楔塊磨損對相控陣超聲檢測結(jié)果的影響

朱 琪 ，孫 磊 ，龐 兵

(1.安徽津利能源科技發(fā)展有限責(zé)任公司,安徽 合肥 230000；2.中國能建工程研究院相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用研究所,安徽 合肥 230000)

在工業(yè)無損檢測中,通常將一維線性換能器安裝在一定角度的斜楔塊上形成斜探頭,從而進(jìn)行相控陣超聲檢測,而楔塊主要影響的是聲束角度和聲程,不同角度的楔塊對探頭角度的覆蓋范圍和實(shí)際焦點(diǎn)深度的影響也是不同的。安裝斜楔塊后的相控陣探頭,大部分近場區(qū)都在楔塊內(nèi),工件內(nèi)的近場區(qū)較小。由于聲場只能在近場區(qū)內(nèi)才能有效地聚焦,致使工件內(nèi)的聚焦能力變差。一般來說,小角度有較好的聚焦能力,而且激發(fā)晶片束越大,聚焦能力也越強(qiáng)。設(shè)置角度越接近楔塊的主聲束角度,聲束越均勻,分辨率越好。

實(shí)際檢測中,斜楔塊的使用大大提高了探頭的使用壽命,但是檢測數(shù)量越多,斜楔塊的磨損也越厲害,檢測人員的習(xí)慣和工件表面狀態(tài)對楔塊磨損程度也有不同的影響(見圖1),楔塊磨損改變了斜楔塊的物理角度,從而影響聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。本文通過不同磨損程度的楔塊對比檢測試驗(yàn),探究楔塊磨損對缺陷定位和定量的影響,結(jié)合《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》(DL/T1718－2017),給出楔塊磨損的有效范圍。

圖1 楔塊磨損示意圖

1 楔塊角度的測定

1.1 試驗(yàn)背景

根據(jù)斯涅耳定律：

式中 ：θi為楔塊中的聲束的入射角 (°)；cw為楔

塊中的聲速(mm/s)；θr為楔塊中的聲束的

折射角 (°)；cs為工件中的橫波聲速 (mm/s)。

當(dāng)楔塊和工件的聲速一定時(shí),楔塊的角度發(fā)生改變時(shí),楔塊－工件內(nèi)的折射角也隨之發(fā)生改變。試驗(yàn)開始之前收集了若干不同磨損程度的弧度為φ57、φ38、φ44.5、φ48的相控陣楔塊,見圖2。

圖2 楔塊

本次試驗(yàn)使用的是M2M相控陣超聲波探傷儀(型號GEKKO)以及Isonic2009相控陣儀進(jìn)行檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析,工藝相控陣探頭和楔塊為多普勒定制,探頭編號為7.5S16－0.5h10,楔塊編號為SD10－N60S－IH,采用萬能量角器和試塊測定等兩種方法對楔塊磨損的角度進(jìn)行測量。

(1)用圖3所示的萬能量角器對收集楔塊磨損后的角度進(jìn)行測量,但是該方法受人為因素的誤差較大,僅能作為參考數(shù)據(jù)。

圖3 萬能量角器

(2)采用相控陣PGD試塊,將楔塊安裝在探頭上,根據(jù)楔塊弧度選擇合適型號的試塊,將探頭放置在試塊上,形成人工反射體的回波信號,通過探頭至已知深度反射體的距離,可以算出楔塊－工件內(nèi)的折射角,根據(jù)斯涅耳定律,可知楔塊的角度。此方法測定楔塊的角度準(zhǔn)確性較高,但過程較為繁瑣。

通過以上兩種方法對所有磨損楔塊的角度進(jìn)行多次測定,取誤差內(nèi)測定值的平均值為最終確定,楔塊角度見表1。

表1 楔塊磨損角度統(tǒng)計(jì)

2 不同磨損斜楔塊相控陣超聲檢測對比

2.1 參考標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)對比

2.1.1 試驗(yàn)對比

本試驗(yàn)采用的參考試塊為《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測規(guī)程》(DL/T1718－2017)中的PGD系列試塊,試塊見圖4,該參考試塊較其他試塊,可根據(jù)被檢工件的曲率不同選擇合適的試塊,適用管外徑范圍為32～159 mm。

圖4 試塊實(shí)物

采用表1中統(tǒng)計(jì)的所有楔塊對參考試塊中深度為5 mm、7 mm和9 mm反射體,采用58°的主聲束進(jìn)行檢測測試,測試結(jié)果見表2。

表2 參考試塊檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知,對不同磨損程度的相控陣楔塊采用PGD參考試塊中反射體進(jìn)行試驗(yàn)測定,由于磨損導(dǎo)致的楔塊角度改變,影響聲束測定的結(jié)果。

(1)φ57 #3楔塊,φ38 #2楔塊磨損程度較小,楔塊角度變化不大,在對3個(gè)不同深度的反射體進(jìn)行測試時(shí),檢測結(jié)果幾乎無偏差。

