不銹鋼管環(huán)焊縫的相控陣超聲爬波檢測(cè)

(中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司，北京 100006)

近年來(lái),船舶及海洋工程行業(yè)得到了大力發(fā)展，原有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足產(chǎn)品質(zhì)量以及建造效率的要求，與此同時(shí),國(guó)內(nèi)外先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南的不斷健全，有力地推動(dòng)了先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在船舶及海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用。例如：使用相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)檢測(cè)海洋工程平臺(tái)上的碳鋼小徑管對(duì)接焊縫；使用相控陣超聲與衍射時(shí)差法聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)大型船舶中厚板對(duì)接焊縫；使用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)船舶尾軸管母材等。

1 不銹鋼管環(huán)焊縫的檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1 射線檢測(cè)

因?yàn)樯渚€檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)結(jié)果顯示直觀、檢測(cè)結(jié)果可以永久保存等特點(diǎn)，一直以來(lái)都是行業(yè)內(nèi)最為重要的檢測(cè)方法之一，在現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)應(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可。但檢測(cè)過(guò)程中，在透照方向確定的情況下，其對(duì)于部分走向的面狀缺陷不敏感，容易出現(xiàn)坡口未熔合等缺陷漏檢的情況。此外，因?yàn)樯渚€檢測(cè)技術(shù)本身具有輻射性，在射線檢測(cè)時(shí)其他工種無(wú)法進(jìn)行交叉作業(yè)，應(yīng)用時(shí)不僅存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，而且降低了整體建造的效率，特別是不銹鋼材料的透照時(shí)間要求更長(zhǎng)，所以現(xiàn)場(chǎng)使用該技術(shù)會(huì)嚴(yán)重影響船廠的建造周期。

1.2 超聲檢測(cè)

由于大多數(shù)不銹鋼材料焊縫區(qū)域的晶粒都較為粗大，常規(guī)超聲橫波檢測(cè)時(shí)，波束在焊縫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生偏折且伴隨能量的衰減，易導(dǎo)致缺陷的漏判和誤判。即使使用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的低頻縱波以及一發(fā)一收模式，由于常規(guī)探頭無(wú)法改變波束的形態(tài)，對(duì)不同材料、管徑、壁厚的工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也很難得到理想的檢測(cè)參數(shù)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)信噪比也并不理想、數(shù)據(jù)分析難度較大；而且縱波檢測(cè)技術(shù)無(wú)法使用二次波，對(duì)于管體環(huán)焊縫來(lái)說(shuō)，存在表面盲區(qū)。此外，由于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)無(wú)法記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，所以檢測(cè)結(jié)果無(wú)法得到有效驗(yàn)證，被認(rèn)可程度較差[1-3]。在國(guó)內(nèi)一些海洋工程平臺(tái)的在役檢測(cè)項(xiàng)目中，有使用PAUT技術(shù)檢測(cè)不銹鋼管環(huán)焊縫的案例，但由于該工藝需要打磨掉焊縫的蓋面，檢測(cè)結(jié)果受打磨面平整程度的影響較大[4]。

1.3 爬波檢測(cè)

爬波具有與縱波相近的特性，對(duì)表面粗糙度不敏感，特別適合檢測(cè)像奧氏體不銹鋼類粗晶材料的表面及近表面缺陷。但常規(guī)爬波探頭的角度單一，無(wú)法適用于不同材料的檢測(cè)對(duì)象，想要改變其中的一些關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，只能購(gòu)買訂制的探頭，使用成本很高；加之常規(guī)爬波檢測(cè)與常規(guī)超聲檢測(cè)存在不能保存數(shù)據(jù)、受人為因素影響大等缺點(diǎn)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)受到了制約。

2 爬波檢測(cè)原理及光彈試驗(yàn)分析

2.1 爬波檢測(cè)原理

根據(jù)超聲波的傳播特性,當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的界面時(shí),會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，傾斜入射時(shí)，會(huì)伴隨波型的轉(zhuǎn)變。如果入射波速和折射波速滿足c1L

圖1 爬波探頭的聲場(chǎng)示意

2.2 光彈試驗(yàn)分析

光彈法可以實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)的可視化，是一種研究固體中超聲波動(dòng)現(xiàn)象的重要方法，其物理基礎(chǔ)是暫時(shí)雙折射現(xiàn)象。

