相控陣超聲檢測曲面陣列與平面陣列的對比

陳積樂，魏玉偉，李琦恒，譚達(dá)真，梁圣釗

(1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，南寧 530029；2.中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣州 510145)

相控陣超聲檢測技術(shù)(PAUT)近年來得到了快速的發(fā)展，其主要優(yōu)勢在于能方便地控制聲束的偏轉(zhuǎn)和改變焦點位置，在特種設(shè)備、石油化工、核電、航空航天、船舶制造等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。與傳統(tǒng)超聲檢測相比,相控陣超聲檢測的掃描方式特殊,掃描速度快；相控陣換能器可以滿足多種應(yīng)用場景,靈活性好;可在減少不必要操作的情況下順利完成復(fù)雜區(qū)域的掃描;缺陷檢岀率和信噪比較高[1]。隨著PAUT技術(shù)的發(fā)展，其在管道環(huán)焊縫檢測上的應(yīng)用也越來越成熟，研究表明PAUT在管道環(huán)焊縫檢測中，95%的置信度下90%檢出率對應(yīng)的缺陷尺寸可達(dá)0.92 mm,具有較高的檢出可靠性，且定性準(zhǔn)確性較好[2]。PAUT在曲面工件檢測中，主要使用的換能器陣列有平面陣列與曲面陣列，平面陣列由于制造相對簡單，應(yīng)用范圍較廣，曲面陣列在曲面工件檢測中具有良好的耦合效果和自聚焦作用而被廣泛應(yīng)用于小徑管檢測中。相控陣換能器的晶片形式對曲面工件的檢測效果有重要影響。

相控陣超聲檢測技術(shù)是通過控制陣列換能器各陣元激勵脈沖信號的延遲時間，使陣元發(fā)射的聲波在空間產(chǎn)生干涉效應(yīng),進而形成具有偏轉(zhuǎn)和聚焦特性的合成聲束,實現(xiàn)空間內(nèi)某一點的聚焦[3]?？刂茡Q能器陣列發(fā)出的超聲信號相位(延時)的技術(shù)是相控陣檢測技術(shù)的核心。與脈沖回波技術(shù)相比，相控陣換能器中排列有多個壓電晶片，其按照一定規(guī)則排列稱為陣列。相控陣換能器陣列可以是一維陣列也可以是二維陣列，一維陣列是目前使用最多，技術(shù)最成熟的相控陣換能器陣列。在小徑管相控陣超聲檢測中，主要使用的是一維陣列換能器，一維陣列常用的陣列形式有平面線陣列和曲面自聚焦陣列(見圖1)。平面陣列與曲面陣列技術(shù)在小徑管檢測應(yīng)用中，缺陷成像效果存在很大不同，筆者分析了平面陣列與曲面陣列的成像機制，并進行了成像效果的對比試驗。

圖1 相控陣換能器晶片陣列形式示意

1 相控陣超聲平面陣列成像特點

相控陣一維平面陣列換能器由多個獨立的壓電晶片組成，壓電晶片按照線型排列組成一個陣列。平面陣列換能器各陣元按一定延遲發(fā)射聲波，通過平面楔塊斜入射進入管道，在金屬管道上產(chǎn)生橫波，通過控制各陣元發(fā)射聲波的相位差，在管道上形成聚焦，使得管道內(nèi)部各點具有較高的檢測靈敏度。

在剛性的理想條件下平面陣列換能器與小徑管接觸時相交成一條線，但實際接觸時兩者都會產(chǎn)生彈性形變，從而使得兩者的接觸為一個矩形面。在實際檢測中，換能器與工件之間還需要填充耦合劑，使得接觸面積加大。在相同能量的換能器中，換能器與工件的接觸面大小直接影響到進入工件中的聲束能量大小。平面陣列與管道工件的接觸面大小則因為管徑的不同和耦合劑的黏度不同而不同。平面陣列換能器與工件的矩形接觸面如圖2所示。

圖2 平面陣列換能器與工件的矩形接觸面示意

聲束只能通過接觸面進入工件內(nèi)部，由矩形波源輻射的縱波聲場分布可知，工件內(nèi)部某處的能量與接觸面的大小成正比。管徑越大，接觸面越大，工件內(nèi)部的聲束能量越大，當(dāng)工件的檢測面為平面時，進入到工件中的能量最大。

聲場中某處的聲壓為

(1)

