果評定分析的一例。圖4相控陣檢測儀編碼掃查的多組屏幕顯示（OmniScanMX）4編碼相控陣的典型應(yīng)用超聲相控陣在工業(yè)上的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍的確很大。實際上，可能有2/3的應(yīng)用屬于焊縫檢測，其次是航空航天的各種應(yīng)用。這里重點介紹有關(guān)焊縫等工程檢測，檢測難度不一。所有檢測，均使用線陣列（或稱1D陣列）和帶編碼器的掃查器。4.1腐蝕檢測Olympus已推出了有充水探頭的掃查器（HydroFORM型），這是借助于水程和帶輪探頭架，通過相控陣線陣探頭，進(jìn)行線掃而完成腐蝕檢測動作的設(shè)備[7]。這種掃查器通常是半自動的，即帶編碼器的掃查器靠手工推動，而不是靠機(jī)械驅(qū)動。充水型探頭掃查器（HydroFORM）的外觀照片，見圖5所示。圖5用于腐蝕檢測的充水線陣探頭掃查器（HydroFORM）外觀充水型探頭掃查器（HydroFORM）通常連接OmniScanMX2型便攜式相控陣儀器，獲得的腐蝕檢測圖像顯示結(jié)果圖例，見圖6。圖6用充水型線陣探頭掃查器（HydroFORM）作腐蝕檢測時所獲得的A、B、C三種顯示圖像由圖6可見，在相控陣超聲B掃描顯示和C掃描顯示圖上，強(qiáng)腐蝕區(qū)域一目了然。4.2小徑管檢測小徑管適用的手鐲式掃查器（Cobra）已推入市售，其特點是高度較小，可通過聚焦使聲束擴(kuò)散減小到最低程度。這種掃查器也是半自動設(shè)備，因為掃查器很容易通過手工推動，使探頭繞小徑管作轉(zhuǎn)動掃查，占用通道空間要比機(jī)械驅(qū)動裝置小。這種掃查選項已包括在ASME最新版（2011a）強(qiáng)制性附錄Ⅴ中，也是帶編碼器的編碼定位掃查。手鐲式掃查器（Cobra）所設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)能適合于鐵素體鋼和不銹鋼小徑管環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測[8]。圖7即為小徑管手鐲式掃查器（Cobra）的外觀照片。圖7用于小徑管焊縫相控陣檢測的Cobra掃查器這種掃查器適于檢測的小管直徑范圍為20~110mm。主要是為檢測鍋爐管等應(yīng)用設(shè)計的。管子成排管分布，相鄰管管之間間隙較小，或者為輻射防護(hù)安全起見，檢測速度和覆蓋范圍都受限制。最初，手鐲式掃查器（Cobra）用7.5MHz的聚焦陣列，后來要求頻率降到2.25MHz或升到10MHz，要求用于縱波檢測，甚至用于TOFD檢測。4.3大徑管檢測漫步式掃查器（WeldROVER）適用于大口徑管檢測（見圖8）。這種掃查器結(jié)構(gòu)緊湊，多功能，是為遵循法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求而精心設(shè)計的[9]。掃查器配用OmniScanMX2便攜式相控陣儀器，可在儀器上將相控陣與TOFD雙管齊下，組合使用[10]。當(dāng)然，對相控陣和TOFD的所有通用事項，包括培訓(xùn)、校驗、數(shù)據(jù)采集和分析等要求，無一例外，都要遵循。圖8用于大口徑管焊縫相控陣檢測的漫步式掃查器（WeldROVER）漫步式掃查器（WeldROVER）使用很簡單，可直接連接到OmniScan型相控陣檢測儀上。就用手提裝置進(jìn)行控制，只有兩三個按鈕。它能掃查直徑大口徑管，也能掃查平板。與手鐲式掃查器（Cobra）不同，漫步式掃查器（WeldROVER）能夾持一對相控陣探頭，外加一對TOFD探頭，完成整個被檢焊縫的全體積掃查工作。