為了更好地了解爬波的檢測(cè)原理，基于自行研制的光彈試驗(yàn)平臺(tái)及K9光學(xué)玻璃試塊，設(shè)計(jì)加工了折射角為90°的楔塊，將換能器涂抹耦合劑后固定在楔塊的斜面上，分別放置在試樣沒(méi)有缺陷一側(cè)和有一個(gè)深為5 mm，寬為0.5 mm的刻槽缺陷一側(cè)，使用CCD相機(jī)記錄波束的傳播過(guò)程(見(jiàn)圖2)。

圖2 無(wú)缺陷和有缺陷側(cè)的爬波波束傳播記錄截圖

通過(guò)光彈試驗(yàn)，將縱波入射角為90°時(shí)的聲場(chǎng)直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，觀察到的爬波是由縱波在沿表面?zhèn)鞑r(shí)受到的介質(zhì)邊緣效應(yīng)影響而產(chǎn)生的，因此在爬波的傳播過(guò)程中，會(huì)看到衍生出的頭波信號(hào)，驗(yàn)證了爬波的理論。通過(guò)對(duì)表面刻槽試塊的仿真試驗(yàn)，可以觀察到爬波信號(hào)遇到刻槽缺陷后波束的傳播過(guò)程。從中不難發(fā)現(xiàn)爬波的大部分波束經(jīng)刻槽截面反射后沿原路徑返回，但仍有少部分波束繼續(xù)沿表面?zhèn)鞑ァ?/p>

3 檢測(cè)試驗(yàn)

通過(guò)上述理論研究與光彈試驗(yàn)分析，指明了使用相控陣超聲激發(fā)爬波檢測(cè)不銹鋼管環(huán)焊縫表面及近表面缺陷的研究方向。為了證明該方案的可行性，設(shè)計(jì)并加工了3種不同材料的不銹鋼管環(huán)焊縫試塊，并選取了2種典型的雙晶相控陣探頭進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

3.1 試塊參數(shù)

選取行業(yè)內(nèi)使用較為廣泛的雙向不銹鋼2205，不銹鋼304和不銹鋼316作為試塊材料，管子外徑均為203.2 mm，壁厚均為14 mm，坡口形式為單V型，分別在焊縫邊緣及中心線位置加工刻槽反射體(見(jiàn)圖3)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

主機(jī)選用OLYMPUS生產(chǎn)的便攜式主機(jī)OMNISCAN 32/128PR，相控陣探頭選用的是兩款具有代表性的雙晶相控陣探頭，型號(hào)分別為2.25M7×4-A17和4M16×2-A27，配套的楔塊型號(hào)為SA17-DN55L0-IHC-AOD8.625和SA27-DNCR-IHC-AOD8.625，適用于試塊管徑。探頭及楔塊的主要參數(shù)如表1所示。

圖3 試塊實(shí)物照片

3.3 試驗(yàn)參數(shù)

使用儀器專用的設(shè)置軟件SetupBuilder分別對(duì)兩個(gè)探頭進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。兩組設(shè)置參數(shù)除了選擇對(duì)應(yīng)的探頭和楔塊型號(hào)以外，其他參數(shù)如掃描方式、角度范圍、角度步進(jìn)、聚焦方式、聚焦深度等參數(shù)的設(shè)置均一致。

在專用軟件上完成設(shè)置后，將兩組設(shè)置分別導(dǎo)入到主機(jī)存儲(chǔ)卡中，分別連接探頭并調(diào)用設(shè)置文件后，在主機(jī)上設(shè)置相同的靈敏度，再在試塊上進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

分別使用兩組探頭及相應(yīng)設(shè)置在不同材料的3個(gè)試塊上進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)果：型號(hào)為2.25M7×4-A17的探頭能夠發(fā)現(xiàn)3個(gè)試塊邊緣處的刻槽缺陷，但信噪比較差，無(wú)法發(fā)現(xiàn)中心刻槽缺陷；而型號(hào)為4M16×2-A27的探頭能夠有效發(fā)現(xiàn)3個(gè)試管焊縫邊緣及中心處的刻槽缺陷。試驗(yàn)中使用原始靈敏度時(shí)，型號(hào)為2.25M7×4-A17的探頭由于信噪比較差已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此降低了10 dB進(jìn)行數(shù)據(jù)保存分析。兩組探頭對(duì)3個(gè)不同試塊的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.5 結(jié)果分析