式中：P0為初始聲壓；FS為波源面積；l為波長；r為聲場中某處到波源的距離。

在小徑管相控陣超聲檢測中，聲束能在晶片排列的方向上聚焦，使得工件內(nèi)部各個角度方向上的靈敏度得到提升。由于工件檢測面存在曲率，由聲束的折射特點可知晶片的長度方向上會產(chǎn)生一定的發(fā)散。由圖2可見，晶片長度方向上的聚焦能力較弱。

聲束進入工件中的能量大小會直接影響相控陣超聲檢測的靈敏度。通過分析不難得出平面陣列檢測曲面工件相對于檢測平面工件的靈敏度更低的結(jié)論，平面工件在相控陣超聲檢測時需要更大的增益，得到的缺陷的A掃圖像中波高較低，缺陷S掃圖像顏色淡，且C掃圖像中干擾較多。

2 相控陣超聲曲面陣列成像特點

曲面陣列檢測曲面工件時，耦合性得到了很大的提高。晶片的彎曲能使聲束匯聚，使得曲面陣列換能器在管子周向產(chǎn)生的超聲波束寬度較窄,接近于入射處的波束寬度從而減小了超聲波束在管子內(nèi)外壁的固有擴散角。為保護換能器以及適應(yīng)不同管徑的工件，檢測中通常使用曲面楔塊，曲面楔塊的曲率半徑越接近工件的曲率半徑，聲束能量的損失就越小。當(dāng)楔塊的曲率半徑與工件的曲率半徑一致時，換能器產(chǎn)生的聲束能全部進入到工件中，能量損失極小。圖3所示為曲面楔塊檢測曲面工件的自聚焦示意，可見檢測時，聲束不僅能在晶片排列的方向上匯聚，也能在晶片長度的方向上匯聚。曲面陣列檢測曲面工件的聚焦示意如圖4所示，其匯聚后的聲束能量集中，檢測靈敏度很高。

圖3 曲面楔塊檢測曲面工件的自聚焦示意

圖4 曲面陣列檢測曲面工件的聚焦示意

綜上可知，采用曲面陣列檢測曲面工件，不僅能強化換能器與工件的耦合效果，還能使聲束聚焦，這對提高相控陣超聲檢測的靈敏度有很大的幫助。

平面陣列與曲面陣列檢測曲面工件的成像有很大不同，故通過試驗研究相控陣超聲曲面陣列與平面陣列檢測效果的差異。

3 試驗制備與試驗過程

3.1 試驗系統(tǒng)的組成

試驗系統(tǒng)部件組成如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)試塊及模擬試塊實物如圖5，6所示。工件規(guī)格(外徑×壁厚)分別為φ51 mm×6 mm,φ57 mm×5 mm,φ60 mm×8 mm,φ70 mm×10 mm。

表1 試驗部件型號

圖5 標(biāo)準(zhǔn)試塊實物

圖6 模擬試塊實物

3.2 試驗測試

3.2.1 相控陣曲面陣列檢測曲面小徑管試驗

根據(jù)GB/T 32563-2016 《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》 標(biāo)準(zhǔn)對相控陣超聲系統(tǒng)進行調(diào)試校準(zhǔn)。按實際幾何結(jié)構(gòu)成像方式具有直觀、易定性，缺陷定位準(zhǔn)確，偽缺陷顯示易區(qū)分等特點[4]，試驗采用實際幾何結(jié)構(gòu)建立模型。將工件參數(shù)輸入相控陣設(shè)備，在設(shè)備上建立φ60 mm×5 mm(外徑×壁厚)對接管焊縫模型，調(diào)節(jié)模型中換能器聲前沿與焊縫中心線的距離，使換能器斜入射聲束覆蓋整個焊縫(見圖7)。

圖7 聲束布置示意

使用GS試塊進行聲速校準(zhǔn)，延遲校準(zhǔn)，靈敏度校準(zhǔn)和TCG(時間校正增益)曲線制作。曲線按照NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無損檢測》 標(biāo)準(zhǔn)中評定線(EL)φ2 mm×40 mm-24 dB,定量線(SL)φ2 mm×40 mm-18 dB，判廢線(RL)φ2 mm×40 mm-12 dB制作。經(jīng)過校準(zhǔn)，換能器掃查角度可以達(dá)到45°75°。將掃描深度調(diào)至30 mm，使扇形掃查界面至少能顯示三次回波。

