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1、综述 钢焊缝相控阵超声波探伤新技术李衍(无锡华光锅炉股份有限公司无锡 214028)摘要 介绍国外采用超声波相控阵技术检测钢焊缝的最新进展。此法采用电子扫描加机械扫查 , 能大大提高检则效率 ; 结合相控阵 TO FD 法 , 可使面状缺陷的检出与定量更为精确、有效。在探伤结果的自动记录图上 , 除 A 型显示外 , 还有 B 型、 C 型和 D 型显示 , 提供了缺陷的三向视图。此技术在国内已用于西气东运长输管道焊缝的现场检测 , 并可望在近期用于锅炉压力容器焊缝的制造验收检测和在役定期检测。关键词 超声波探伤钢焊缝相控阵 TO FD 法引言自 20 世纪 90 年代中期起 , 超声波相控阵
2、技术就开始在欧、美、日用于压力容器和压力管道熔化焊缝的质量检测 , 也用于一些重要机电设备如汽轮机叶片 (根部 )和涡轮圆盘等内部缺陷的检测。相控阵超声波探伤法有四大特点 :(1)可用计算机软件控制声束角度、聚焦距离和焦点尺寸 ; (2)可用单个小型的电控多元探头在同一位置作多角度检测 ; (3)可对复杂的几何形状进行检测 , 其机动、灵活性较大 ; (4) 配置机械夹具 , 可对整个试件作高速、全面扫查。本文侧重于介绍相控阵法在压力容器和压力管道焊缝检测方面的应用及其成效。此法是当今无损检测挑战极限的 U T 新技术 , 它采用相控阵 U T 斜探法加相控阵 TO FD 法 (即衍射波时差法
3、 ) , 可有效地检出钢焊缝中的各种面状缺陷和体积状缺陷。在探伤结果的自动记录图上 , 有被检焊缝和缺陷的 A、B、 C、 D 四种显示 (即直角座标、横截面、平面、纵截面显示 ) , 为缺陷定位、定量、定性、定级提供了丰富的信息源。1相控阵原理1. 1阵列模式多个压电元件有时可按一定模式组成一体 , 按组成形状大致可分线阵、方阵和环阵三种 (见图 1)。1. 2工作原理当电子线路的排列是使各个或一组压电元件按一定程序产生脉冲时 , 此阵列就称为已程序化。按直线程序化的阵列即线阵在某一时刻由其中一个元件发射脉冲 , 而其他元件接收脉冲 , 依次轮换 ; 当然 , 也可使各个元件分别采用脉冲回波
4、方式。(a) 10 单元线阵 (b) 4 4 方阵 (c) 4 单元环阵图 1典型的压电元件阵列模式阵列内的压电元件 (简称组元 ) 通常很小 , 呈平面状。若几个组元同时触发 (如用“漆刷”探头 ) , 则产生的超声波前是各元件产生的不同球面波的干涉结果。此结果类似于尺寸与多元阵列相同的某一平面元件所发射的波前。若阵列内每一相继组元的触发均延迟一定时间 (短于发射信号半周期 ) , 则由干涉产生的波前其声束入射角可用电子方法来控制。图2 即表示阵列各组元触发时间延迟递增的线阵效应。同样 , 用电子方法改变阵列组元的触发延迟时间 , 也可使声束达到聚焦目的 , 见图 3。通过脉冲延迟触发所产生
5、的不同相位干涉 , 来调节声束角度或聚焦状态的压电元件阵列 , 就称为相控阵。由于相控阵组元的延迟时间可动态改变 , 所以使用相控阵探头探伤主要是利用它的两大特点 :(1)声束角度可控 ; (2)可动态聚焦。12002 年第 3 期 无损探伤 (双月刊 ) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 2相控阵探头改变声束入射角的原理图 3相控阵聚焦原理2相控阵 U T利用若干分列的小压电元件 , 用电子方法控制各组元的触发时间 , 就能使超声波主声束往任意方向传播 , 且声束可在任意深度位置聚
6、焦。显然 , 用相控阵 U T , 因可灵活选定探伤角度 , 按试件厚度选定聚焦条件 (焦点位置焦柱长度 ) , 故可针对试件材质、板厚选定最佳条件进行探伤。另外 , 结合 TO FD 法(衍射时差法 ) , 探伤结果有 B、 C、 D 型三向实时显示记录 , 对缺陷定位、定性、定量颇为有利 , 再加上必要的探伤机械装置 , 就能实现探伤高速化。因此近年来相控阵 U T 在国外已越来越多地应用于各种焊接结构件的探伤。2. 1焊缝斜探伤用相控阵探头对焊缝作横波斜探伤时 , 无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后移动 ,而焊缝长度方向的全体积扫查 , 可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确
7、定位的轨道滑动完成 ,故可实现高速探伤。图 4 是采用充水耦合的焊缝相控阵斜探法 , 此时声束扫查方式有两种 : 一种是扇形扫查 , 用于检测焊缝 ; 另一种是垂直扫查 , 用于监视探头表面耦合状态。当然 , 对焊缝也可采用直接接触的相控阵斜探法。一般焊缝探伤时 , 探伤仪示波屏信号都采用直角座标显示 A 型显示 : 横轴表示超声波传播时间 (距离 ) , 纵轴表示波幅高度 (缺陷大小 )。但实际上 , 缺陷回波信号往往不与缺陷大小成正比。使用相控阵 U T 时 , 在检测监控器荧光屏和图像记录系统中还有 : (1) 根据 A 扫描数据由积分电路演算出的焊缝宽度方向的横截面显示 B 型显示 ;
