相控陣檢測(cè)技術(shù)在厚壁壓力容器管道檢測(cè)中的應(yīng)用

【摘要】編制了厚壁壓力容器管道相控陣檢測(cè)的檢測(cè)工藝，并對(duì)不同厚度的壓力容器管道進(jìn)行檢測(cè)，將相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示相控陣檢測(cè)的缺陷檢出率不亞于射線檢測(cè)。本文提出利用TOFD檢測(cè)、相控陣檢測(cè)兩種檢測(cè)新技術(shù)進(jìn)行管道檢測(cè)的方式，能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

【關(guān)鍵詞】相控陣檢測(cè)；管道；射線檢測(cè)；厚壁

目前，厚壁管道的常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲波法、射線照相法、磁粉檢測(cè)法和滲透檢測(cè)法等，但常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法工作過(guò)程中工作量巨大，效率低下，可靠性低，成本高，很難實(shí)現(xiàn)快速、可靠、全面的厚壁管道檢測(cè)。因此，迫切需要一種更為有效的檢測(cè)手段。近年來(lái)，超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以其快速、靈活、可進(jìn)行復(fù)雜檢測(cè)、陣列尺寸小、機(jī)械可靠性強(qiáng)、方向難以辨別的缺陷可檢測(cè)性增強(qiáng)等特點(diǎn)，在無(wú)損檢測(cè)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

本文通過(guò)制定多種檢測(cè)工藝對(duì)不同厚度的厚壁壓力管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究相控陣檢測(cè)技術(shù)在厚壁壓力容器管道上的檢出率，最終制定一套能提高厚壁壓力容器管道的缺陷檢出率的檢測(cè)方案。

1、相控陣的原理及特點(diǎn)

相控陣的基本概念來(lái)自于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，超聲相控陣換能器由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個(gè)晶片稱為一個(gè)陣元，一般是由多個(gè)陣元組成的一維或二維陣列。通過(guò)電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個(gè)陣元，按一定的規(guī)則和時(shí)序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)，使陣列中各單元發(fā)射的超聲波疊加形成一個(gè)新的波陣面。同樣，在反射波的接收過(guò)程中，按一定規(guī)則和時(shí)序控制接收單元的接收并進(jìn)行信號(hào)合成，再將合成結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，從而實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)損檢測(cè)，如圖1所示。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)屬于脈沖反射法檢測(cè)范疇，但是在聲場(chǎng)特性、檢測(cè)應(yīng)用、信號(hào)處理與成像、性能和功能等許多方面，相控陣與常規(guī)脈沖反射法有很大的不同。

相控陣超聲使用的探頭是由若干壓電晶片組成陣列換能器，通過(guò)電子系統(tǒng)控制陣列中的各個(gè)晶片按照一定的延時(shí)法則發(fā)射和接受超聲波，從而實(shí)現(xiàn)聲束掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。如圖2所示。

利用掃描特性，相控陣技術(shù)可以在探頭不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的掃查：利用偏轉(zhuǎn)特性，相控陣技術(shù)不僅可以在探頭不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢區(qū)域的掃查，而且聲束能夠以多種角度入射到缺陷上，從而提高缺陷檢出率；利用聚焦特性，相控陣技術(shù)可以提高聲場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度、回波信號(hào)幅度和信噪比，從而提高缺陷檢出率，以及缺陷深度、長(zhǎng)度的測(cè)量精度。相控陣的掃查方式包括電子掃描和機(jī)械掃查。電子掃描分為扇形掃描、線掃描等，機(jī)械掃查分為沿線掃查和手動(dòng)鋸齒掃查，檢測(cè)過(guò)程中電子掃描和機(jī)械掃查是可以結(jié)合并同時(shí)進(jìn)行的。

相控陣檢測(cè)系統(tǒng)是高性能的數(shù)字化儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)全過(guò)程信號(hào)的記錄。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，系統(tǒng)能生成和顯示不同方向投影的高質(zhì)量的圖像。

2、檢測(cè)工藝

2.1、設(shè)備與試塊

ISONIC2010，以色列SONOTRONNDT公司生產(chǎn)的一款便攜式多功能超聲波相控陣成像檢測(cè)系統(tǒng)。選擇相控陣便攜A型試塊和CSK-ⅢA試塊。這兩塊試塊主要用于校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

2.2 被檢工件狀況

被檢管道有四種厚度，分別為32mm、40mm、50mm、64mm。焊縫均為V型坡口，對(duì)焊縫檢測(cè)時(shí)均要求對(duì)焊縫兩邊母材進(jìn)行打磨，將管道表面的污垢、鐵屑和飛濺等影響探頭耦合和移動(dòng)的不良因素通過(guò)打磨去除，其表面粗糙度Ra值應(yīng)小于或等于6.3μm，打磨的寬度隨母材厚度的不同也有所不同。保留余高的焊縫，如果焊縫表面有咬邊、較大的隆起和凹陷等應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男弈?，并做圓滑過(guò)度以免影響檢測(cè)結(jié)果的評(píng)定。