校準(zhǔn)小徑管掃查架的編碼器，使掃查器行進距離與相控陣儀器上的C型掃查線步行距離一致。將換能器裝入掃查架，用機油將換能器和試件良好地耦合，將掃查架裝入試件，調(diào)節(jié)換能器前端與焊縫中心的距離，使兩者間的距離與儀器上設(shè)定的焊縫模型中的換能器前沿與焊縫中心線的距離保持一致。組裝完成的換能器實物如圖8所示。

圖8 換能器實物

點擊儀器設(shè)備上的開始按鈕，勻速轉(zhuǎn)動掃查架，并且在轉(zhuǎn)動過程中不斷加入機油以確保換能器與試管始終耦合良好。觀察儀器C型掃查界面，調(diào)整轉(zhuǎn)動速度，使C掃圖像不出現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)的白色條紋。掃查結(jié)束后得到小徑管相控陣超聲掃查圖像如圖9所示。

圖9 小徑管曲面陣列相控陣掃查成像圖譜

3.2.2 相控陣平面陣列檢測曲面小徑管試驗

使用CSK-IA試塊進行聲速校準(zhǔn)，延遲校準(zhǔn)，使用CSK-IIA試塊進行靈敏度校準(zhǔn)和TCG曲線制作。曲線按照NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中評定線(EL)φ2×40 mm-24 dB,定量線(SL)φ2 mm×40 mm-18 dB，判廢線(RL)φ2 mm×40 mm-12 dB制作。經(jīng)過校準(zhǔn)，換能器掃查角度可以達(dá)到45°75°。將掃描深度調(diào)至30 mm,使扇形掃查界面至少能顯示三次回波。

按照同樣的掃查程序?qū)π〗?jīng)管進行試驗，所得的平面陣列掃查成像圖譜如圖10所示。

圖10 小徑管平面陣列相控陣掃查成像圖譜

4 結(jié)果對比

4.1 成像對比

曲面陣列與平面陣列掃查成像效果如圖1118所示。

圖11 φ 51 mm×6 mm小徑管曲面陣列氣孔型缺陷成像

圖12 φ 51 mm×6 mm小徑管平面陣列氣孔型缺陷成像

圖13 φ 57 mm×5 mm小徑管曲面陣列夾鎢型缺陷成像

圖14 φ 57 mm×5 mm小徑管平面陣列夾鎢型缺陷成像

圖15 φ60 mm×8 mm小徑管曲面陣列夾渣型缺陷成像

圖16 φ 60 mm×8 mm小徑管平面陣列夾渣型缺陷成像

圖17 φ 70 mm×10 mm小徑管曲面陣列根部裂紋型缺陷成像

圖18 φ 70 mm×10 mm小徑管平面陣列根部裂紋型缺陷成像

4.2 當(dāng)量對比

不同換能器對相同缺陷的當(dāng)量如表2所示。

表2 不同換能器對相同缺陷的當(dāng)量

由缺陷的相控陣成像對比，可以明顯地看出曲面陣列對缺陷的成像有較高的信噪比，圖像干凈，缺陷邊緣清晰，而平面陣列缺陷成像信噪比較低，缺陷邊緣模糊，成像效果較差，會對缺陷性質(zhì)的判斷產(chǎn)生不良影響。

由不同換能器檢測出的相同缺陷的當(dāng)量對比可知，相同的靈敏度下，平面陣列對小徑管缺陷檢出的當(dāng)量較低，會影響缺陷性質(zhì)判斷，對質(zhì)量等級的評定產(chǎn)生影響，甚至產(chǎn)生誤判。

平面陣列換能器檢測曲面工件，缺陷檢出率很低，通過提高增益的方法提高檢測靈敏度時，噪聲信號很大，會影響檢測分析。曲面陣列檢測曲面工件，雖然楔塊曲率不能與小徑管曲率相同，但是由于耦合面大大增大，加上晶片的自聚焦效應(yīng)，靈敏度很高，能有效地檢出小徑管中的缺陷。

5 結(jié)論

分析了平面陣列與曲面陣列對缺陷的成像機制，并進行了成像效果對比試驗，得出以下結(jié)論。

(1) 采用曲面陣列檢測曲面工件，具有良好的耦合效果和自聚焦效應(yīng)，檢測靈敏度較高，有更高的檢出率和更好的檢測效果。

(2) 采用平面陣列檢測曲面工件，為提高檢測靈敏度和缺陷檢出率，應(yīng)對靈敏度進行補償，補償?shù)拇笮?yīng)大于6 dB。