淺談相控陣全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用

淺談相控陣全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用

1相控陣aut技術(shù)的原理西氣東輸工程是我國(guó)第一個(gè)將多功能超聲波技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目實(shí)際的工程。然而，由于設(shè)備引入后迅速投資項(xiàng)目，許多部門(mén)的測(cè)試人員沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，他們對(duì)相控陣設(shè)備硬件工作原理和相控陣檢測(cè)技術(shù)的原理了解不多，也無(wú)法解決項(xiàng)目的一些實(shí)際困難。日前國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)相控陣AUT技術(shù)進(jìn)行過(guò)介紹,但AUT技術(shù)作為超聲波檢測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用,在引入相控陣技術(shù)之后,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,相控陣AUT系統(tǒng)無(wú)論在設(shè)備的硬件方面,還是在控制系統(tǒng)的軟件方面,與傳統(tǒng)手動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比(包括目前一些數(shù)字超聲波檢測(cè)設(shè)備),都有了一個(gè)質(zhì)的突變。因此,本文將結(jié)合筆者一年多來(lái)對(duì)R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備的了解和該設(shè)備在西氣東輸工程的使用情況,介紹該設(shè)備的工作原理,重點(diǎn)介紹相控陣技術(shù)的原理,并結(jié)合實(shí)例簡(jiǎn)要介紹西氣東輸工程中全自動(dòng)超聲波檢測(cè)的一些關(guān)鍵參數(shù),以供大家討論。2年r/dct公司的多接頭超聲波檢測(cè)系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始,歐美一些技術(shù)公司就著手開(kāi)發(fā)全自動(dòng)超聲波檢測(cè)設(shè)備,具有代表性的公司有荷蘭RTD公司、美國(guó)SHOW公司以及加拿大的R/DTech公司等,到90年代末期這些公司代表產(chǎn)品主要是多探頭結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。多探頭超聲波檢測(cè)系統(tǒng)探頭盤(pán)比較笨重,對(duì)不同工件適應(yīng)性較差,根據(jù)工件壁厚的差異一般需要配置10～30個(gè)以上的探頭。90年代末期,R/DTech公司研制出了體積較小的相控陣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。相控陣超聲波系統(tǒng)與多探頭超聲波系統(tǒng)主要區(qū)別是探頭的結(jié)構(gòu)不同,它采用了特制的相控陣探頭,探頭根據(jù)不同需要將多個(gè)晶片排列在里面,每個(gè)晶片相當(dāng)于一個(gè)普通探頭,因此,該系統(tǒng)探頭盤(pán)重量相比多探頭系統(tǒng)大大減小,最主要的是在不改動(dòng)或較少改動(dòng)的情況下,同一組探頭可以適應(yīng)不同管徑、不同壁厚工件檢測(cè)的需要。相控陣AUT系統(tǒng)與多探頭AUT系統(tǒng)性能比較如表1所示。因此相控陣AUT技術(shù)與多探頭AUT技術(shù)相比具有較強(qiáng)的適用性,必將成為全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。3晶片入射角的影響相控陣全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)際上是利用電子技術(shù)來(lái)控制超聲波聲束的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)不同角度、不同方位的聲束,以達(dá)到用同一探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格、不同尺寸工件探傷的需要。