超聲相控陣與TOFD檢測(cè)技術(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

呂 磊，涂安琪，張艷飛，劉 俊

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）在制造過程中，如果焊接工藝不當(dāng)導(dǎo)致GIS設(shè)備殼體產(chǎn)生焊縫缺陷，將對(duì)GIS設(shè)備的安全運(yùn)行造成隱患。超聲相控陣（以下簡稱相控陣）及TOFD檢測(cè)技術(shù)憑借其直觀的檢測(cè)結(jié)果、對(duì)缺陷定位定量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備等承壓部件對(duì)接焊縫檢測(cè)中，其檢測(cè)結(jié)果具有可記錄性，可據(jù)此進(jìn)行溯源[1-3]。本文通過相控陣、TOFD和常規(guī)A型脈沖超聲波（以下簡稱A型脈沖）檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同缺陷的模擬試塊進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證TOFD及相控陣檢測(cè)技術(shù)在承壓部件對(duì)接焊縫檢測(cè)中的準(zhǔn)確性。

1 檢測(cè)過程及結(jié)果對(duì)比

1.1 檢測(cè)儀器與試塊

相控陣檢測(cè)采用Phascan便攜式相控陣超聲檢測(cè)儀，探頭型號(hào)為5L32-0.5-10-D2，楔塊型號(hào)為SD2-N55S-IHC，采用MOS-01鼠標(biāo)式單探頭焊縫掃查器，聚焦深度為30 mm，掃查角度40°~70°。TOFD檢測(cè)儀型號(hào)與相控陣檢測(cè)儀相同，探頭型號(hào)為TF5C6L，楔塊型號(hào)為A60-6N-IHC，PCS為46.18 mm。A型脈沖檢測(cè)儀型號(hào)為USM35X，探頭型號(hào)為5Z10×10K2.5探頭，實(shí)測(cè)探頭折射角為68.8°。

模擬試塊共3件，分別編號(hào)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，尺寸為200 mm×150 mm×20 mm（長×寬×高），內(nèi)部缺陷分別設(shè)置坡口未熔合、裂紋、夾渣。以下分別利用相控陣、TOFD、A型脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)試塊進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 坡口未熔合缺陷檢測(cè)

1號(hào)試塊內(nèi)部預(yù)埋坡口未熔合缺陷，缺陷位于焊縫熔合線處，長度為18 mm，深度為8 mm，自身高度為5 mm。試塊X射線底片見圖1，相控陣檢測(cè)圖譜見圖2，TOFD檢測(cè)圖譜見圖3。圖1中缺陷呈現(xiàn)連續(xù)平直的黑線，線的輪廓整齊且黑度大，黑線位于中心至焊縫邊緣之間，沿焊縫縱向延伸，具有坡口未熔合的形貌特征。A型脈沖檢測(cè)缺陷波形中反射波波峰十分尖銳，波峰寬度很窄，波高超過Ⅲ區(qū)，為RL+14 dB，缺陷位于偏離焊縫中心3 mm，在另一側(cè)檢測(cè)時(shí)也能發(fā)現(xiàn)缺陷波，但缺陷波波高很低，具有坡口未熔合缺陷波特征。圖2的相控陣圖譜主要由上部S掃圖、右側(cè)A掃圖及底部C掃圖構(gòu)成，S掃圖中缺陷沿著坡口縱向分布，A掃圖中缺陷反射波十分尖銳且波高達(dá)到Ⅲ區(qū)，C掃圖中紅色區(qū)域?yàn)槿毕菅睾缚p縱向長度，從缺陷位置及A掃圖綜合分析可推斷，缺陷為靠近探頭側(cè)坡口未熔合。觀察圖3可知，TOFD缺陷圖譜由A掃圖及B掃圖組成，B掃圖中可以清晰看到缺陷上端點(diǎn)衍射波及缺陷下端點(diǎn)衍射波，缺陷衍射波平直，兩端點(diǎn)呈現(xiàn)月牙狀。對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長、測(cè)深、測(cè)高，結(jié)果見表1。

表1 1號(hào)試塊坡口未熔合缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖1 1號(hào)試塊射線底片

圖2 1號(hào)試塊相控陣檢測(cè)缺陷波形

圖3 1號(hào)試塊TOFD檢測(cè)缺陷波形

1.3 裂紋缺陷檢測(cè)

2號(hào)試塊內(nèi)部預(yù)埋裂紋缺陷，缺陷位于焊縫中心處，長22 mm，深7 mm，自身高度6 mm。試塊X射線底片見圖4，相控陣檢測(cè)圖譜見圖5，TOFD檢測(cè)圖譜見圖6。圖4中在焊縫中心處呈現(xiàn)黑線，輪廓清晰，黑線上有微小鋸齒，線的粗細(xì)和黑度有變化，線的尖端較細(xì)，端頭有絲狀陰影延伸，具有裂紋的形貌特征。A型脈沖檢測(cè)缺陷波形中反射波波峰較尖銳，波峰較窄，波高為Ⅲ區(qū)，波高為RL，缺陷位于偏離焊縫中心0.3 mm，兩側(cè)均檢測(cè)出裂紋缺陷波。觀察圖5可知，裂紋缺陷位于焊縫中心，A掃圖顯示缺陷反射波較尖銳且波高達(dá)到Ⅲ區(qū)，從缺陷位置及A掃圖綜合分析可推斷，缺陷為焊縫中心裂紋。TOFD缺陷圖譜中裂紋缺陷上下端點(diǎn)不規(guī)則，信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)端部有許多小的端角。對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長、測(cè)深、測(cè)高，結(jié)果見表2。

