相控陣探頭楔塊磨損對檢測結(jié)果的影響

(葫蘆島北檢科技有限公司，葫蘆島 125001)

相控陣超聲檢測技術(shù)是先進的、可靠的無損檢測技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于我國主要工業(yè)領(lǐng)域，例如：“西氣東輸”管道工程中管道環(huán)焊縫的檢測，安徽六安和安慶火力發(fā)電廠薄壁小徑管環(huán)焊縫的檢測，汽輪機葉片根部和渦輪圓盤的檢測、火車輪軸檢測、核電站主泵隔熱板的檢測等。

在實際相控陣超聲檢測應(yīng)用過程中,探頭的楔塊易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，雖然有的相控陣設(shè)備具有楔塊磨損自校準功能，但其校準的是楔塊延時，而沒有真正自校準楔塊幾何尺寸，故原始楔塊角度沒有改變，因此并未解決實質(zhì)問題。

相控陣探頭楔塊的磨損會帶來以下問題： ① 造成楔塊角度發(fā)生變化和缺陷定位出現(xiàn)偏差，使缺陷圖像顯示的位置發(fā)生改變，進而給缺陷評定分析增加難度，會出現(xiàn)誤判或漏評的現(xiàn)象;② 造成扇形掃描偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，聲束入射角的不同會導(dǎo)致反射率不同，從而使得波幅發(fā)生改變，甚至引發(fā)漏檢。

而相控陣探頭楔塊加工工藝復(fù)雜，制作成本高，更換楔塊的成本較高，因此明確楔塊磨損程度及其更換時機尤為重要。筆者通過試驗驗證了楔塊磨損對檢測結(jié)果的影響程度，同時提出在相控陣超聲檢測過程中定期修正相控陣探頭楔塊參數(shù)的重要性以及更換楔塊的必要性。

1 相控陣超聲檢測設(shè)置

1.1 相控陣超聲設(shè)備

選用以色列的ISONIC-2009型相控陣超聲設(shè)備，采用按實際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式。

1.2 相控陣探頭

(1) 采用一維線形相控陣探頭，其參數(shù)為頻率7.5 MHz，晶片數(shù)為16，兩晶片中心線間距p=0.5 mm，單個晶片寬度e=0.4 mm，兩晶片間隙g=0.1 mm，曲面晶片的曲率半徑為35 mm。楔塊曲面直徑為60 mm。

(2) 采用一塊完好未經(jīng)磨損的相控陣探頭楔塊(其幾何參數(shù)示意見圖1)，楔塊角度α為39°，H1為10 mm，H2為2 mm，W1為8.12 mm，W2為18 mm。

圖1 完好未經(jīng)磨損的楔塊幾何參數(shù)示意

(3) 采用一塊磨損且參數(shù)已經(jīng)修正的相控陣探頭楔塊，楔塊角度α為41.9°，H1為9.42 mm，H2為0.56 mm，其他幾何參數(shù)與圖1中相同。

1.3 參考試塊

采用DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》中的PGD-4試塊。

1.4 掃查方式

采用平行于焊縫方向的線性掃查方式。

1.5 檢測對象

檢測對象是規(guī)格(直徑×壁厚)為60 mm×8 mm的模擬缺陷試管，該試管中含有4個缺陷，分別是：1#根部未焊透缺陷，其圓周位置為20～50 mm;2#氣孔缺陷，其圓周位置為80～83 mm;3#坡口未熔合缺陷，其圓周位置為116～144 mm;4#氣孔缺陷，其圓周位置為159～163 mm。對此4個缺陷，相控陣超聲均能檢測出來。由于2#氣孔和4#氣孔參數(shù)相似，屬于一類缺陷，分析時以4#氣孔缺陷為代表。通過對根部未焊透缺陷、坡口未熔合缺陷及氣孔缺陷的檢測來驗證楔塊磨損對檢測結(jié)果的影響。

1.6 檢測設(shè)置參數(shù)

一次激發(fā)16個晶片；相控陣探頭前端距焊縫邊緣距離為5 mm；扇掃角度范圍為38°～75°。

2 檢測結(jié)果分析及結(jié)論

2.1 根部未焊透缺陷

2.1.1 根部未焊透缺陷的設(shè)計參數(shù)

