相控陣超聲波儀器的校準(zhǔn)

文/吳員 姜華 張?zhí)旖?/p>

1 背景

近年來(lái)，碳鋼對(duì)接環(huán)焊縫的檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了衍射時(shí)差法（TOFD）,全自動(dòng)超聲波（AUT）,相控陣超聲波技術(shù)（PAUT）等一系列先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)手段，其中相控陣超聲波設(shè)備有檢測(cè)效率高、體積靈活，而且無(wú)污染等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸占據(jù)碳鋼對(duì)接環(huán)焊縫檢測(cè)的主導(dǎo)地位，本文針對(duì)該設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)及校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究說明，為類似的設(shè)備校準(zhǔn)提供了參考。

2 檢測(cè)設(shè)備要求

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相控陣設(shè)備應(yīng)具有PE功能，并配備2dB 或者更小步進(jìn)可調(diào)的控制。設(shè)備應(yīng)有獨(dú)立的16/32 發(fā)射/接受通道。系統(tǒng)能夠提供A/B/C/S 四種圖像顯示。相控陣系統(tǒng)包含聚焦法則生成軟件，允許直接修改超聲聲束特性。相控陣系統(tǒng)可以使用外接的存儲(chǔ)設(shè)備。便攜式電腦可以通過網(wǎng)絡(luò)連接。除了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，電腦也可以用來(lái)數(shù)據(jù)采集之后的數(shù)據(jù)分析。

如果校準(zhǔn)中使用某項(xiàng)控制功能，那么影響系統(tǒng)校準(zhǔn)這些功能將不能改變。相控陣系統(tǒng)應(yīng)在開工前進(jìn)行線性校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的有效期為12個(gè)月。設(shè)備同時(shí)還要能夠支持TOFD 檢驗(yàn)。

3 校準(zhǔn)試塊

相控陣設(shè)備應(yīng)在專用的試塊上進(jìn)行校準(zhǔn)，試塊必須采用與生產(chǎn)焊縫材料系統(tǒng)或者相近的材料進(jìn)行加工，聲速測(cè)量及楔塊延遲應(yīng)使用IIW 試塊或者復(fù)合試塊的弧面進(jìn)行校準(zhǔn)，TCG及靈敏度應(yīng)根據(jù)ASME V 的要求使用直徑為2.4mm 的側(cè)鉆孔進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 認(rèn)可試塊

試塊使用材料應(yīng)為項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用管材或者聲速性能相近的材料并使用與實(shí)際生產(chǎn)一致的焊接程序進(jìn)行焊接。校準(zhǔn)試塊反射體的尺寸及位置參照ASME V 和 ASME B31.3 CASE 181。

5 設(shè)備校準(zhǔn)

設(shè)備應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)以保證相控陣設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)過程中狀況良好。

5.1 屏幕高度線性

（1）相控陣設(shè)備使用縱波或者橫波探頭耦合于任何能夠產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)的試塊。

（2）調(diào)整探頭使兩個(gè)信號(hào)分別指80%及40%FSH。

（3）如果相控陣設(shè)備可以在PE 模式下支持單晶片的探頭，那么在線性試塊中兩個(gè)阻抗可調(diào)的平底孔將提供遮這樣的信號(hào)。

（4）增加增益使較大的信號(hào)調(diào)節(jié)是100%FSH。

（5）以10%的間隔調(diào)節(jié)較大的信號(hào)直至10%FSH。

（6）使較大的信號(hào)調(diào)整至80%，確定較小的信號(hào)沒有變化。

（7）如果第二個(gè)信號(hào)大于41%，或者小于39%，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

表1：波幅控制線性

圖1：楔塊延遲校準(zhǔn)

