淺析可記錄的脈沖反射法超聲檢測-相控陣檢測技術(shù)

張鵬翀,王金昭,王冬雷,賴玉林,牛海波,汪小成

(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司,上海 201518;2.中國石油吉林石化公司煉油廠,吉林 吉林 132000;3.吉林中國石油吉林石化公司電儀中心(檢測中心),吉林 吉林 132000)

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》3.2.10.2壓力容器的對接接頭應(yīng)當(dāng)采用射線檢測(包括膠片感光或者數(shù)字成像)、超聲檢測[包括衍射時(shí)差法超聲檢測(TOFD)、可記錄的脈沖反射法超聲檢測和不可記錄的脈沖反射法超聲檢測];當(dāng)采用不可記錄的脈沖反射法超聲檢測時(shí),應(yīng)當(dāng)采用射線檢測或者衍射時(shí)差法超聲檢測進(jìn)行附加局部檢測[1]。

隨著容器大型化的發(fā)展,部分設(shè)備需要在現(xiàn)場組焊,可優(yōu)先選擇射線檢測和TOFD檢測,當(dāng)射線檢測和TOFD檢測都不具備檢測條件時(shí),大家都想利用可記錄的脈沖反射法超聲檢測。但是,什么是可記錄的脈沖反射法呢,之前的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未給出明確的規(guī)定。

模擬機(jī)超聲儀器進(jìn)行的檢測,業(yè)界公認(rèn)為是不可記錄的,但是在數(shù)字機(jī)儀器都具備了記錄和回放波形的功能。那是不是屬于可記錄的脈沖反射法超聲檢測呢,業(yè)界是有分歧的。如某作者認(rèn)為數(shù)字式脈沖反射超聲記錄儀具備了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)回放功能,并能擴(kuò)展存儲(chǔ)空間,具備了存儲(chǔ)和分析檢測數(shù)據(jù)的硬件能力,與UT檢測和RT檢測有了同等的選擇條件[2]。符合GB 150—2011《壓力容器》釋義中對可記錄超聲檢測的定義。又如某制造廠在某設(shè)備最后一道削邊后合攏焊縫中,欲采用有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)回放功能的數(shù)字超聲波檢測儀作為可記錄的脈沖反射法超聲檢測,沒有得到實(shí)施監(jiān)檢的特檢院認(rèn)可。那規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的可記錄脈沖反射法超聲檢測是指那種檢測呢,本文將就此問題作出闡述。

利用脈沖反射法進(jìn)行超聲波檢測的方法有最常見的采用數(shù)字機(jī)進(jìn)行常規(guī)檢測的常規(guī)超聲簡稱UT,另一種就是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)興起的相控陣檢測技術(shù)簡稱PAUT,我們將從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,分析UT檢測和PAUT檢測哪種是屬于可記錄脈沖反射法超聲檢測的范疇。

1 可記錄的內(nèi)涵

《壓力容器》釋義中對可記錄超聲的描述是指記錄全部檢測過程的脈沖反射法超聲檢測,其檢測設(shè)備應(yīng)當(dāng)記錄所檢測對接接頭的全部超聲波形并可回放,不可記錄的脈沖反射法超聲檢測則是指僅局部記錄檢測數(shù)據(jù)或不記錄檢測數(shù)據(jù)的脈沖反射法超聲檢測,例如采用模擬超聲檢測儀器進(jìn)行的檢測[3]。

標(biāo)準(zhǔn)釋義中對可記錄超聲不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尼屃x是該問題產(chǎn)生爭議的原因之一,標(biāo)準(zhǔn)釋義僅僅提出來全部超聲波形的記錄和回放,沒有要求所記錄的超聲波形的位置信息。筆者認(rèn)為可記錄包含兩個(gè)含義,第一,數(shù)據(jù)的采集,不但要記錄所有檢測數(shù)據(jù)的超聲波形,還要記錄這些波形的位置信息。第二,數(shù)據(jù)處理時(shí)的信息回放,這里的回放不僅僅是檢測數(shù)據(jù)波形的回放,而是將所有采集的數(shù)據(jù)波形和位置信息在儀器或軟件顯示出來,既能顯示數(shù)據(jù)波形信息,又能顯示此時(shí)波形在掃查軸上的位置信息,能供檢測人員對缺陷的長度、位置、深度、幅值等進(jìn)行測量分析。能滿足以上兩點(diǎn)的超聲檢測,才符合可記錄的內(nèi)涵,如射線檢測、TOFD檢測一樣,稱為可靠的埋藏缺陷檢測方法。

