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1、管道环焊缝相控阵超声检测 李衍 ( 江苏太湖锅炉股份有限公司，无锡2 1 4 1 8 7 ) 摘要：介绍用编码的手工驱动的便携式相控阵超声检测设备，检测管道环焊缝的一整套程 序，包括方法原理、系统组成、施探要领和施探效果。相控阵法能提高检测速度、覆盖率和可靠性。 所介绍的设备意在为国内推广该项新技术提供借鉴。 关键词：超声检测；相控阵；管道环焊缝；二维矩阵探头 中图分类号：T G l l 5 2 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 - 6 6 5 6 ( 2 0 0 8 0 8 0 5 2 2 0 4 P h a s e dA r r a yU l t r a s o n i cI n
2、s p e c t i o nf o rP i p i n gG i r t hW e l d s L I Y a h ( J i a n g s uT a i h uB o i l e rC o L t d 。W u x i2 1 4 1 8 7 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sa r t i c l ed e s c r i b e sa ne c o d e d 。m a n u a l l y - d r i v e np h a s e da r r a yu l t r a s o n i ct e s t i n ge q u i p m
3、 e n ta n da s e r i e so fp r o c e d u r e sf o ri n s p e c t i n gp i p i n gg i r t hw e l d s Ii n c l u d i n gt h em e t h o dp r i n c i p l e s ，t h es y s t e mc o m p o n e n t s 。t h e e x a m i n a t i o ne s s e n t i a l sa n dt h ea t t a i a n a b l er e s u l t s T h ep h a s e da
4、 r r a ya p p r o a c ho f f e r si m p r o v e m e n t si ns p e e d I c o v e r a g ea n dr e l i a b i l i t y T h ei n t e n t i o ni st Op r o v i d er e f e r e n c ef o ra p p l i c a t i o no ft h i sn e wt e c h n o l o g yi nC h i n a K e y w o r d s ：U 1 t r a s o n i ci n s p e c t i o n
5、 ；P h a s e da r r a y ；P i p i n gg i r t hw e l d s ；2 Dm a t r i xa r r a yp r o b e s 对承压管道环焊缝通常作手工超声探伤 ( U T ) ，费时费力，效率低。若采用自动U T ，焊缝两 侧至少各需5 道扫查程序。为检出环向和轴向裂 纹，每道程序都要求作高分辨力“光栅式”扫查，操作 时间长( 图1 ) 。对电站设备上的某管道环焊缝作 U T ，要整整1 2h 才能完成。 为了改变这种局面，从事该类设备的公司与加 拿大某检测设备制造公司合作，采用相控阵U T 技 术，并按照相关标准和法规要求，对操作人员完