它沒有電動控制器，但可由操作者手持探頭架背面的操作柄，沿激光導(dǎo)向的行程，沿被檢焊縫前進(jìn)。圖9即表示用OmniScan型相控陣檢測儀和漫步式掃查器（WeldROVER）檢測大口徑管環(huán)焊縫時，所獲得的A型、S型和D型三種掃描顯示的典型圖像。圖9用OmniScan相控陣檢測儀和漫步式掃查器（WeldROVER）檢測大口徑環(huán)焊縫所獲得的典型圖像顯示（A型、S型、D型）4.4管道自動檢測管道超聲自動檢測最初是由某兩家公司在加拿大西部的亜伯特省開發(fā)應(yīng)用的。當(dāng)時就用線掃法，即令掃查器沿環(huán)焊縫轉(zhuǎn)動一圈，作機(jī)械掃查，完成檢測[11]。本世紀(jì)初，我國從加拿大引進(jìn)了11臺套全自動UT設(shè)備，完成了西起新疆塔里木盆地東至上海全長4000kM西氣東輸長輸管道的PAUT(筆者曾在廊坊參加了有關(guān)管道PAUT的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定工作)。該設(shè)備為附帶TOFD和其它技術(shù)的相控陣檢測設(shè)備。這對法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(美API)所規(guī)定的管道焊縫檢測完全能滿足要求。除此之外，還有其它方面對全自動超聲檢測設(shè)備的需求，也在日益增長，如無縫管管材的檢測，奧氏體焊縫的檢測，雙管焊接的檢測，以及提高定量精度的檢測等。另外，還有船舶船艦油氣輸送管道和油田長距離輸送管道的檢測需求。圖10即為在沙漠地帶對長輸管道進(jìn)行相控陣超聲自動檢測的實例[12]。圖10在沙漠地帶對長輸管道環(huán)焊縫進(jìn)行全自動相控陣超聲檢測最近，Olympus又推出一種新型跟蹤式掃查器的相控陣檢測儀（PipeWIZARDV4），它帶有最新版的TomoView軟件，驅(qū)動盒和插頭都改進(jìn)了，還加了TOFD預(yù)置放大器，數(shù)據(jù)傳遞特快，有計算機(jī)，整個儀器結(jié)構(gòu)改進(jìn)了。圖11右即為跟蹤式相控陣檢測儀（PipeWIZARDV4型）的外觀，左為其前身V2型。圖11管道全自動跟蹤式相控陣檢測儀（PipeWIZARDV4型）（右）及其前身V2型外觀（左）4.5鋼管廠在線檢測系統(tǒng)Olympus公司已為數(shù)家鋼管廠研制了專用相控陣設(shè)備，如在線旋轉(zhuǎn)式相控陣檢測裝置，在線和非在線電阻焊相控陣檢測裝置，以及棒材和旋轉(zhuǎn)棒材的相控陣檢測裝置（通常與渦流陣列聯(lián)用）。這些設(shè)備應(yīng)用效果良好，每臺價格1~4百萬。圖12所示為電阻焊檢測用的ERW-PA相控陣檢測裝置的外觀圖。圖12電阻焊在線檢測用ERW-PA型相控陣專用設(shè)備這些設(shè)備都是用QuickScanLTPA裝置（見圖13）驅(qū)動的，能在線進(jìn)行快速掃查，重復(fù)性很好，性能獨(dú)特，包括能完成自動校驗和管端檢測等。圖13為高脈沖發(fā)生頻率而設(shè)計的QuickScanLTPA裝置5編碼相控陣的其它應(yīng)用在開發(fā)相控陣的早期，Olympus（后是R/DTech）就撰寫了有關(guān)便攜式相控陣應(yīng)用方面的論文[12]。這些應(yīng)用包括：（1）對接焊縫檢測；（2）奧氏體焊縫檢測；（3）橋梁結(jié)構(gòu)T型焊縫檢測；（4）渦輪根部檢測；（5）氫致裂紋檢測；（6）墊圈法蘭腐蝕檢測；（7）管接頭檢測；（8）軸類檢測；（9）軍用螺栓螺紋檢測；（10）飛機(jī)起落架檢測；（11）激光焊縫檢測；（12）復(fù)合材料檢測。