2 為了更好地對可記錄的表述,我們對接接頭規(guī)定坐標(biāo)軸

規(guī)定檢測起始點(diǎn)O點(diǎn)以及X、Y和Z坐標(biāo)的含義。對于焊接接頭,其坐標(biāo)含義如圖1所示。

O:設(shè)定的檢測起始參考點(diǎn);X:沿焊縫長度方向的坐標(biāo);Y:沿焊縫寬度方向的坐標(biāo);Z:沿焊縫厚度方向的坐標(biāo)。

2.1 常規(guī)數(shù)字脈沖反射法超聲檢測的數(shù)據(jù)采集

采用A型脈沖反射式超聲檢測儀對工件缺陷檢測的超聲方法我們稱為常規(guī)超聲檢測,目前常用的A型數(shù)字超聲檢測儀均能對檢測過程的全部或部分A型波幅進(jìn)行存儲(chǔ)和記錄。其掃查方式主要為鋸齒形掃查,如圖2所示,在掃查過程中將儀器采集到的信號存儲(chǔ)。

圖2 鋸齒型掃查

因?yàn)槌Ｒ?guī)探頭的入射角度是單一角度檢測,為了對焊縫YOZ截面全覆蓋,其通過探頭的前后移動(dòng),利用一次波或反射波完成對焊縫截面的全覆蓋如圖3所示,即對YOZ截面完成數(shù)據(jù)采集。

圖3 探頭前后移動(dòng)完成焊縫掃描

前后移動(dòng)的同時(shí)沿鋸齒型行進(jìn)路線前進(jìn),完成對OX軸,即焊縫長度方向的檢測。檢測完成后可以利用儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并回放,看似對整條焊縫進(jìn)行了可記錄檢測,實(shí)則不然,此方法在探頭鋸齒型移動(dòng)的過程中并沒有對該波形在OY和OX方向的位置進(jìn)行記錄,即數(shù)據(jù)中沒有包含位置信息,數(shù)據(jù)回放時(shí)不能反應(yīng)缺陷回波的位置信息,無法實(shí)現(xiàn)缺陷定位。即使是同一個(gè)人進(jìn)行檢測,也會(huì)由于手持探頭的壓力,OY方向探頭移動(dòng)的寬度、速度和OX方向前進(jìn)的速度不同,對同一接頭所采集的缺陷波幅數(shù)據(jù)不同,且沒有位置信息的記錄,檢測結(jié)果無法重復(fù)再現(xiàn),因此還是屬于常規(guī)的不可記錄的脈沖反射法超聲檢測,其檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性要靠單位的質(zhì)量管理水平和檢測人員的技術(shù)水平和責(zé)任心來保證,可靠性難以控制。

2.2 脈沖反射法相控陣超聲檢測對數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)設(shè)定的延遲法則激發(fā)陣列探頭各獨(dú)立壓電晶片(陣元),合成聲束并實(shí)現(xiàn)聲束的移動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和聚焦等功能,再按一定的延遲法則對各陣元接收到的超聲信號進(jìn)行處理并以圖像的方式顯示被檢對象內(nèi)部狀態(tài)的超聲檢測方法。其最大的特點(diǎn)是設(shè)置一定的聚焦法則,探頭放置在適當(dāng)位置,探頭不用前后移動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)焊縫YOZ截面的全掃描,如圖4所示。