(2)φ57 #1、#2,φ44.5 #1楔塊磨損程度較大,角度變化較大,在對3個(gè)不同深度的反射體進(jìn)行測試時(shí),檢測結(jié)果的偏差較大,且楔塊程度越嚴(yán)重,測試結(jié)果誤差越大。

根據(jù)不同磨損程度的楔塊,采用單一角度在參考試塊中進(jìn)行測試試驗(yàn),楔塊磨損程度越嚴(yán)重,反射體測試結(jié)果偏差越大；隨著超聲波聲程的增大,測試值與標(biāo)稱值的誤差也越大。在實(shí)際檢測過程中,一般采用扇形掃描進(jìn)行檢測,角度范圍為35°～75°之間,為了進(jìn)一步探究楔塊磨損對相控陣超聲檢測扇形的影響,本試驗(yàn)將采用模擬試管進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.2 模擬試管試驗(yàn)對比

2.2.1φ57楔塊相控陣對比試驗(yàn)

在每種弧度的楔塊中,都有一個(gè)無磨損的嶄新楔塊。本試驗(yàn)將采用無磨損的楔塊制作檢測工藝,在對所有磨損的楔塊進(jìn)行檢測,缺陷試管φ57 mmh8.5 mm,設(shè)置有氣孔、裂紋和未熔合等4個(gè)缺陷,圖5為φ57 #1、#2、#3、#4楔塊的相控陣檢測圖譜(側(cè)視圖)。

圖5 不同磨損程度楔塊的檢測側(cè)視

通過表3和表4,對安裝#1、#2、#3、#4號楔塊探頭的檢測缺陷進(jìn)行列表比較,測量每一個(gè)缺陷的角度范圍、深度、長度和軸偏離之間的誤差,見表3。

表3 缺陷參數(shù)比較

表4 缺陷參數(shù)比較

由表3和表4可知：

(1)安裝#1、#2、#3、#4號楔塊的探頭都可檢出氣孔、裂紋和未熔合等4個(gè)缺陷。

(2)φ57 #1、#2楔塊,由于磨損程度較為嚴(yán)重,裂紋缺陷的回波幅度較低,缺陷長度與實(shí)際缺陷的長度相差較大。

(3)由于#4楔塊無磨損,檢測出缺陷的定位、定量與實(shí)際缺陷一致,#3楔塊磨損程度較輕,楔塊角度變化不大,對氣孔、裂紋和未熔合等4個(gè)缺陷的定位和定量變差不大。

(4)安裝#1、#2、號楔塊探頭檢測氣孔、未熔合和裂紋等缺陷的定位、定量參數(shù)與實(shí)際值偏差較大,特別是氣孔和裂紋,回波幅度較低,缺陷難以評定。

(5)φ57 #2楔塊磨損程度最嚴(yán)重,根據(jù)理論分析計(jì)算,缺陷的檢測結(jié)果誤差應(yīng)最大。對模擬試管的檢測結(jié)果分析,試管中的兩個(gè)缺陷長度較小,受扇形掃查結(jié)果的影響不大；坡口未熔合與相控陣扇掃聲束方向夾角加大,反射波高,缺陷檢出率高,長度誤差不大；對于根部裂紋缺陷,裂紋反射波較多,受扇形掃查檢測結(jié)果的影響較大,導(dǎo)致缺陷的波幅和長度檢測結(jié)果與標(biāo)稱值誤差較大。

2.2.2φ38楔塊相控陣對比試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用缺陷試管的規(guī)格為φ38 mmh6.5 mm,采用φ38 #1、#2楔塊探頭試驗(yàn)結(jié)果表明,采用兩種不同的楔塊檢測根部裂紋和坡口未熔合等缺陷,定位和定量的差距不大,而檢測氣孔缺陷的波幅差距較為明顯。

圖6 氣孔缺陷的波幅對比圖

φ38#1、#2楔塊檢測圖譜中,#1無磨損的楔塊檢測氣孔缺陷的波幅高于#2楔塊(見圖6),而氣孔的深度、長度和軸偏離等參數(shù)差距不大。

3 結(jié)語

楔塊磨損會改變楔塊的角度,從而影響相控陣超聲檢測聚焦能力以及缺陷定位、定量的精度。磨損程度越大,角度變化越明顯,對相控陣超聲檢測結(jié)果的影響也越大。通過以上試驗(yàn)可知,楔塊角度在合理范圍內(nèi)的變化,對檢測結(jié)果的影響并不大,在2017年新實(shí)施的《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》(DL/T1718－2017)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,給出了楔塊角度的實(shí)測值和標(biāo)稱值的偏差范圍為－2°～ 2°,超出此范圍應(yīng)更換楔塊,在實(shí)際檢測過程中,每次檢測工作開始之前,都應(yīng)對楔塊的角度進(jìn)行測量,測量方法可參考本文中的試塊測定方法,目前,M2M相控陣儀器具有楔塊的磨損校準(zhǔn)功能,但是功能還不完善,測定的數(shù)值需要采用試塊進(jìn)一步校驗(yàn)。