直孔反射體在小徑管超聲相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用

，，

(山東豐匯工程檢測(cè)有限公司，濟(jì)南 250200)

承壓設(shè)備焊接接頭超聲波檢測(cè)對(duì)比試塊常采用橫孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體，并利用一次波測(cè)定試塊上不同深度的橫孔制作距離-波幅曲線，以此確定檢測(cè)靈敏度，從而進(jìn)行焊接接頭缺陷的測(cè)量和評(píng)定。但由于小徑管(外徑不大于100 mm)焊接接頭曲率大，管壁對(duì)聲波的散射作用明顯，并且管壁較薄，常采用二、三次波對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，而使用一次波往往只能檢測(cè)焊接接頭根部。因此，采用橫孔反射體制作的靈敏度曲線，不利于精確判定小徑管焊接接頭中的缺陷。鑒于上述問(wèn)題，需要尋找一種更切合小徑管檢測(cè)的反射體來(lái)校準(zhǔn)超聲波檢測(cè)儀器，從而提高檢測(cè)精度。筆者直接在小徑管管壁上鉆取了垂直于管壁的直通孔，用超聲相控陣檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該類反射體不僅加工方便，并存在上、下端點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)可還原聲波在內(nèi)、外管壁的反射特征，更接近于小徑管超聲檢測(cè)的實(shí)際情況，有助于減小缺陷評(píng)定誤差。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)通過(guò)控制晶片陣列中各個(gè)晶片的延遲來(lái)激發(fā)和接收超聲波，可以得到多角度的聚焦聲束，進(jìn)而得到一定角度范圍的聲束覆蓋面[1]。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣技術(shù)在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率方面均具有顯著的優(yōu)越性[2]。筆者采用該技術(shù)對(duì)直孔反射體特征進(jìn)行了研究，并與橫孔反射體的波形特征進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了直孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體在小徑管超聲相控陣檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

1 直孔反射體的聲場(chǎng)模擬

直孔反射體垂直貫穿于管件表面，其上、下端點(diǎn)反射特征類似于端角反射。一次波傾斜入射至下端點(diǎn)時(shí)，聲束在直孔圓柱面與管內(nèi)壁形成的直角內(nèi)產(chǎn)生端角反射，其一次波聲場(chǎng)模擬示意及實(shí)測(cè)圖像如圖1所示；一次波經(jīng)過(guò)內(nèi)壁反射后傾斜入射至上端點(diǎn)時(shí)，即二次波在直孔圓柱面與管外壁形成的直角內(nèi)產(chǎn)生端角反射，其二次波聲場(chǎng)模擬示意及實(shí)測(cè)圖像如圖2所示。

圖1 直孔反射體的一次波聲場(chǎng)模擬示意及實(shí)測(cè)圖像

圖2 直孔反射體的二次波聲場(chǎng)模擬示意及實(shí)測(cè)圖像

由于直孔側(cè)反射面為曲面，對(duì)聲束存在一定的散射作用，因此得到的回波能量低于管件端部?jī)纱怪逼矫娴亩私欠瓷淠芰俊５捎诔曄嗫仃嚈z測(cè)聲場(chǎng)為多晶片復(fù)合聲場(chǎng)，與單陣元自發(fā)自收的回波信號(hào)相比，多聲束合成后缺陷的回波信號(hào)更強(qiáng)，信噪比更好，能夠更好地對(duì)缺陷進(jìn)行判別[3]，其回波靈敏度完全滿足檢測(cè)要求。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

選用在小徑管檢測(cè)方面性能突出的以色列ISONIC2009型64通道相控陣超聲檢測(cè)儀；選用小徑管檢測(cè)專用的16晶片、自聚焦線陣探頭，其型號(hào)為7.5S-16-0.5×10。

2.2 直孔試塊

制作公稱直徑為64 mm，壁厚分別為4,6,8,10,12,16 mm的6根小徑管管道，在每個(gè)管壁上各加工4個(gè)直徑為2 mm的直孔(以免加工不當(dāng)造成直孔傾斜或者孔徑誤差而導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)不精確，檢測(cè)數(shù)據(jù)去掉一個(gè)偏離較大值，然后取剩余3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該直孔的特征數(shù)據(jù))，直孔試塊外觀如圖3所示。

圖3 直孔試塊外觀

2.3 試驗(yàn)方法

按標(biāo)準(zhǔn)JJF1338-2012《相控陣超聲探傷儀校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)儀器進(jìn)行性能測(cè)試，確保各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，根據(jù)直孔試塊規(guī)格設(shè)置相關(guān)參數(shù)，然后利用R50半圓試塊進(jìn)行角度增益修正。完成上述步驟之后，對(duì)直孔試塊逐一進(jìn)行反射體特征測(cè)試。