相控陣AUT原理,都是圍繞晶片的延遲時(shí)間來(lái)進(jìn)行的,相控陣探頭中的每一具晶片被獨(dú)立地激發(fā)并根據(jù)需要被施加不同的延遲時(shí)間,使合成聲束達(dá)到改變聚焦角度和聚焦范圍的目的。晶片的延遲時(shí)間決定了聚焦聲束的大小、聚焦范圍、閘門(mén)大小,晶片的尺寸決定著聲束可變角度的范圍。理論上相控陣技術(shù)可以使超聲波聲束角度任意可調(diào)。實(shí)際上為了避免溫度、聲速等的影響,最大聲束角度一般不大于70°。圖3是R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備在西氣東輸工程應(yīng)用中探頭的一些選擇參數(shù),晶片半擴(kuò)散角如圖4所示。由圖3和圖4可知在X方向上,半擴(kuò)散角θ2=arcsinλ2aλ2a=18°;在Y方向上,半擴(kuò)散角θ1=arcsinλ2bλ2b=1.8°由于超聲波能量主要集中在2θ2的擴(kuò)散角范圍之內(nèi),因此,在X方向上,任一晶片在斜塊中的入射角范圍為(α-18°)～(α+18°),即15.7°～51.7°,在本例中探頭的第一臨界角和第二臨界角分別為23.2°和45.8°,晶片的入射角范圍大于第一臨界角與第二臨界角之間的范圍,保證了在工件中產(chǎn)生各種性質(zhì)、角度聲束的需要,如圖5所示。實(shí)際上晶片的折射聲束覆蓋了焊縫各個(gè)區(qū)域,包括縱波和橫波。橫波主要應(yīng)用于焊縫的A掃描和B掃描,縱波主要應(yīng)用在TOFD掃描。由于各角度的折射波在工件中的聲程不同,其運(yùn)動(dòng)時(shí)間也不同,通過(guò)控制晶片閘門(mén)的位置,可以屏蔽掉不需要的折射波,因此接收到聲束被限制在一個(gè)角度很小的范圍之內(nèi),角度的小大與閘門(mén)的位置相關(guān)。對(duì)于每一晶片,根據(jù)不同聲程的聲束運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同,獨(dú)立地設(shè)置各自的延遲時(shí)間,使各晶片發(fā)射的聲束到焊縫中的某一點(diǎn)的往返時(shí)間相同,相當(dāng)于一個(gè)聚焦探頭所產(chǎn)生的聲束,如圖6所示。通過(guò)晶片發(fā)射時(shí)間的延遲,保證在同一時(shí)刻每個(gè)晶片能接收到各自的反射波,這一過(guò)程通過(guò)獨(dú)立控制晶片的延遲,完成了探頭角度的選擇和對(duì)不同位置缺陷的聚焦,其原理如圖7和圖8所示。這一點(diǎn)類似于波的疊加原理和惠更斯原理,以前一些學(xué)者在介紹相控陣AUT原理時(shí)基本上都是以這兩種原理來(lái)進(jìn)行闡述的。實(shí)際上,各晶片僅僅是控制其聲束的往返時(shí)間相同,而需要在同時(shí)接收到各自的反射波,以達(dá)到每個(gè)晶片電脈沖信號(hào)的疊加,因此各晶片所發(fā)射的聲束到達(dá)指定地點(diǎn)的時(shí)間相差△t/2,在任意時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)波陣面的焦點(diǎn)位置是實(shí)際焦點(diǎn)聲程的2倍,在焦點(diǎn)處的實(shí)際聲壓并不等于各晶片聲壓之和,這就是電子聚焦與物理聚焦不同之處,因此通過(guò)波的疊加原理和惠更期原理來(lái)解釋并不十分合適,但電子聚集的目的是為了起到物理聚集的相同效果,在超聲波探傷理論上忽略電子設(shè)備的工作過(guò)程,用波的疊加原理和惠更期原理解釋就比較容易理解了。理論上,線陣探頭晶片在X軸方向上的焦點(diǎn)尺寸可以聚焦在一條線上,實(shí)際上,由于晶片的延遲時(shí)間并非線性可調(diào),因此各晶片在焦點(diǎn)處的聲程存在一定的誤差,如圖9所示,晶片的最小延遲時(shí)間決定了焦點(diǎn)誤差△H的大小,其關(guān)系如下:H∝T(1)式中T—晶片最小可控延遲時(shí)間R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備最小可控延遲時(shí)間為2ns。在圖9中,S為從晶片至焦點(diǎn)處的聲程,S′為經(jīng)過(guò)T時(shí)間后實(shí)際焦點(diǎn)位置,在西氣東輸工程實(shí)例中,△H小于1.2mm,因此焦點(diǎn)尺寸在晶片X方向上大小一般小于2.5mm,晶片聲程越近,焦點(diǎn)尺寸越小,這個(gè)精度保證了分區(qū)檢測(cè)法中各分區(qū)高度2mm～3mm實(shí)際檢測(cè)的需要。