超聲成像技術(shù)在阿爾塔什水利樞紐工程金屬結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用

吳艷民，伍衛(wèi)平，袁政委

（1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心，河南 鄭州 450044）

1 前言

阿爾塔什水利樞紐工程為大（1）型Ⅰ等工程，是新疆目前最大的水利樞紐，其金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備中大量采用了800MPa和600MPa級的高強(qiáng)鋼，其制造安裝質(zhì)量(尤其是焊接質(zhì)量)不僅關(guān)系到大壩和電站的安全，也將直接關(guān)系到安裝調(diào)試是否順利和商業(yè)運(yùn)行階段能否正常進(jìn)行。因此，水工金屬結(jié)構(gòu)的制造安裝質(zhì)量檢驗(yàn)工作，對于保證水利工程正常穩(wěn)定和安全運(yùn)行是十分重要的。然而，部分關(guān)鍵受力和承載的水工金屬結(jié)構(gòu)因其具有較大的厚度、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和受限的可接近性，在進(jìn)行母材和焊縫的無損檢測時(shí)，常規(guī)超聲波檢測技術(shù)(UT)已經(jīng)很難滿足其檢測的要求，射線(RT)檢測有輻射須清場且檢測效率低下，而且一些特殊部位也無能為力。對于結(jié)構(gòu)簡單的中厚板對接類焊縫，可采用超聲衍射時(shí)差法(TOFD)成像技術(shù)，該技術(shù)綠色環(huán)保、檢測效率高，缺陷檢出率高。而對于水工金屬結(jié)構(gòu)中的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位(T、K、Y型)，高效的TOFD技術(shù)也無能為力；此時(shí)，采用超聲相控陣(PAUT)成像新技術(shù)，通過A、B、C、S掃描等各種掃描方式，對母材及焊縫進(jìn)行聲束全體積覆蓋的檢測，突破了水工金屬結(jié)構(gòu)具有較大厚度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受限的可接近性等條件的制約，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的多方位成像掃描，精確檢測結(jié)構(gòu)的損傷部位和評判損傷的嚴(yán)重程度。本文主要討論先進(jìn)的基于超聲成像技術(shù)的衍射時(shí)差法超聲技術(shù)(TOFD)和相控陣超聲技術(shù)(PAUT)在阿爾塔什工程中的應(yīng)用。

2 衍射時(shí)差法超聲技術(shù)(TOFD)

超聲衍射時(shí)差法（Time of flight of diffraction，TOFD）是一種依靠從缺陷的端角和端點(diǎn)處得到的衍射信號來檢測焊縫中缺陷的方法，其基本原理是以直通波和底面反射波為參考基準(zhǔn)波，根據(jù)缺陷端部產(chǎn)生的衍射信號的時(shí)差參數(shù)，通過一定的幾何三角關(guān)系計(jì)算，對缺陷進(jìn)行定位和定量，圖1為檢測原理圖。TOFD技術(shù)能夠?qū)缚p缺陷進(jìn)行高效快速的成像檢測，其具有檢測速度快、定量精度高、定位準(zhǔn)確、可確定缺陷尺寸和檢測結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 TOFD檢測原理圖

因?yàn)楹缚p缺陷的衍射信號具有與衍射信號的角度無關(guān)和與衍射信號的幅度無關(guān)的特點(diǎn)，所以，TOFD技術(shù)在原理和方法上與傳統(tǒng)脈沖反射超聲波檢測技術(shù)有根本性的區(qū)別。

3 相控陣超聲技術(shù)(PAUT)

3.1 PAUT技術(shù)的基本原理

常規(guī)超聲檢測多用聲束擴(kuò)散的單晶探頭，超聲場以單一折射角沿聲束軸線傳播。超聲相控陣成像技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵(lì)（或接收）脈沖的規(guī)則和時(shí)序（時(shí)間延遲），改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的多方位掃描，聚焦的掃描聲束可以檢出不同方位的裂紋，具有高分辨率、高信噪比、高缺陷檢出率和檢測可靠性等特點(diǎn)。常規(guī)單晶探頭和陣列多晶探頭對多向

裂紋的檢測比較，如圖2所示。

圖2 常規(guī)單晶探頭

相控陣超聲掃查圖像主要可以分為A顯示、B顯示、C顯示、D顯示、S顯示等?？梢詫⒑缚p坡口形狀疊加到掃描圖像中顯示，可以較準(zhǔn)確地判斷缺陷的性質(zhì)，檢測結(jié)果信息更豐富，結(jié)果更直觀。計(jì)算機(jī)控制的相控陣聲束掃描模式主要分為三種：電子掃描（E-Scan）、扇形掃描（S-Scan）、深度聚焦（DF）。圖3為3種掃描模式的示意圖。