分別用一次波、二次波測(cè)試直孔試塊的上、下端點(diǎn)，可得到兩個(gè)不同深度反射體的回波能量數(shù)據(jù)，再對(duì)不同壁厚的直孔試塊進(jìn)行檢測(cè)。全部檢測(cè)完畢后，以波高均達(dá)到80%滿屏?xí)r的增益作為縱坐標(biāo)，以各波高對(duì)應(yīng)的反射體深度為橫坐標(biāo)，繪制直孔反射體距離-波幅曲線，進(jìn)行反射體特征研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 55°中心角度時(shí)直孔試塊的原始距離-波幅曲線

超聲相控陣檢測(cè)扇形掃描時(shí)，實(shí)用的聲束折射角度范圍為35°～90°，但考慮到聲束偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí)有效聲波輻射口徑會(huì)變小等實(shí)際問(wèn)題，扇形掃描中角度范圍上限要不大于75°[4]。因此先將扇掃角度范圍設(shè)置為35°～75°，此時(shí)的中心角度為55°，以該角度對(duì)直孔試塊進(jìn)行檢測(cè)，得到的距離-波幅曲線如圖4所示。

對(duì)6個(gè)不同壁厚試塊上的直孔進(jìn)行檢測(cè)，得到了6條距離-波幅曲線，每條曲線的第一點(diǎn)代表一次波數(shù)據(jù)，第二點(diǎn)代表二次波數(shù)據(jù)。由距離-波幅曲線可以看出，相同距離的一次波要比二次波波幅稍高。這是由于小徑管內(nèi)壁曲率對(duì)聲波有一定的散射作用，造成二次波檢測(cè)相同聲程距離直孔端部時(shí)的能量減弱，這與理論相符。為了便于特征分析和數(shù)據(jù)對(duì)比，筆者將各數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成該角度的距離-波幅曲線。當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)相同時(shí)，取一次波數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行連接便得到了55°中心角度時(shí)直孔的距離-波幅曲線，如圖5所示。

圖5 55°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線

由圖5可以看出，55°中心角度時(shí)直孔距離-波幅曲線在距離16 mm之前，波幅先降低后升高，出現(xiàn)了波動(dòng)，未呈現(xiàn)單一線性變化的特征，這對(duì)厚度小于16 mm規(guī)格的小徑管缺陷的評(píng)判會(huì)產(chǎn)生不利影響，且4 mm與10 mm距離的波幅近似相同，因此不利于厚度小于10 mm小徑管的相控陣檢測(cè)。

對(duì)于超聲波檢測(cè)來(lái)說(shuō)，一般斜探頭K值(角度)可根據(jù)焊縫母材的厚度來(lái)選取。對(duì)于厚度較大的母材采用大K值，以避免近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)，提高定位、定量檢測(cè)的精度；對(duì)于厚度較小的母材采用小K值，以便縮短聲程、減小衰減、提高檢測(cè)靈敏度[5]。所以，對(duì)于薄壁小徑管超聲相控陣檢測(cè)來(lái)說(shuō)也應(yīng)提高相應(yīng)的檢測(cè)角度。為了研究直孔在小徑管相控陣檢測(cè)中的反射特點(diǎn)，需要增大中心角度繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，分析直孔反射體在其他角度中的反射特點(diǎn)。

將相控陣扇掃角度范圍設(shè)置為55°～75°，此時(shí)聲束中心角度為65°，重新進(jìn)行上述步驟繪制距離-波幅曲線。65°中心角度時(shí)直孔試塊的原始距離-波幅曲線如圖6所示，65°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線如圖7所示；然后，繼續(xù)增大角度，將相控陣扇掃角度范圍設(shè)置為65°～75°，此時(shí)聲束中心角度為70°，繪制距離-波幅曲線，70°中心角度時(shí)直孔試塊的原始距離-波幅曲線如圖8所示，70°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線如圖9所示。

圖6 65°中心角度時(shí)直孔試塊的原始距離-波幅曲線

圖7 65°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線

圖8 70°中心角度時(shí)直孔試塊的原始距離-波幅曲線

圖9 70°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線

由圖7,9可以看出，提高聲束中心角度后，曲線在前半部分的波動(dòng)減小，并且65°和70°中心角度時(shí)直孔試塊的距離-波幅曲線均在6 mm距離處出現(xiàn)波幅最大值，4 mm與6 mm距離處的波幅相差2～4 dB。因此，完全滿足大于4 mm厚度的小徑管焊接接頭的超聲相控陣檢測(cè)要求。經(jīng)過(guò)對(duì)55°，65°，70°三組中心角度時(shí)的距離-波幅曲線的分析可以看出，壁厚越小應(yīng)該選擇越大的相控陣聲束中心角度。對(duì)于厚度大于10 mm的小徑管，優(yōu)先選用55°中心角度聲束；對(duì)于4～10 mm厚度的小徑管，則應(yīng)選擇65°～70°中心角度聲束進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)。