圖4 探頭不移動(dòng)完成焊縫掃描

再將探頭夾持在有位置傳感器的掃查器上,通過自動(dòng)或手動(dòng)掃查器沿OX方向運(yùn)動(dòng),完成對整條對接接頭的檢測。如圖5所示。

圖5 掃查器沿焊縫運(yùn)動(dòng)完成焊縫掃描

檢測儀器對接收到的信號進(jìn)行處理并以圖像的方式顯現(xiàn)出來,因?yàn)橛形恢脗鞲衅鲗⒚總€(gè)步進(jìn)的焊縫數(shù)據(jù)波形和位置信息合成,所以焊縫數(shù)據(jù)與掃查器的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān),亦可以形成相同的數(shù)據(jù)圖譜。按照同一份檢測工藝,不同的人對同一個(gè)對接接頭檢測數(shù)據(jù)是完全相同的。但是,如果沒有位置傳感器而采用時(shí)間編碼,焊縫信息的采集就會(huì)與儀器設(shè)定的運(yùn)行速度有關(guān),人為不可能達(dá)到儀器設(shè)定的速度精度,即使是同一個(gè)人掃查,也無法采集到完全相同的兩份圖譜。

綜上,只有采集位置傳感器的相控陣超聲檢測才是可記錄的脈沖反射法超聲檢測。

3 顯示方式

3.1 常規(guī)數(shù)字脈沖反射法超聲檢測的顯示

采用A型脈沖反射式超聲檢測儀對工件缺陷檢測是以A型波存儲(chǔ)并顯示的,儀器沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,只是存儲(chǔ)和回放,沒有記錄探頭的前后移動(dòng)和沿焊縫方向移動(dòng)的信息。如圖6,A型脈沖反射式超聲檢測數(shù)據(jù)顯示。

圖6 A型脈沖反射式超聲檢測數(shù)據(jù)顯示

從圖中能看到一個(gè)距離探頭前沿9.7 mm、深度8.2 mm、波幅為SL+1.9 dB的缺陷。不能反映此缺陷在焊縫長度(OX)方向的位置。

3.2 脈沖反射法相控陣超聲檢測技術(shù)的顯示

相控陣檢測將檢測過程中的全部A掃信號全部記錄,同時(shí)記錄下了每一條A掃信號的位置信息,通過檢測儀器將采集到的A掃信號轉(zhuǎn)換為圖像,并能以S掃、C掃、B掃和D掃的形式呈現(xiàn)出來,圖像包含了位置信息和波形信息,對檢測全過程記錄。如圖7所示,相控陣各型顯示在坐標(biāo)中的表示。

圖7 相控陣檢測的C型B型D型顯示

當(dāng)采用位置編碼器數(shù)據(jù)采集時(shí)形成的圖譜如圖8所示。

圖8 帶位置編碼器的A型、S型、C型、D型顯示

從圖8中能看到一個(gè)在焊縫中心線-0.5 mm、深度9.9 mm、波幅為SL+8.5 dB、高度3.4 mm,在焊縫長度方向(OX)65～85 mm處、長度20 mm的缺陷。右上的C型顯示和右下的D型顯示橫坐標(biāo)表示焊縫長度(OX)為281 mm,是由位置編碼器采集的位置信息。

采用時(shí)間編碼方式,則右上的C型顯示和右下的D型顯示橫坐標(biāo)表示焊縫方向(OX)為時(shí)間軸,如果掃查裝置為自動(dòng)控制,掃查器掃查速度和儀器設(shè)置的掃查速度一致,則掃查距離和缺陷位置由VT=S計(jì)算得出位置信息,仍屬可記錄超聲;如果采用半自動(dòng)或手動(dòng)掃查裝置,用時(shí)間編碼方式,手動(dòng)速度和設(shè)置速度不一致,無法做到A掃信息和位置信息一一對應(yīng),仍屬于不可記錄超聲。

4 結(jié)論

是否為可記錄的脈沖反射法超聲檢測應(yīng)該具備以下2個(gè)特征:

(1)對焊縫端面(ZOY)端面的所有A掃信號全記錄;

(2)對焊縫長度方向(OX軸)采用位置編碼器記錄位置。

因此,A型脈沖反射式超聲檢測儀進(jìn)行的部分?jǐn)?shù)據(jù)采集因缺少位置信息和不可重復(fù)性,故仍屬于《固容規(guī)》和《壓力容器》中的常規(guī)不可記錄超聲檢測。手動(dòng)掃查裝置用時(shí)間編碼的相控陣檢測因無位置信息也屬于不可記錄脈沖反射法超聲檢測。

采用位置編碼器的相控陣檢測和無位置編碼器但采用全自動(dòng)掃查裝置時(shí)間編碼的相控陣檢測屬于可記錄的脈沖反射法超聲檢測。