2.3 掃查方式的選擇

為了能夠在提高檢測(cè)效率的同時(shí)，保證一次檢測(cè)能覆蓋到整個(gè)焊縫，掃查方式選擇扇形沿線編碼掃查。相控陣掃查方向如圖3所示，環(huán)焊縫掃查點(diǎn)以0點(diǎn)為起點(diǎn)，每條焊縫分兩次掃查，第一次從0°經(jīng)90°掃查至180°，第二次從0°經(jīng)270°掃查至180°，兩次掃查重疊搭接長(zhǎng)度為50mm。

2.4、檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的選擇

管道焊縫檢測(cè)時(shí)探頭擺放方法如圖4所示，探頭與焊縫保持一定的距離采用扇形沿線編碼掃查，通過(guò)一次波和二次波一次性記錄整個(gè)焊縫相控陣檢測(cè)圖像。

本文參照ISO 13588-2010《Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology》編制檢測(cè)工藝，檢測(cè)技術(shù)等級(jí)：A級(jí)。對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度調(diào)整，采用CSKⅢA試塊和相控陣便攜A型試塊制作DAC曲線的方式進(jìn)行校準(zhǔn)，檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

掃查時(shí)DAC曲線判廢線不應(yīng)超過(guò)滿屏的100%，為得到較大的動(dòng)態(tài)范圍，可將判廢線設(shè)置為滿屏高度的90～100%。檢測(cè)橫向缺陷時(shí)，應(yīng)將各線靈敏度均提高6dB。

依照工藝設(shè)置檢測(cè)系統(tǒng)，將探頭擺放到要求位置，沿設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行掃查。最大掃查速度不應(yīng)超過(guò)25mm/s。

3、檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)管道進(jìn)行掃查后，經(jīng)由ISONIC PA Office軟件對(duì)圖譜進(jìn)行分析，標(biāo)記好缺陷，然后生成檢測(cè)報(bào)告，圖4為50mm厚壓力容器管道相控陣S掃檢測(cè)結(jié)果，由于采用真實(shí)幾何位置的成像方式，一次波和二次波的成像既可以分別顯示，也可以疊加顯示，易于缺陷的判讀，可直觀的看出缺陷的位置。其長(zhǎng)度、埋深和自身高度等信息可方便的進(jìn)行測(cè)量。表2為四種不同厚度的管道掃查后的缺陷測(cè)量數(shù)據(jù)。

為驗(yàn)證相控陣檢測(cè)的準(zhǔn)確性，采用射線檢測(cè)對(duì)上述工件進(jìn)行探傷，射線檢測(cè)結(jié)果如表3所示。其結(jié)果與相控陣檢測(cè)結(jié)果能夠?qū)?yīng)。

以往在厚壁壓力容器管道檢測(cè)中，主要使用射線與常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)。由于射線檢測(cè)效率低，且具有輻射危害，目前我們主要采用TOFD（超聲衍射時(shí)差法）檢測(cè)技術(shù)、常規(guī)超聲檢測(cè)與表面檢測(cè)方法進(jìn)行管道檢測(cè)。相控陣檢測(cè)較常規(guī)超聲缺陷檢出率高，聲束覆蓋區(qū)域大，其亦能夠彌補(bǔ)TOFD檢測(cè)盲區(qū)的檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果直觀。故本論文提出一項(xiàng)全新的檢測(cè)模式，在對(duì)厚壁壓力容器管道檢測(cè)時(shí)，先采用TOFD檢測(cè)，而后采用相控陣進(jìn)行檢測(cè)及驗(yàn)收，這種同時(shí)運(yùn)用兩種檢測(cè)新技術(shù)的檢測(cè)模式能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

4、結(jié)論

參照ISO 13588-2010編制了厚壁壓力容器管道相控陣檢測(cè)的檢測(cè)工藝，并按照工藝分別對(duì)不同厚度的壓力容器管道進(jìn)行檢測(cè)，將相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1）相控陣檢測(cè)的缺陷檢出率不亞于射線檢測(cè)；

2）TOFD（超聲衍射時(shí)差法）檢測(cè)技術(shù)、常規(guī)超聲檢測(cè)與表面檢測(cè)方法進(jìn)行管道檢測(cè)的方式可由TOFD檢測(cè)、相控陣檢測(cè)替代，同時(shí)運(yùn)用兩種檢測(cè)新技術(shù)的檢測(cè)模式能夠大大提高厚壁壓力容器管道缺陷的檢出率。

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[3]ISO 13588-2010. ：Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology [S].

作者簡(jiǎn)介：

王培寧（1973年4月-），男，本科，助理工程師。主要從事特種設(shè)備及靜設(shè)備管理、無(wú)損檢測(cè)、焊接及管道專業(yè)管理