上述這些應(yīng)用，至今有許多已很成熟，完全商業(yè)化了（如對接焊縫、螺栓、渦輪根部、法蘭、起落架、復(fù)合材料檢測等），但還有一些（如管接頭檢測）還在試驗與改進(jìn)過程中。有的主要是手工檢測（如氫致裂紋和起落架檢測），有的則已采用或可望采用自動檢測。這些工業(yè)應(yīng)用自本世紀(jì)初就已鋒芒初露了，近年來，工業(yè)新應(yīng)用還在不斷涌現(xiàn)。編碼超聲相控陣應(yīng)用喜人。小結(jié)（1）最新權(quán)威國際法規(guī)(ASME2011a)規(guī)定：承壓設(shè)備焊縫必須使用有編碼定位的半自動或全自動相控陣設(shè)備進(jìn)行超聲無損檢測。（2）采用編碼線掃相控陣，是全數(shù)據(jù)采集，有位置記錄。檢測數(shù)據(jù)可存儲、查閱、分析、再建?？烧故維（扇形）掃描或E（電子）掃描圖形，并依據(jù)A（直角坐標(biāo)）掃描圖形，給出多視圖（頂視圖，前視圖，側(cè)視圖，或C顯示，B顯示，D顯示）。（3）相控陣可與TOFD同時并舉，借助于適配掃查器，完成承壓設(shè)備焊接接頭全長的體積檢測和質(zhì)量評定。（4）對在制承壓設(shè)備焊縫，可采用全自動編碼PAUT；對在用承壓設(shè)備焊縫，可采用半自動編碼PAUT；對局部返修復(fù)探部位，可采用手動PAUT。（5）根據(jù)被檢工件幾何條件（平面、曲面、直徑及接頭形狀等），配置適當(dāng)?shù)募佑卸ㄎ痪幋a器的專用掃查器。如小徑管配手鐲式掃查器，大徑管配漫游式或跟蹤式掃查器等。(6)編碼相控陣在工業(yè)上有廣泛用途，除材料檢測、腐蝕檢測、對接接頭檢測外，還可用于奧氏體不銹鋼焊縫、T型焊縫、安置式或插入式管接頭、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片、軸類、螺栓、起落架、復(fù)合材料等檢測。（7）熟悉相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求細(xì)節(jié)，熟練編碼相控陣的操作、校驗、記錄、顯示圖的識別和結(jié)果分析評定，應(yīng)是PAUT-=3\*ROMANIII級和PAUT-=2\*ROMANII級人員日常訓(xùn)練有素、不斷強(qiáng)化的基本功。References1.R/DTech.IntroductiontoPhasedArrayUltrasonicTechnologyApplications–R/DTechGuideline[M].R/DTech(nowOlympusNDT),2007.2.李晏.超聲相控陣檢測技術(shù)系列講座[J].無損探傷，2007，31（4）（6）；2008，32（1）（4）（6）.3.ASMESectionVArticle4MandatoryAppendixIV,PhasedArrayManualRasterTechniquesusingLinearArrays[S].2011a4.ASMESectionVArticle4MandatoryAppendixV,PhasedArrayE-ScanandS-scanLinearScanningExaminationTechniques[S].2011a5.J.M.DavisandM.Moles.PhasedArraysvs.PhasedArrays-BeamSweepingvs.EncodedDataCollection[J].MaterialsEvaluation.2007(6):539.6.T.Armitt.PhasedArraysNotTheAnswerToEve