6、成了 相控阵U T 技术的培训考核和认证工作，检测技能 涉及到奥氏体钢与铁素体钢管道环焊缝的缺陷检测 和测长。相控阵U T 技术的一大优点是可利用多角 转向声束进行扫查而不用通常的“光栅式”扫查( 图 2 ) 。实践证明，相控阵法能提高检测速度、覆盖率和 可靠性。 自动相控阵U T 设备费用昂贵，而手工便携式 收穰日期：2 0 0 7 - 0 3 2 8 作者简介：李衍( 1 9 4 0 一) ，男，高级工程师，A S M E 产品责任 工程师，负责莺大产品和出口产品的无损检测T 作。 r 口Z Z 幻年第眷第8 期 图1 常规U T 用的光栅 式扫奁技术 图2 相控阵U T 用的 多束式扫查
7、技术 相控阵U T 设备价格约为其1 4 。两者与目前常用 的A 显示脉冲回波式探伤仪的价格比大致为2 5 ： 1 5 ；1 。笔者介绍用编码的手工驱动的便携式相控 阵U T 设备和检测管道环焊缝的一整套程序，包括 方法原理、系统组成、施探要领和施探效果。以为国 内推广该新技术提供借鉴。 1 相控阵检测方法原理甘。璺要望麓苎篓妻篓妄茎箜妻苎耄量兰探耋! 妻翱1 0 5 。) 叩HI V O 。这样，探头在每一位置发射的超声波束曼莒苎登翌! 篓! 黧登黑塑皇! 苎銎笔坠璺苎总共有嘉磊T T ：) = P - J D ：。o 卜葛专；周高蒜磊箱器蒜磊蕊；皇苎芝苎篓! 要矍主生篓妻譬釜篓蹇慧乏篓竺芸
8、某兰i 用多角藉；菜箬蒿茗苗美蕊：若垒詈妻曼? 妻烹曼! 茎要苎兰墼譬霎姜二黧篓喜磊囊嵩孬篙柔磊萧磊交夏主募芰丕美茜茬茁妻量耋塞譬：曼曼量哩曼曼揪磊I 翌冬裴要葛嚣蓑釜赢矗；茹减谳茹茇茹蓓舻束燃皴。醋觯涨舰裼耥这善( 茹爵菇蒜蕞灞淼群9 d：K 列z - , q r ，I 翻2 、o 、一一口。o 土uou 7 P 州m q oo H 漏( a ) 常规单晶探头( b ) 阵列多晶探头图3 多向裂纹的检测用手工驱动的编码相控阵超声仪检测管焊缝，要求从管子外表面用单探头或双探头进行检测。相控阵探头装置由1 个或2 个有斜楔的二维矩阵探头组成，标称频率为1 5M H z ，斜楔可互换，材质为R e
9、 x o l i t e 。由手工驱动、编码定位的管子双轴扫查器携带相控阵探头装置一起移动。结合相控阵扇形扫查，采用多声束扫查技术：沿焊缝长度方向( X 向) 采用小增量扫查，而沿焊缝宽度方向( y 向) 采用大增量扫查。缺陷检测灵敏度和信号记录灵敏度根据区域超声噪声水平确定，缺陷信号测长采用一6d B 法。1 2 周向缺陷的检测对焊接接头中的周向缺陷，使用相控阵并列双探头以一发一收方式，用横波或纵波进行检测( 图4 ) 。对由于接近性受限、只能单侧探伤的奥氏体不锈钢焊缝，允许只用纵波检测。设计斜楔时，要使产生的声束折射角为4 0 。7 0 。，增量为o ；同时，发射声束要有一1 5 。，o
10、。和+ 1 5 。三种偏斜角( 相对于扫查轴线方向，分别为7 5 。，9 0 。图5 管子周向缺陷的相控阵双探头多向检测方法在制作相控阵探头和斜楔之前，探头设计在理论上要适用于各种管子结构( 图6 为5 0 。横波声束，偏斜1 5 。，焦深2 8m m 的相控阵探头检测情况) 。某些相控阵仪器设备公司提供了三维声束跟踪、声束模拟和U T 数据可视化软件包，可对被检管子采用三维声束仿真模式。图6 用相控阵双探头检测周向缺陷时的声束模拟幻年第卷第8 期0 Z J w w w . b z f x w . c o m 曼要得超声显像，可见横波声束对近侧缺陷检出力图9 检测轴向缺陷的相控阵单探头装置萋篙
11、霍黧竺燮晨缆黧譬。黧：熙煮可采用两路扫查的检测方法，以完全覆盖检测雾星望曼童誊挈不锈钢J 焊接试钟应力腐蚀裂纹体积蒜哥? 篙茗鬻翥搞善茬盂羹莩菩莲时所得超声显像。伊”771 1 “H # 叫刑H 厄出协叭。日2图7 庐3 0 0m E 不锈钢管焊缝热疲劳裂纹的超卢显像图8 不锈钢焊接试管中应力腐蚀裂纹的超声显像1 3 轴向缺陷的检测检测轴向缺陷时，使用相控阵单探头横波脉冲回波法检测。设有两对称布置的斜楔，以使探头从顺时针和反时针方向均能检出轴向缺陷。斜楔布置能产生的横波折射角为3 5 。6 5 。( 增量2 5 。) ，声束能偏离扫查轴线方向5 种角度( 2 2 o 5 2 5 。) 。因此，