圖2 根部未焊透缺陷的設(shè)計尺寸

根部未焊透缺陷的設(shè)計尺寸如圖2所示，其長度為(17±5) mm，深度為(6.5±1) mm，自身高度為(1.5±0.5) mm

2.1.2 根部未焊透缺陷的射線檢測結(jié)果

射線(DR)檢測得到根部未焊透缺陷的長度為13.8 mm，如圖3所示。

圖3 根部未焊透及坡口未熔合缺陷的射線檢測底片

2.1.3 根部未焊透缺陷的相控陣檢測結(jié)果

2.1.3.1 采用完好(未經(jīng)磨損)楔塊的檢測結(jié)果

采用完好未經(jīng)磨損的楔塊對根部未焊透缺陷進行檢測，得到的圖像如圖4所示。該圖像為S掃描圖像，也就是主視圖。檢測時采用一次波，聲束角度為69.5°，波高達到滿屏高度80%時增益為37.5 dB，深度為7.9 mm。

圖4 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測根部未焊透缺陷的結(jié)果

圖5 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測根部 未焊透缺陷的結(jié)果

2.1.3.2 采用磨損楔塊的檢測結(jié)果

(1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊對根部未焊透缺陷進行檢測，得到的圖像如圖5所示。檢測時采用一次波，聲束角度為68.5°，波高達到滿屏高度的80%時增益為41 dB，深度為7.9 mm。

圖6 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測根部 未焊透缺陷的結(jié)果

(2)楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊對根部未焊透缺陷進行檢測，得到的圖像如圖6所示。檢測時采用一次波，圖6(a)的聲束角度為73.5°，波高達到滿屏高度的80%時增益為40 dB，深度為6.9 mm。圖6(b)的聲束角度為71°，深度為7.9 mm，增益為40 dB時波高為滿屏高度的62.4%。

2.1.3.3 檢測結(jié)果分析

(1) 采用DR射線技術(shù)檢測出了根部未焊透缺陷(見圖3)，證明該缺陷是真實存在的。

(2) 未焊透缺陷圖像在主視圖中顯示為位于焊縫根部的中間(見圖4)，符合根部未焊透缺陷實際產(chǎn)生的位置。

(3) 未焊透缺陷在主視圖中顯示為偏離焊縫根部中間的位置(見圖5)，且偏向一側(cè)，接近根部焊趾線位置，不符合根部未焊透缺陷實際產(chǎn)生的位置。說明楔塊磨損使得楔塊幾何尺寸發(fā)生了變化，進而造成楔塊角度的改變，同時也使扇形掃描角度范圍發(fā)生了改變，而相控陣超聲設(shè)備還是按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進行計算的，從而導(dǎo)致缺陷圖像位置發(fā)生變化，進而引起嚴重誤評。

(4) 圖6中顯示的未焊透缺陷在接近焊縫根部中間的位置，符合根部未焊透缺陷實際產(chǎn)生的位置。圖7中的根部未焊透缺陷顯示的位置明顯優(yōu)于圖5中缺陷顯示的位置。說明楔塊磨損后參數(shù)經(jīng)過修正，并重新輸入至相控陣超聲設(shè)備探頭參數(shù)中，相控陣設(shè)備按照重新輸入的參數(shù)計算，最終使檢測結(jié)果得以正確顯示。

(5) 從圖4～6中的根部未焊透缺陷定量參數(shù)(見表1)看，楔塊磨損不僅會造成缺陷圖像位置的變化，同時也會造成靈敏度的變化。由表1可見，圖5的聲束角度與圖4的角度相差為1°，兩圖的靈敏度相差為3.5 dB；圖6的聲束角度與圖4的角度相差4°，兩圖的靈敏度相差為2.5 dB。說明楔塊角度發(fā)生變化，聲束偏轉(zhuǎn)角度也會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致缺陷定位和定量出現(xiàn)偏差。由此可得，楔塊磨損后，如不進行參數(shù)修正，檢測結(jié)果會出現(xiàn)誤評，無法保證檢測質(zhì)量。

表1 根部未焊透缺陷的定量參數(shù)

圖7 坡口未熔合缺陷的設(shè)計尺寸

2.2 坡口未熔合缺陷

2.2.1 坡口未熔合缺陷的設(shè)計參數(shù)

坡口未熔合缺陷的設(shè)計尺寸如圖7所示，其長度為(13±5) mm，深度為(2.5±1) mm，自身高度為(2±0.5) mm。

2.2.2 坡口未熔合缺陷射線檢測結(jié)果

射線(DR)檢測得到的坡口未熔合缺陷長度為10.24 mm，如圖3所示。

2.2.3 坡口未熔合缺陷的相控陣檢測結(jié)果

2.2.3.1 采用完好(未經(jīng)磨損)楔塊的檢測結(jié)果

采用完好未經(jīng)過磨損的楔塊檢測坡口未熔合缺陷，得到的圖像如圖8所示。檢測時采用二次波，聲束角度為55°，波高達到滿屏高度的80%時增益為30 dB，深度為2.9 mm。

