相控陣技術(shù)在插入式管座角焊縫檢測(cè)中各類(lèi)缺陷的識(shí)別探究

張義磊*

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

插入式管座角焊縫是承壓類(lèi)設(shè)備中不可避免的結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法（如超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)），經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢及誤判等情況。即使發(fā)現(xiàn)了缺陷信號(hào)或影像，也難以對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。相控陣技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展比較迅猛的無(wú)損檢測(cè)方法，該技術(shù)具有可靈活地實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)功能，分辨力高，可超聲成像等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)插入式管座角焊縫采用超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，針對(duì)不同性質(zhì)的缺陷采取不同的處置方法，具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 插入式管座角焊縫的特點(diǎn)

插入式管座角焊縫在承壓類(lèi)設(shè)備中較為常見(jiàn)。作為承壓構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)存在一些不足，如其坡口形狀、結(jié)構(gòu)均比一般的焊接接頭更為復(fù)雜，施焊條件難以準(zhǔn)確控制，管座的壁厚一般都與管道的壁厚相差較大等。因此管座角焊縫內(nèi)部容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等缺陷。設(shè)備投用后，在腐蝕介質(zhì)和復(fù)雜應(yīng)力的共同作用下，焊縫易被破壞，給設(shè)備的運(yùn)行安全帶來(lái)隱患。采用常規(guī)的超聲波檢測(cè)方法對(duì)管座角焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于壁厚和曲率的影響，其檢測(cè)可靠性難以保證；采用射線檢測(cè)時(shí)，由于其透照厚度差較大，布片困難，難以保證檢測(cè)靈敏度。

2 相控陣檢測(cè)方法介紹

超聲相控陣技術(shù)通過(guò)控制各個(gè)探頭的激勵(lì)時(shí)間來(lái)控制聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的多維顯示，便于讀取缺陷的位置信息并輔助判斷缺陷的種類(lèi)，最重要的是，能夠通過(guò)控制偏轉(zhuǎn)角度和聚焦位置來(lái)掃查常規(guī)超聲波檢測(cè)無(wú)法掃查到的部位。近年來(lái)，超聲相控陣技術(shù)在插入式接管角焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用也不斷被研究和改進(jìn)，其對(duì)于該類(lèi)結(jié)構(gòu)的適用性良好，具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2.1 相控陣的技術(shù)特點(diǎn)

超聲相控陣技術(shù)采用多陣元超聲探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收功能，利用便捷的聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)特性，可精準(zhǔn)地使聲束對(duì)準(zhǔn)回波信號(hào)最大的缺陷面，快速獲得缺陷信號(hào)。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在： （1）掃查范圍大，可提高檢測(cè)速度；（2）不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃查形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，成為解決可達(dá)性差和空間限制問(wèn)題的有效手段；（3）通常不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需要更換探頭就可以對(duì)被檢區(qū)域進(jìn)行多角度方向掃查；（4）優(yōu)化控制焦距長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性；（5）一般具有 A/B/C/D 顯示方式，回波信號(hào)圖像化，也可顯示不同截面的圖像，便于對(duì)缺陷進(jìn)行定位直至定量。

2.2 運(yùn)用于管座角焊縫檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

相控陣技術(shù)運(yùn)用在插入式管座角焊縫的檢測(cè)中，主要是因?yàn)槠洳捎昧艘韵玛P(guān)鍵技術(shù)。

（1）高密度、寬帶陣列式探頭

陣列探頭的各陣元排列越緊密，陣元尺寸越小，就越可以將其看成理想的點(diǎn)源（或線源），獲得理想的聚焦、偏轉(zhuǎn)等效果，而且波束旁瓣低，便于獲得較高的對(duì)比分辨力。陣列探頭的帶寬越高，成像空間分辨力就越高。相控陣探頭的質(zhì)量很大程度上決定了成像的效果。

（2）高精度、多角度發(fā)射聚焦技術(shù)

由于超聲波在金屬物質(zhì)中的傳播速度很快，探頭各陣元在各深度的延時(shí)差很小，所以其聚焦延時(shí)精度很高，一般小于5 ns。而且角度不同時(shí)發(fā)射延時(shí)是不同的，聚焦控制十分復(fù)雜，其采用了優(yōu)化后的FPGA技術(shù)。

（3）高性能數(shù)字波束形成技術(shù)