5.2 波幅控制線性

（1）垂直線性是為了檢查反射波幅高度滿足表1的要求。

（2）打開設(shè)備并導(dǎo)入設(shè)置。

（3）將探頭放在試塊上，移動(dòng)探頭得到一個(gè)已知深度的信號(hào)。

（4）調(diào)節(jié)增益使信號(hào)達(dá)到80%FSH。

（5）按照下表調(diào)節(jié)增益，使得波幅高度滿足表1要求。

5.3 水平線性

（1）為了評(píng)估水平線性，調(diào)整相控陣設(shè)備至A 掃。選擇0 度縱波探頭。

（2）在IIW 試塊上25mm 壁厚范圍內(nèi)得到10 個(gè)反射信號(hào)。

（3）設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換率至少80MHz。

（4）至少顯示10 個(gè)A 掃。

（5）水平線性誤差理論及實(shí)際值不能超過2%。

5.4 探頭晶片檢測(cè)

應(yīng)進(jìn)按照下列步驟行晶片檢測(cè)，檢測(cè)是否有損壞晶片。

（1）連接探頭及楔塊。

（2）調(diào)整顯示范圍所有角度都能夠顯示覆蓋100mm 的IIW 試塊的弧面。

（3）將探頭放置于IIW 試塊上得到100mm 弧面的信號(hào)。

（4）前后移動(dòng)探頭并調(diào)整增益使最高波達(dá)到80%FSH。

（5）凍結(jié)顯示。

（6）調(diào)整角度檢查波幅。

誤差說明：

（1）相鄰晶片差距不得大于3 dB。

（2）損壞晶片數(shù)量不得大于2 個(gè)。

（3）損壞晶片數(shù)量不得大于總晶片數(shù)量的10%。

6 校準(zhǔn)測(cè)試

6.1 相控陣校準(zhǔn)

6.1.1 聲束校準(zhǔn)

聲束校準(zhǔn)應(yīng)使用IIW 試塊的弧面。

6.1.2 楔塊延遲校準(zhǔn)

所有的組都應(yīng)進(jìn)行楔塊延遲校準(zhǔn)。IIW 試塊100mm 的弧面應(yīng)用來(lái)校準(zhǔn)楔塊延遲，將探頭放置于下面IIW 試塊。來(lái)回移動(dòng)相控陣探頭得到不同角度或聚焦法則的最高波，如圖1所示。

6.1.3 靈敏度校準(zhǔn)

靈敏度校準(zhǔn)是為了保證不同角度檢測(cè)反射體是顯示的波幅是一致的，該項(xiàng)目中將使用2.4mm 的SDH.移動(dòng)探頭至SDH 上方，掃描范圍覆蓋SDH，生成一個(gè)曲線，增益自動(dòng)計(jì)算并增加。最終使檢測(cè)SDH 的所有聚焦法則得到的波幅均為80%。

6.1.4 靈敏度校準(zhǔn)

繼續(xù)上述過程將會(huì)創(chuàng)建TCG 曲線?？椎奈恢脩?yīng)至少覆蓋2 倍的焊縫厚度。該校準(zhǔn)修正同一反射體在不同深度或者聲程的情況，使得檢測(cè)波幅都達(dá)到80%。由于探頭的移動(dòng)將所有的聚焦法則都暴露于校準(zhǔn)反射體，設(shè)備中的校準(zhǔn)管理獎(jiǎng)儲(chǔ)存每個(gè)TCG 點(diǎn)的增益偏移。靈敏度、楔塊延遲及TCG 的校準(zhǔn)是為了檢測(cè)不同聲程的SDH 及槽時(shí)得到相同的波幅。檢測(cè)前應(yīng)至少進(jìn)行一次完整的系統(tǒng)校準(zhǔn)。

6.1.5 編碼器校準(zhǔn)

自動(dòng)或者半自動(dòng)掃查應(yīng)使用編碼器跟蹤探頭的位置。在焊縫周長(zhǎng)方向上的定位精度應(yīng)達(dá)到+/- 1%或者 10mm 的較大值。編碼器應(yīng)每天校準(zhǔn)。在既定的距離上移動(dòng)掃查器并比較開始及最終的讀數(shù)就可以確定編碼器。誤差外的編碼器應(yīng)進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