4展的相關(guān)技術(shù)相控陣AUT技術(shù)是超聲波檢測(cè)技術(shù)多年發(fā)展的一個(gè)綜合應(yīng)用,其相關(guān)技術(shù)還包括B掃描、TOFD掃描、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、軟件控制等,在這里不一一進(jìn)行詳述。5西氣東輸工程焊縫b掃描在2001年9月份開(kāi)工的西氣東輸工程實(shí)驗(yàn)段中,相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備正式投入工程的應(yīng)用當(dāng)中,在這之前,西氣東輸管道公司參照API1104標(biāo)準(zhǔn)制定了國(guó)內(nèi)第一個(gè)全自動(dòng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYXQ7-2001西氣東輸管道工程管道對(duì)接焊縫全自動(dòng)超聲波探傷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。圖10為西氣東輸南京試驗(yàn)段焊縫坡口參數(shù)及AUT分區(qū)示意圖,圖11為該焊縫超聲波聲束角度配置圖。超聲波探傷專用試塊根據(jù)Q/SYXQ7-2001標(biāo)準(zhǔn)采用了濟(jì)寧模具廠加工的專用試塊,試塊填充層分區(qū)符合圖10的規(guī)定,并增加有B掃描校準(zhǔn)孔、TOFD校準(zhǔn)槽、根部B掃描校準(zhǔn)槽等人工缺陷。西氣東輸工程焊縫坡口形式主要有三種:V型、復(fù)合V型、U型,但在施工現(xiàn)場(chǎng),到目前為止僅采用了V型坡口,如圖10所示,其坡口角度為22.5°,根部間隙為2.5mm。選用67°的一次反射波來(lái)對(duì)熔合區(qū)焊縫掃查,鈍邊的掃查主要是針對(duì)根部未焊透和根部未熔合,在試塊上通過(guò)加工一個(gè)垂直槽來(lái)模擬這類缺陷,在本例中采用了55°的三次波來(lái)進(jìn)行掃查,同時(shí)用55°的角度進(jìn)行B掃描,熔合區(qū)用45°的角度進(jìn)行B掃描,TOFD則選用了70°的角度來(lái)進(jìn)行掃描。A掃描全部采用了聚集波束,B掃描和TOFD掃描則為非聚集波束,所有A掃描和B掃描波形都是橫波,TOFD波形則為縱波。全自動(dòng)超聲波檢測(cè)在西氣東輸?shù)膽?yīng)用效果是顯而易見(jiàn)的,如果用手動(dòng)超聲波檢測(cè),一道?1016的焊口至少需要檢測(cè)50min以上,而用AUT檢測(cè)不到40s即可檢測(cè)完畢,包括準(zhǔn)備時(shí)間在內(nèi)也少于4min。AUT的檢測(cè)準(zhǔn)確性也是明顯的,通常一處缺陷可能被A掃、B掃和TOFD掃描所檢出,通過(guò)掃描圖形中的A掃描和B掃描以及TOFD掃描結(jié)果相結(jié)合,可以準(zhǔn)確地做出對(duì)絕大多數(shù)缺陷的判定,避免漏判錯(cuò)判的出現(xiàn),圖12是西氣東輸南京段一個(gè)焊口的掃查圖,圖13是根據(jù)臨理人員要求用手動(dòng)超聲波設(shè)備進(jìn)行復(fù)檢后的截面圖,通過(guò)二者的比較,基本上可以確定AUT檢測(cè)的準(zhǔn)確性。6超聲波檢測(cè)設(shè)備在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況6.1相控陣AUT技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)真正做到大量應(yīng)用的尚只有西氣東輸工程,但在航空系統(tǒng)和核工業(yè)系統(tǒng)等一些部門(mén)也有少量的應(yīng)用,因此,要將相控陣AUT技術(shù)應(yīng)用到鍋爐壓力容器等行業(yè),還需要國(guó)內(nèi)同仁做大量的工作。6.2在西氣東輸?shù)墓こ虘?yīng)用中同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備存在一些不足之處:設(shè)備體積大比較笨重,在野外作業(yè)運(yùn)輸不方便;另外由于超聲波專用試塊加工比較