圖8 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測坡口未熔合缺陷的結(jié)果

2.2.3.2 采用磨損楔塊的檢測結(jié)果

(1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測坡口未熔合缺陷，得到的圖像如圖9所示。檢測時采用二次波，聲束角度為51°，波高達到滿屏高度80%時的增益為25 dB，深度為2.4 mm。

圖9 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測坡口 未熔合缺陷的結(jié)果

(2) 楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測坡口未熔合缺陷，得到的圖像如圖10所示。檢測時采用二次波，聲束角度為55.5°，達到滿屏高度80%時增益為34 dB，深度為2.8 mm。

圖10 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測坡口 未熔合缺陷的結(jié)果

2.2.3.3 檢測結(jié)果分析

(1) 采用DR射線技術(shù)檢測出了坡口未熔合缺陷(見圖3)，證明該缺陷是真實存在的。

(2) 坡口未熔合缺陷在主視圖中顯示為位于焊縫坡口面(見圖8)，符合坡口未熔合缺陷實際產(chǎn)生的位置。

(3) 坡口未熔合缺陷在主視圖中顯示為偏離焊縫輪廓(見圖9)，也就是不在焊縫里，與焊縫坡口存在一定距離，不符合坡口未熔合缺陷實際產(chǎn)生的位置。說明楔塊磨損造成了楔塊角度的變化，也造成了扇形角度范圍的變化。而相控陣超聲設(shè)備仍按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進行計算，最終導(dǎo)致了缺陷圖像位置的改變，因此不能判斷該圖像顯示是缺陷顯示還是偽缺陷顯示。

(4) 圖10中的圖像顯示，坡口未熔合缺陷位于焊縫坡口面外側(cè)，接近焊縫坡口面，也符合坡口未熔合缺陷實際產(chǎn)生的位置，此圖顯示的缺陷位置遠比圖9顯示的位置真實。這是由于楔塊磨損后參數(shù)得到了修正，且修正后的參數(shù)被重新輸入至相控陣超聲設(shè)備中，設(shè)備按照新輸入的參數(shù)進行計算，最終使檢測結(jié)果顯示在符合要求的位置。這也說明了楔塊在檢測過程中要定期修正的必要性。

(5) 從圖8～10中坡口未熔合缺陷的定量參數(shù)(見表2)來看，楔塊磨損不僅造成了缺陷圖像位置的變化，同時也造成了靈敏度的變化。圖9的聲束角度與圖8的角度相差4°，靈敏度相差為5 dB；圖10的聲束角度與圖8的相差0.5°,靈敏度相差為4 dB。說明楔塊角度發(fā)生變化后，聲束偏轉(zhuǎn)角度也發(fā)生了變化，最終導(dǎo)致了缺陷定位和靈敏度的變化。這也說明楔塊磨損后，如不及時進行參數(shù)修正或更換，檢測結(jié)果會出現(xiàn)漏檢或誤評現(xiàn)象。

表2 坡口未熔合缺陷的定量參數(shù)

2.3 氣孔缺陷

2.3.1 氣孔缺陷的設(shè)計參數(shù)

氣孔缺陷的設(shè)計尺寸如圖11所示，其直徑為(3±0.5) mm，深度為(3.5±1) mm。

圖11 氣孔缺陷的設(shè)計尺寸

2.3.2 氣孔缺陷的射線檢測結(jié)果

射線(DR)檢測出的氣孔缺陷尺寸為φ2.45 mm，檢測結(jié)果如圖12所示。

圖12 氣孔缺陷的射線檢測底片

2.3.3 氣孔缺陷的相控陣檢測結(jié)果

2.3.3.1 采用完好未經(jīng)磨損的楔塊檢測結(jié)果

采用完好未經(jīng)過磨損的楔塊檢測氣孔缺陷，得到如圖13所示的圖像。檢測時采用二次波，聲束角度為61.5°，波高達到滿屏高度80%時增益為59.5 dB，深度為3.9 mm。

圖13 采用完好未經(jīng)磨損楔塊檢測氣孔缺陷的結(jié)果

2.3.3.2 采用磨損楔塊的檢測結(jié)果

(1) 楔塊磨損后未經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測氣孔缺陷,得到如圖14所示的圖像。檢測時采用二次波，聲束角度為56°，波高達到滿屏高度80%時增益為62.5 dB，深度為2.6 mm。