由于延時(shí)精度的要求高，接收時(shí)必須采用高速AD 轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)流量會(huì)大幅增加，從而增加了接收通道的處理負(fù)擔(dān)。因此要求數(shù)字波束形成器工作在更高速的狀態(tài)，同時(shí)要考慮提高細(xì)延時(shí)的精度。對(duì)于發(fā)射而言，只有一個(gè)發(fā)射焦點(diǎn)；而對(duì)于接收而言，處處是焦點(diǎn)，聚焦延時(shí)處理相比較發(fā)射而言更為復(fù)雜，即所謂的動(dòng)態(tài)聚焦，同時(shí)為了抑制旁瓣、提高分辨力，需要考慮變孔徑、變跡等優(yōu)化方法。

（4）超聲成像

相控陣超聲成像技術(shù)涉及坐標(biāo)變換及 A/B/C/D 多種顯示模式，其技術(shù)難度很高。基于以上技術(shù)特點(diǎn)，利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能夠最大程度地降低上述因素帶來(lái)的影響。

3 模擬缺陷的制作

為了驗(yàn)證相控陣技術(shù)在插入式管座角焊縫的檢測(cè)中的有效性，制作了人工模擬缺陷的樣品，設(shè)置的人工模擬缺陷具有夾渣、未熔合、裂紋等。

4 相控陣技術(shù)的缺陷識(shí)別

本次實(shí)驗(yàn)采用M2M 公司生產(chǎn)的 Multiplexer 32×128P 相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，配備相應(yīng)的線列陣探頭及其楔塊，對(duì)上述人工模擬缺陷的樣品進(jìn)行檢測(cè)，得出以下檢測(cè)結(jié)果。

4.1 1號(hào)缺陷檢測(cè)結(jié)果

1 號(hào)缺陷起始點(diǎn) S（r）=77.64 mm,長(zhǎng)度 S（m-r）=28.88 mm,上端點(diǎn)（深度）D（r）=28.61 mm，自身高度 U（m-r）=9.24 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫內(nèi)部，判斷其為內(nèi)部夾渣類(lèi)缺陷，可見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)缺陷信號(hào)顯示

4.2 2號(hào)缺陷檢測(cè)結(jié)果

2 號(hào)缺陷起始點(diǎn) S（r）=239.02 mm,長(zhǎng)度 S（m-r）=47.56 mm,上端點(diǎn)（深度）D（r）=37.33 mm 自身高度 U（m-r）=8.09 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫坡口位置，判斷其為側(cè)壁未融合類(lèi)缺陷，可見(jiàn)圖2。

圖2 2號(hào)缺陷信號(hào)顯示

4.3 3號(hào)缺陷檢測(cè)結(jié)果

3 號(hào)缺陷起始點(diǎn) S（r）=425.88 mm，長(zhǎng)度 S（m-r）=39.07 mm，上端點(diǎn)（深度）D（r）=38.04 mm 自身高度 U（m-r）=11.82 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫坡口位置，判斷其為側(cè)壁未融合類(lèi)缺陷，缺陷信號(hào)可見(jiàn)圖3。

圖3 3號(hào)缺陷信號(hào)顯示

4.4 4號(hào)缺陷檢測(cè)結(jié)果如下

4 號(hào)缺陷起始點(diǎn)S（r）=622.93 mm，長(zhǎng)度 S（m-r）=22.08 mm，上端點(diǎn)（深度）D（r）=62.78 mm， 自身高度 U（m-r）=7.43 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫根部位置，判斷為根部裂紋類(lèi)缺陷，可見(jiàn)圖4。

圖4 4號(hào)缺陷信號(hào)顯示

4.5 檢測(cè)缺陷匯總和試樣

檢測(cè)缺陷匯總情況如表1 所示。

表1 檢測(cè)缺陷匯總

通過(guò)機(jī)械加工的方法對(duì)試驗(yàn)用試樣進(jìn)行解剖，解剖結(jié)果表明檢測(cè)結(jié)果和缺陷的位置相符，詳見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 夾渣 （對(duì)應(yīng)1號(hào)缺陷）

圖7 插管側(cè)壁未融合（對(duì)應(yīng)2號(hào)缺陷）

圖8 主管側(cè)壁未融合（對(duì)應(yīng)3號(hào)缺陷

圖9 根部裂紋（對(duì)應(yīng)4號(hào)缺陷）

5 結(jié)論

使用超聲相控陣技術(shù)，可以直觀地檢測(cè)出插入式管座角焊縫中的各種類(lèi)型缺陷，且由于具有 A，B，C，S 等多種試圖方式，可以直觀地判斷缺陷的位置及類(lèi)型，相比于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，其得到的觀察波形方式更加直觀準(zhǔn)確，是插入式管座角焊縫檢測(cè)的理想檢測(cè)手段。