6.2 TOFD校準(zhǔn)

6.2.1 PCS 設(shè)置

為保證被檢測(cè)區(qū)域都能被檢測(cè)到，TOFD探頭必須兩個(gè)組成一組，兩個(gè)探頭沿著焊縫對(duì)稱擺放，且兩個(gè)探頭連線垂直焊縫，探頭掃查時(shí)沿著焊縫平行移動(dòng)。探頭的設(shè)置必須保證需要檢測(cè)區(qū)域超聲衍射信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到指定的靈敏度。對(duì)于11.1mm 和12.7mm，探頭間距必須使兩探頭聲束交點(diǎn)2/3t 深度處。

6.2.2 厚度校準(zhǔn)

為了確保TOFD 系統(tǒng)及其所有設(shè)置都是正確，可行，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)前必須進(jìn)行厚度校準(zhǔn),在以下情況下需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行厚度校準(zhǔn)。

將探頭放置在參考試塊上沒有缺陷位置處。直通波和縱波反射回波必須能清晰顯示，采集直通波和反射縱波并顯示在B 掃描圖像中。如果無(wú)法采集直通波和反射縱波，在被檢測(cè)區(qū)域的刻槽或橫孔信號(hào)也可以用作深度校準(zhǔn)。

6.2.3 掃查靈敏度校準(zhǔn)

能否顯示出缺陷主要取決于信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)增益調(diào)至最優(yōu)化時(shí)（所有參考缺陷都能顯示出來(lái)）,直通波的波幅或者參考缺陷信號(hào)的波幅都可以作為實(shí)際工件掃查時(shí)的參考靈敏度。當(dāng)工件較薄，一對(duì)TOFD 探頭，一個(gè)分區(qū)能夠滿足要求時(shí)，在實(shí)際工件上進(jìn)行靈敏度設(shè)置，一般將直通波的波幅設(shè)定到滿屏高的40 ～80%；若因工件表面狀況影響，采用直通波不適合或直通波不可見，可將底面反射波幅設(shè)定為滿屏高再提高18 ～30dB；若直通波和底面反射波均不可用，可將材料的晶粒噪聲設(shè)定為滿屏高的5%～10%作為靈敏度。

7 數(shù)據(jù)評(píng)估

7.1 相控陣數(shù)據(jù)分析

最后的數(shù)據(jù)評(píng)估應(yīng)使用Tomoview 軟件在現(xiàn)場(chǎng)完成。數(shù)據(jù)評(píng)判時(shí)可根據(jù)焊縫幾何尺寸的不同使用不同的頁(yè)面布局但至少應(yīng)包涵以下內(nèi)容：A 掃，扇形掃查，B 視圖，C 視圖。

數(shù)據(jù)分析應(yīng)按照下列步驟進(jìn)行：

（1）放大B 視圖，顯示150mm 的范圍。

（2）使用鼠標(biāo)移動(dòng)數(shù)據(jù)線，注意扇形掃查的顯示。

（3）將數(shù)據(jù)線放置于扇形掃查顯示的缺陷位置中間，其他視圖配合完成分析。

（4）記錄B 視圖缺陷的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度的測(cè)量應(yīng)使用6 dB 法。

（5）S 視圖中找到缺陷的最高波幅，測(cè)量缺陷的高度，使用6 dB 法。

（6）用扇掃確定缺陷的偏移位置。

（7）任何超標(biāo)缺陷都應(yīng)明確參考位置。應(yīng)用草圖描述缺陷的大致位置，包括長(zhǎng)度及起始。

7.2 TOFD數(shù)據(jù)分析

當(dāng)缺陷的上下尖端可以清晰的辨認(rèn)時(shí)，TOFD 技術(shù)應(yīng)用來(lái)提高缺陷的檢測(cè)和定量精度。

8 結(jié)論

通過上文的敘述，相控陣超聲波設(shè)備的校準(zhǔn)試塊、系統(tǒng)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容得到了清晰的展現(xiàn)，基本上覆蓋了設(shè)備校準(zhǔn)的全部要點(diǎn)及關(guān)鍵步驟，在類似設(shè)備的校準(zhǔn)中可以參考本文的內(nèi)容。