圖14 采用磨損且未經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測 氣孔缺陷的結(jié)果

(2) 楔塊磨損后經(jīng)過參數(shù)修正

采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測氣孔缺陷,得到如圖15所示的圖像。檢測時采用二次波，聲束角度為63.5°，波高達到滿屏高度80%時增益為60.5 dB，深度為4.4 mm。

圖15 采用磨損且經(jīng)過參數(shù)修正的楔塊檢測 氣孔缺陷的結(jié)果

2.3.3.3 檢測結(jié)果分析

(1) 采用射線技術(shù)檢測出了氣孔缺陷(見圖12)，證明該缺陷是真實存在的。

(2) 氣孔缺陷在圖13的主視圖中顯示為位于焊縫中部，且處在焊縫輪廓中心線位置。

(3) 圖14的主視圖顯示，氣孔缺陷偏離焊縫輪廓中心線，且處于焊縫中上部位置。說明楔塊磨損造成了楔塊角度的變化，也造成了扇形角度范圍的變化，而相控陣超聲設(shè)備仍按照完好未經(jīng)磨損的楔塊角度等原始幾何參數(shù)進行計算，最終導(dǎo)致缺陷圖像位置的變化。

(4) 圖15中顯示，氣孔缺陷位于焊縫輪廓中心線位置，且處于焊縫中下部。圖15顯示的缺陷位置明顯優(yōu)于圖14顯示的缺陷位置，與圖13中顯示的缺

陷位置相當(dāng)。這說明楔塊磨損后修正的楔塊參數(shù)重新輸入至相控陣超聲設(shè)備中，設(shè)備按照新輸入的參數(shù)進行計算后，得到的結(jié)果顯示符合實際要求的位置。

(5) 從圖13～15中氣孔缺陷的定量參數(shù)(見表3)來看，楔塊磨損不僅造成了缺陷圖像位置的變化，同時也造成了靈敏度的變化。圖14的聲束角度與圖13的角度相差5.5°，靈敏度相差3 dB；圖15的聲束角度與圖13的聲束角度相差2°，靈敏度相差1 dB。說明楔塊角度變化后，聲束偏轉(zhuǎn)角度也發(fā)生了變化，最終導(dǎo)致缺陷定位和定量出現(xiàn)偏差。

表3 氣孔缺陷的定量參數(shù)

2.4 結(jié)論

楔塊參數(shù)未經(jīng)修正的檢測結(jié)果與原始楔塊參數(shù)的檢測結(jié)果相比較，在最佳角度聲束波高達到滿屏高度的80%時，聲束角度相差最大值為5.5°，靈敏度相差最大值為5 dB。楔塊參數(shù)修正后的檢測結(jié)果與原始楔塊參數(shù)的檢測結(jié)果相比較，在最佳角度聲束波高達到滿屏高度80%時，聲束角度相差最大值為4°，靈敏度相差最大值為4 dB。由此可斷定必須更換該相控陣探頭楔塊，否則會嚴重影響檢測結(jié)果的準確性。

現(xiàn)場大量檢測數(shù)據(jù)的積累及實際經(jīng)驗表明，相控陣探頭楔塊磨損后，需對楔塊角度進行評價：當(dāng)實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差范圍在-2°～+2°之間時[1]，不必更換楔塊，也不需要重新修正楔塊幾何參數(shù)；當(dāng)實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應(yīng)更換楔塊，或?qū)π▔K進行修磨再重新輸入探頭幾何參數(shù)。

3 結(jié)語

相控陣超聲檢測過程中探頭楔塊磨損經(jīng)常發(fā)生，該磨損超出一定的范圍后，會使楔塊角度發(fā)生變化，進而使扇形掃描角度范圍發(fā)生變化，從而導(dǎo)致缺陷圖像的顯示位置和波幅發(fā)生變化，最終導(dǎo)致檢測結(jié)果的不準確。因此，必須定期監(jiān)測楔塊的磨損狀態(tài)，在楔塊角度偏差允許的范圍內(nèi),檢測結(jié)果可以接受，否則會出現(xiàn)漏檢或誤評現(xiàn)象。只有這樣，才能既科學(xué)、經(jīng)濟地控制檢測成本，又能保證檢測結(jié)果的可靠性，同時保證工程或產(chǎn)品的質(zhì)量。