12、在每一探头位置可发射出6 5 种角度的超声波束。图9 为检测轴向缺陷的示意图。与常规超声检测相比，相控阵探头用5 种偏斜角度，所以能明显提高横向缺陷检出率。探头设计理论上要适合于用三维声束检测各种管子结构。另外，所设计的探头要使其声束入射点尽量接近焊缝趾部，而不产生楔内干扰反射。5 2 42 0 0 8 年第3 0 卷第8 期图1 0 检测轴向缺陷的超声相控阵技术上述方法对轴向不规则缺陷的检测相当有效，信噪比很高( 图1 1 ) 。图1 1 检测不锈钢试管轴向缺陷的超卢湿像2 相控阵检测系统2 1 二维矩阵探头二维矩阵探头用于一发一收式和脉冲回波式检测的优点为：可使声束在三维空间内偏转。可使声
13、柬作球形、椭圆形或线形聚焦。可用同一 w w w . b z f x w . c o m 斜楔使声束在不同深度、不同角度聚焦。能在两个平面内转向，可同时改变超声折射角和倾斜角。用一发一收法检测时，探头布置见图1 2 。( a ) 4 2 阵歹q( b ) 6 4 阵箩q图1 2 斜楔二维矩阵探头一发一收检测布置管道环焊缝检测时，使用加拿大Z e t e c 公司制造的、与相控阵检测设备相配套的二维矩阵单探头和双探头，频率1 5M H z ，每个阵列由1 5 单元( 5 3 矩阵) 组成。斜楔可互换，材质R e x o l i t e 。同一阵列探头适用于所有给定的管子结构，周向和轴向缺陷均町检
14、测。2 2 校准试块相控阵超声检测时基线和灵敏度校准使用专用试块。试块材质为碳钢和奥氏体不锈钢。试块上表面曲率与探头楔块接触面一致，以保证耦合良好。试块中设置了三种人工反射体：半径为2 5I N I T I的球形反射体，用于系统时间延迟的调整。3 个相同尺寸、不同方向的铣槽，用于按不同聚焦律组合时调整参考灵敏度。3 个球底孔，用于任意斜角的声束对聚焦律准确性的验证。2 3 管焊缝手工扫查器管焊缝手工扫奁器用于携带式相控阵探头，重量轻( 3k g ) ，用手工驱动装置，可单人搬动，安装在管子上。安装程序简易，无需任何工具。扫查器由若干关节组成，以调节扫查器定位，使之能与多种管子外径( 1 0 0
15、 9 0 0m m ) 匹配( 图1 3 ) 。图中工件外径为簪3 0 0m a - - f i ，焊缝余高被磨平。所有关节易于联锁，通过闭合关节上的插销即可固紧。图1 3 置于试管J ：的手工扣查器紧固力可用螺丝手工调节。扫查器可轴向和周向联机进行，也可通过轴向或周向扫查动作，作双向扫查。轴向和周向移动时均编码。轴向移动由装在轴向支架连杆上的滑动装置完成，扫查范围2 0 0I T I T I 。加长臂可加在滑动装置上( 未示出) ，以增加轴向扫查范围，或适应圆锥形工件的检测。周向移动靠多关节组成的组合链完成。整个组合链又有多种关节，包括轴向支架关节、齿轮传动关节、闭合关节、不同尺寸的联接关节
16、等。联接关节通过不锈钢轮与管子表面接触，而轴向支架关节和闭合关节则有橡皮轮。2 4 相控阵U T 设备用于记录和存储超声检测数据的是O m n i S c a n便携式相控阵系统，该系统选用1 6 个脉冲发生器和1 6 个接收器，数据采样率高，适合于管道环焊缝检测所要求的多路聚焦的设置。该设备支持双编码器输入定位编码。2 5 相控阵U T 软件2 5 1 聚焦律的产生相控阵设备上配有的计算器可用于计算由检测方法界定的各种聚焦律。该软件能支持一维线性阵列和两维矩阵在平面和曲面上的检测，可用于脉冲回波法和一发一收法布置。能快速有效地设定聚焦律( 图5 和1 0 ) ，有用户选定的阵列探头和斜楔需用