為了完善直孔反射體的特征研究，最后將直孔與現(xiàn)行橫孔反射體的距離-波幅曲線進(jìn)行直觀對(duì)比。由上述試驗(yàn)可以看出，55°和65°中心角度聲束最為常用，因此選取這兩個(gè)中心角度進(jìn)行距離-波幅曲線的對(duì)比。直孔試塊管徑為64 mm，反射體直徑為2 mm，因此選用GS-2試塊，在曲率半徑為32 mm的圓弧面上，利用φ2 mm橫孔制作距離-波幅曲線，然后保持該靈敏度不變?nèi)z測(cè)直孔試塊，最后將直孔和橫孔的距離-波幅曲線繪制在一起，圖10為55°中心角度時(shí)直孔與橫孔試塊的距離-波幅曲線，圖11為65°中心角度時(shí)直孔與橫孔試塊的距離-波幅曲線。

圖10 55°中心角度時(shí)直孔與橫孔試塊的距離-波幅曲線

圖11 65°中心角度時(shí)直孔與橫孔試塊的距離-波幅曲線

通過(guò)圖10,11可以看出,直孔和橫孔試塊的曲線趨勢(shì)基本相似，在65°中心角度的距離-波幅曲線中，橫孔在4 mm距離處的波高稍低于5 mm處的波高，而直孔在近距離處的增勢(shì)較明顯。從相對(duì)應(yīng)的幅值比較分析可知，直孔反射波幅均低于橫孔反射波幅，并且在近距離處的波幅差異較大，而隨著距離的增加，兩者的差異逐漸減小。因此在小徑管相控陣檢測(cè)時(shí)，采用直孔進(jìn)行距離-波幅曲線的制作，其檢測(cè)靈敏度明顯高于橫孔的檢測(cè)靈敏度，并且管壁越薄靈敏度增高得越多，管壁越厚靈敏度增高得越少，具有自補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。也就是說(shuō)，對(duì)薄壁管的缺陷評(píng)判更嚴(yán)格一些，而對(duì)于厚壁管的缺陷評(píng)判相對(duì)寬松一些，該特點(diǎn)完全符合超聲波檢測(cè)對(duì)質(zhì)量控制的理念。因此，使用設(shè)計(jì)的直孔反射體進(jìn)行靈敏度曲線制作，將會(huì)提高小徑管相控陣超聲檢測(cè)的精度，所得檢測(cè)結(jié)果也將更加真實(shí)、有效。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)小徑管直孔反射體試塊進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其距離-波幅曲線有規(guī)律性，并且可真實(shí)還原聲波在管壁內(nèi)傳播的規(guī)律和反射特點(diǎn)，解決了常規(guī)橫孔試塊無(wú)法對(duì)管壁散射進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。采用直孔作為反射體制作靈敏度曲線，可提高小徑管超聲相控陣檢測(cè)的精度。使用不同聲束角度對(duì)直孔反射體進(jìn)行檢測(cè)，可為小徑管超聲相控陣檢測(cè)的角度優(yōu)化選擇提供理論支持。對(duì)于厚度小于10 mm的薄壁小徑管超聲相控陣檢測(cè)，65°～70°的中心角度聲束更有利于缺陷的檢出和評(píng)判，厚壁小徑管則可選擇55°～60°的中心角度聲束進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)直孔和橫孔反射體距離-波幅曲線的對(duì)比可以看出，采用直孔靈敏度曲線對(duì)小徑管進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，具有較高的檢測(cè)靈敏度，并且管壁越薄靈敏度增高越多，從而達(dá)到嚴(yán)格控制薄壁管焊接質(zhì)量的目的。

[1] 左延田，方雨，劉晴巖,等. 角焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測(cè)工藝[J].無(wú)損檢測(cè)，2016, 38 (6) : 6-9.

[2] 張侃，楊力，王學(xué)權(quán),等. 超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2017, 39 (5) : 42-48.

[3] 楊天雪. 多信息超聲相控陣缺陷檢測(cè)[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2017, 39 (5) : 49-52.

[4] 蔣學(xué)平，王鵬，鄭輝，等. 相控陣超聲檢測(cè)扇形掃描角度范圍[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2015, 37 (11) : 10-12.

[5] 鄭暉，林樹(shù)青. 超聲檢測(cè)[M]. 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008: 280.