圖3 相控陣聲束掃描的三種模式

常規(guī)超聲檢測中常采用圖4中左圖所示的光柵式掃查；而超聲相控陣焊縫檢測和腐蝕檢測中常采用如圖4中右圖所示的單軸直線掃查，用一位置編碼器沿掃查軸來標(biāo)定數(shù)據(jù)搜索位置，檢測數(shù)據(jù)自動記錄，其速度要比等效的常規(guī)超聲檢測——“光柵式”掃查快一個(gè)數(shù)量級。

圖4 光柵式掃查和直線掃查模式示意圖

3.2 PAUT技術(shù)的聲速覆蓋范圍模擬

針對阿爾塔什水工金屬結(jié)構(gòu)的不同幾何結(jié)構(gòu)型式及板材厚度，利用ESBeam Tool軟件進(jìn)行聲束覆蓋和焊縫結(jié)構(gòu)的模擬仿真，設(shè)計(jì)合理高效的檢測工藝，對母材及焊縫進(jìn)行聲束全體積覆蓋的檢測。PAUT聲束覆蓋模擬圖如圖5。

圖5 PAUT聲束覆蓋模擬

4 阿爾塔什水利樞紐工程中超聲成像檢測數(shù)據(jù)分析

本部分重點(diǎn)分析不等厚厚板對接焊縫、等厚厚板對接焊縫、非規(guī)則結(jié)構(gòu)焊縫的TOFD、PAUT檢測數(shù)據(jù)。

4.1 不等厚厚板對接焊縫檢測中的應(yīng)用

在對主電站某臺機(jī)組蝸殼環(huán)縫(兩側(cè)母材厚度分別為60mm、62mm，材質(zhì)為Q345D)進(jìn)行TOFD非平行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)了大量深度帶比較一致的衍射信號，為了進(jìn)一步確定衍射信號來自焊縫還是母材，進(jìn)行了垂直于焊縫的非平行掃查，從一側(cè)母材越過焊縫區(qū)繼續(xù)掃查至另一側(cè)母材，發(fā)現(xiàn)衍射信號來自下游側(cè)管節(jié)，深度位于30～34mm，大約位于板厚中間位置，為偏析類母材缺陷；通過常規(guī)UT技術(shù)橫波斜探頭和縱波直探頭檢測，反射信號均非常微弱。蝸殼某條環(huán)縫TOFD圖譜數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 蝸殼某條環(huán)縫TOFD圖譜數(shù)據(jù)

4.2 等厚厚板對接焊縫檢測中的應(yīng)用

主電站壓力管道1#岔管某條環(huán)縫進(jìn)行T OFD和PAUT檢測，板材厚度為48mm，材質(zhì)為Q690CFE。根據(jù)TOFD圖譜測量，缺欠深度為39.9mm至底部，長度為256mm；根據(jù)PAUT圖譜測量，缺陷信號深度從36mm至底面，缺陷長度為258mm之間。TOFD和PAUT檢測結(jié)果數(shù)據(jù)吻合較好。

岔管某條環(huán)縫TOFD及PAUT圖譜數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 岔管某條環(huán)縫TOFD及PAUT圖譜數(shù)據(jù)

4.3 在非規(guī)則結(jié)構(gòu)焊縫中的應(yīng)用

對主電站壓力管道2#岔管月牙肋與殼板組合焊縫進(jìn)行PAUT檢測，殼板厚度為48mm，材質(zhì)為Q690CFE。

根據(jù)TOFD圖譜測量，缺陷的深度為22.9mm，長度為68mm。岔管月牙肋與殼板組合焊縫PAUT圖譜，如圖8。

圖8 岔管月牙肋與殼板組合焊縫PAUT圖譜

5 結(jié)語

作為新疆目前最大的水利樞紐工程，成功地采用了基于超聲成像技術(shù)的衍射時(shí)差法超聲技術(shù)(TOFD)和相控陣超聲技術(shù)(PAUT)對阿爾塔什工程金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備進(jìn)行了檢測。針對中厚板對接類焊縫、幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位的檢測，超聲成像檢測新技術(shù)(TOFD和PAUT)具有明顯的優(yōu)勢，具有較高水平的創(chuàng)新因素和推廣價(jià)值。