眾所周知，相控陣超聲波束擴(kuò)散(-6 dB)滿足sin(t/2) = 0.44c/fD(t為波束擴(kuò)散角，c為材料聲速，f為探頭頻率，D為晶片尺寸)，相控陣超聲波束由于受到每個(gè)單獨(dú)晶片擴(kuò)散的影響，單個(gè)晶片的偏轉(zhuǎn)能力就決定了波束形成的偏轉(zhuǎn)能力。超聲波束擴(kuò)散示意如圖4所示，如果要形成到達(dá)A點(diǎn)的波束，所有晶片激發(fā)的波束都能在A點(diǎn)處進(jìn)行干涉；但如果要形成到達(dá)B點(diǎn)的波束，最右邊的晶片受到自身擴(kuò)散角范圍的影響，波束無(wú)法在B點(diǎn)與其他晶片波束形成干涉，所以會(huì)影響B(tài)點(diǎn)波束的檢測(cè)效果。

基于波束的擴(kuò)散公式，對(duì)比試驗(yàn)中使用的兩種探頭參數(shù)如圖5所示，綜合頻率和晶片直徑兩個(gè)因素，可以發(fā)現(xiàn)探頭4M16×2-A27在主軸方向的偏轉(zhuǎn)能力更強(qiáng)，從試驗(yàn)結(jié)果中驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

此外，對(duì)于雙晶探頭來(lái)說(shuō)，波束在次軸方向必須有一定的偏轉(zhuǎn)角度(屋頂角)，從而實(shí)現(xiàn)波束的一發(fā)一收。因探頭2.25M7×4-A17在次軸方向有4個(gè)晶片，所以該探頭對(duì)應(yīng)的楔塊并未涉及屋頂角，但從圖5中的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，次軸的晶片尺寸為3 mm，顯然其偏轉(zhuǎn)能力受限；而對(duì)于探頭4M16×2-A2，因其在次軸方向只有2個(gè)晶片，沒(méi)有足夠的晶片進(jìn)行延遲干涉疊加，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)的能力，所以配套的楔塊有機(jī)械加工的屋頂角，試驗(yàn)使用的楔塊屋頂角為7.8°。兩種楔塊的外觀和結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表2 兩組探頭對(duì)3個(gè)不同試塊的試驗(yàn)結(jié)果

圖5 對(duì)比試驗(yàn)中兩種探頭的參數(shù)

從上面的分析內(nèi)容不難看出，在使用相控陣超聲激發(fā)爬波時(shí)，需要較大的波束偏轉(zhuǎn)角度，雖然楔塊的物理角度能夠有效地?cái)U(kuò)展偏轉(zhuǎn)范圍，但晶片尺寸決定了波束的有效偏轉(zhuǎn)能力；并且對(duì)于一發(fā)一收探頭，在沒(méi)有機(jī)械加工屋頂角的情況下，因爬波檢測(cè)需要能量集中在近表面的位置，所以晶片在次軸方向上的尺寸同樣會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。

圖6 兩種楔塊的外觀和結(jié)構(gòu)

從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，考慮到檢測(cè)技術(shù)普及應(yīng)用時(shí)的成本問(wèn)題，由于目前市面上主流的相控陣儀器多為32/128或64/64等，其支持的一發(fā)一收模式的有效晶片數(shù)量為32個(gè)，設(shè)備廠家在設(shè)計(jì)探頭時(shí)考慮到了這一問(wèn)題，在有限的激活晶片上限的情況下，為了保證兩個(gè)方向波束的偏轉(zhuǎn)能力，只能減少主軸方向的晶片數(shù)量，但同時(shí)為了保證其有效的激活孔徑尺寸，只能增大其單個(gè)晶片的尺寸，因此就有了2.25M7×4-A17類型的探頭。

4 結(jié)語(yǔ)

采用相控陣超聲技術(shù)激發(fā)爬波對(duì)不銹鋼環(huán)焊縫檢測(cè)的可能性進(jìn)行了研究分析。使用光彈試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)了爬波檢測(cè)的聲場(chǎng)可視化，驗(yàn)證了研究方向；利用相控陣超聲技術(shù)特點(diǎn)改變了傳統(tǒng)爬波檢測(cè)波束參數(shù)固定的問(wèn)題，利用相控陣多角度的扇形掃描技術(shù)優(yōu)化了爬波檢測(cè)角度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了爬波檢測(cè)的可視化和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；采用兩種典型探頭對(duì)多種材料的試塊進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果證明相控陣超聲爬波檢測(cè)不銹鋼環(huán)焊縫可能性的同時(shí)，分析得出了此項(xiàng)應(yīng)用中相控陣探頭參數(shù)選擇的側(cè)重點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了爬波檢測(cè)。