17、数据库，有给定结构的三维视图( 包括到达焦点的声线) ，有声束入射点和焦点数据，也有各阵元延时数据，并能快速切断或选定阵元通道。2 5 2 数据分析要求操作者对系统收集的超声检测数据会在装有专用软件的计算机工作台上进行分析处理。所用检测方法对检测周向缺陷需用9 0 个以上聚焦律，而对检测轴向缺陷则需用6 0 个以上聚焦律。因此，数据分析的具体工作流程规定在专用软件中要使用体积汇合工具。该工具能将由各个聚焦律所得超声数据进行处理，产生汇合数据组( 含给定数据记录中所有聚焦律的信息或派生聚焦律的信息) 。这样，要分析的数据量能明显减少，而对检出率并无影响。图7 ，8 和1 1 均为汇合数据组产生的
18、超声图像，表明了体积汇合工具的有效性。另外，在精选的聚焦律子集中，通过超声响应特( 下转第5 6 0 页)硼年I I l a o 措第8 期5 2 5 w w w . b z f x w . c o m ( 上接第5 2 5 页)性比较，还町得到有关缺陷识别和表征的附加信息。且数据分析的具体工作流程还规定了转角立体投影的使用，被检焊缝结构的C A D 图的叠加使用，以及专用软件包中其它图形和数字工具的使用。2 6 相控阵U T 人员的考核评定对所有从事管道环焊缝相控阵检测的U T 人员必须进行有针对性的理论培训和实践考核评定。要求U T 人员能使用手工驱动的编码相控阵设备，演示管焊缝检测全过程
19、、数据采集和数据分析全过程。被检管子材质有铁素体钢和奥氏体不锈钢两种，管径D 。3 0 0m m ，壁厚1 5 8 0m m 。要求用一组相控阵探头进行所有检测，并对检出缺陷进行测长。考评中，要求应试者进行所有数据的记录操作，调节相控阵设备，校正和监控各种探头，完成各种检测程序( 每条焊缝至少扫查4 次) 。考核评定规程强调了相控阵系统垂直线性和波幅控制线性必须每年校验和现场校核。另外，对各个阵列探头激励阵元如何进行校核，如何调整，也给出了详细的导则。3 小结( 1 ) 二维矩阵探头检测法可借助于多路声束5 6 02 0 0 8 年纂卷第8 强( 多种折射角和偏斜角) 提高对方向不定的面状缺陷
20、( 如应力腐蚀裂纹) 的检出率，并可明显减少扫查程序和整个检测时间( 通常能减少2 3 的时间) ，而超声检测特性依然优异。( 2 ) 使用一套简单而灵活的扫查机构，手工驱动的编码相控阵检测，能获得完整的质量检测数据，以进行可靠检测和准确测长。( 3 ) 便携式相控阵硬件加上能设定聚焦律及进行有效数据分析的高级专用软件，已通过正式鉴定，适合于工业无损检测应用。( 4 ) 对从事相控阵超声检测的U T 人员必须进行附加培训和特定考核，通过操作演示，证实其掌握超声相控阵设备和数据分析及图形识别能力。参考文献：E1 3M i c h a e lDCM o l e s ，C o l i nRB i r
21、 d ，P a m e l aH e r z o g I n t r o d u c t i o nt OP h a s e dA r r a yU l t r a s o u n i cT e c h n o l o g yA p p l i c a t i o n - M C a n a d a ：R DT e c hC o r p 。2 0 0 4 E 2 3M a c D o n a l dD ，L a n d r u mJ ，D e n n i sM ，e ta LA p p t i c a t i o nt oP h a s e dA r r a yU TT e c h n o l o g yt OP i p eE x a m i n a t i o n s l - R S o c e n dE P R IP h a s e dA r r a yI n s p e c t i o nS e m i n a t C a n a d a M o n t r e a l 2 0 0 1