圖4 2號(hào)試塊射線底片

圖6 2號(hào)試塊TOFD檢測(cè)缺陷波形

表2 2號(hào)試塊裂紋缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖5 2號(hào)試塊相控陣檢測(cè)缺陷波形

1.4 夾渣缺陷檢測(cè)

3號(hào)試塊內(nèi)部預(yù)埋夾渣缺陷，缺陷位于焊縫中心處，長20 mm，深10 mm，自身高度3 mm。試塊X射線底片見圖7，相控陣檢測(cè)圖譜見圖8，TOFD檢測(cè)圖譜見圖9。圖7中影像在焊縫中心處呈現(xiàn)方塊狀，輪廓清晰、不圓滑、不規(guī)則，顏色較暗，根據(jù)形貌判斷為夾渣。A型脈沖檢測(cè)缺陷波形中反射波波峰不很尖銳，波峰較寬，波高為Ⅲ區(qū)，波高為RL，缺陷位于焊縫中心，兩側(cè)均檢測(cè)出夾渣缺陷波。觀察圖8可知，夾渣缺陷位于焊縫中心，沿焊縫長度縱向分布。圖9的TOFD缺陷圖譜中條渣缺陷在長度方向有一段平直信號(hào)，時(shí)斷時(shí)續(xù)，頭尾呈現(xiàn)弧形，上下端點(diǎn)不規(guī)則，信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)端部有許多小的端角。對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長、測(cè)深、測(cè)高，結(jié)果見表3。

表3 3號(hào)試塊夾渣缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖7 3號(hào)試塊射線底片

圖8 3號(hào)試塊相控陣檢測(cè)缺陷波形

圖9 3號(hào)試塊TOFD檢測(cè)缺陷波形

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由以上分析可知，相控陣與TOFD檢測(cè)技術(shù)較常規(guī)A型脈沖檢測(cè)技術(shù)在缺陷測(cè)長、測(cè)高、測(cè)深方面更為精確。相控陣檢測(cè)技術(shù)與TOFD檢測(cè)技術(shù)均能夠有效檢測(cè)面積型缺陷（裂紋、未熔合）與體積型缺陷（氣孔、夾渣），檢測(cè)結(jié)果誤差見表4。A型脈沖檢測(cè)技術(shù)在缺陷深度定量及自身高度測(cè)量方面存在較大誤差，這首先是因?yàn)椴荒苡行z測(cè)缺陷上端點(diǎn)及下端點(diǎn)，從而導(dǎo)致測(cè)量缺陷自身高度有偏差；其次由于聲束角度單一，其波幅最高處應(yīng)為聲束與缺陷垂直處，該處深度一般不是缺陷上端點(diǎn)，因此深度測(cè)量有較大差異。相控陣探頭由一系列陣元組成，計(jì)算機(jī)可以控制各陣元激勵(lì)時(shí)間及先后順序，從而控制聲束角度，不移動(dòng)探頭就能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聲束覆蓋，找到角度合適的聲束垂直射到缺陷上下端點(diǎn)，從而有效檢測(cè)缺陷深度及自身高度。TOFD檢測(cè)技術(shù)是利用缺陷上端點(diǎn)及下端點(diǎn)衍射波對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量。衍射波與反射波相比波幅更低，一般為反射波的1/8，因此TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)于微小缺陷的定位定量更準(zhǔn)確，其缺陷測(cè)深及自身高度測(cè)量也比相控陣準(zhǔn)確。在測(cè)長方面，A型脈沖檢測(cè)技術(shù)使用-6 dB法，受人為影響較大，誤差偏大；相控陣檢測(cè)技術(shù)與TOFD檢測(cè)技術(shù)采用編碼器記錄探頭移動(dòng)距離，最終通過軟件分析得出缺陷長度，因此準(zhǔn)確率更高。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(cè)或TOFD檢測(cè)進(jìn)行局部檢測(cè)[4]。因此可采用常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)對(duì)接接頭進(jìn)行快速大范圍掃查，大致了解部件缺陷情況，然后采用TOFD或相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行精確測(cè)量[5-7]。

表4 相控陣和TOFD檢測(cè)誤差 %

3 結(jié)語

相控陣、TOFD、A型脈沖3種檢測(cè)方法對(duì)裂紋、未熔合、夾渣缺陷都能夠有效檢測(cè)。A型脈沖檢測(cè)技術(shù)由于聲束單一，對(duì)缺陷測(cè)深誤差較大，因此需要選擇合適探頭。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)空間限制較大的部件，推薦采多組角度探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)。TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷高度定量最準(zhǔn)確，且隨著厚度增加其精度越高，推薦在壁厚較大的部件中采用。相控陣檢測(cè)技術(shù)在不移動(dòng)探頭情況下實(shí)現(xiàn)多角度掃查，檢測(cè)結(jié)果更直觀，推薦在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)空間較好的中厚部件中采用。