8、 (2) 焊缝长度方向的纵截面显示 D 型显示 ; (3) 被检焊缝在水平面上的投影显示 C 型显示 (有时又称 P型显示 )。由此所提供的缺陷在焊缝中的三向视图(前视、侧视、下视 ) , 为缺陷准确定位、定性、定量创造了有利条件。(a)用充水耦合的焊缝相控阵斜探法(b)充水耦合时的声束扫查方式图 4焊缝超声相控阵斜探法示例图 5 是 B、 C 两种扫描显示的示意图 , 图 6 是 D型扫描显示的示意图。前两种声成像方式早在 20 世纪 70 年代就已推出。图 5焊缝 U T B 型、 C 型显示2 无损探伤 (双月刊 ) 2002 年第 3 期 1995-2005 Tsinghua Tong
9、fang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 6焊缝 U T D 型显示2. 2阵列 TO FD 法2. 2. 1 TO FD 法的特点和原理1970 年英国哈威尔无损检测中心的 Silk M.G. 首先提出所谓 TO FD 法 (T im e of F ligh t D iffrac2tion 即衍射波时差法 ) : 使具有较大指向角的超声波入射到缺陷上 , 测出由端部产生的衍射波传播时间 ,用 D 型显示表示 (图 6)。此法有以下四大特点 :(1) 探头扫查是平行扫查 ; (2) 可检出缺陷并测出其长度和高度 ; (3)面状缺陷的倾斜
10、不会影响缺陷的可检性 ; (4)可实时得到焊缝方向的断面声透视记录。(a)由缺陷端部的衍射波时差对缺陷测高(b) TO FD 声程和 A 扫描图形图 7 TO FD (衍射波时差 )法原理图原理 : 当超声波打到裂纹端部时 , 按惠更斯原理 , 此端部即成为新的声源 , 会向 360方向产生衍射波 (见图 7)。此衍射波可用接收探头检出 , 测出其作为脉冲入射的传播时间 , 就可求出缺陷在板厚方向的深度位置和自身高度。为能用一次平行扫查对整条焊缝进行探伤 , 要求使用具有较大指向角的压电晶片。若用普通横波斜探头 5M H z、晶片尺寸 10 10mm , 则钢中板厚方向指向角 H 10 ; 而
11、用 TO FD 法时 , 要求用小晶片(如 6 6mm )、纵波斜探头 , 此时声速 C 约为横波的1. 8 倍 , 波长 K也为 1. 8 倍 , 而指向角 H约为 1. 7 倍。2. 2. 2相控阵 TO FD 法相控阵采用 TO FD 法 , 就是在多个阵列探头中选择两组压电元件 , 分别用作发射和接收 , 在两组压电元件间隔保持一定的状态下 , 通过电子扫描和探头机械扫查 , 实现用 TO FD 检出和定量缺陷 , 并作出焊缝纵截面显示 D 型显示。由相控阵 TO FD法 D 扫描显示图形 , 试件上下表面和缺陷纵断面位置及长度范围一目了然 (见图 8)。用相控阵 TO FD法 , 无
12、需调换探头 , 就可任意设定探伤角度、探头间距 , 故易于按板厚、材质及标准要求 , 选定最佳探伤条件。3应用实例3. 1因康镍合金 X 焊缝的检测试件厚 32mm 的因康镍合金双面焊对接焊缝。由焊缝金属宏观金相照片 , 可看到典型的柱状结晶组织。在焊接试板底面一侧 , 特意设制了两种缺陷 :用电火花加工出的狭槽和疲劳裂纹 , 缺陷深度有 1 15mm 6 种。先用普通双斜探头横波法探测。探伤角度为45时 , 从记录图形上可清晰看到缺陷的角部回波和端部回波。实验证明 : 大致能检出深度约 1mm 以上的面状缺陷。用端部回波法求出面状缺陷深度 , 测试结果表明 : 对狭槽、疲劳裂纹测定精度大致相
13、同 , 误差均为 2mm。然后 , 用相控阵 TO FD 法检测因康镍合金焊缝中设制的表面开口狭槽 (深 15mm ) , 疲劳裂纹 (深13. 5mm )。由 TO FD 探伤图形可见 , 在狭槽和疲劳裂纹端部均可看到清晰的衍射波图像。由此求出缺陷深度 , 可知这两种缺陷的评定精度与普通斜探头横波法一样 , 也为 2mm。32002 年第 3 期 无损探伤 (双月刊 ) X 铬镍铁合金 (耐热耐蚀合金 ) : N i80% , C r14% ; Fe6% 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserve
14、d.3. 2不锈钢焊缝的检测试件为板厚 40mm 不锈钢 (SU S 304) 对接焊缝 , 在热影响区特意设制了狭槽和应力腐蚀裂纹。先用普通斜探头 (45 ) 横波检测深 10mm 的狭槽 , 记录图上反映的狭槽根部回波和端部回波很明显 ,而由焊缝柱状晶体组织引起的反射波很小 , 缺陷检出状态良好。但对 10mm 深的应力腐蚀裂纹 , 记录的断面图像虽也能看到裂纹端部分支 , 但总体噪声较多。图 8焊缝缺陷 TO FD 法探伤记录图例(A 型显示和 D 型显示 )然后试用相控阵探头探测 20mm 深的狭槽和10mm 深的应力腐蚀裂纹 , 记录图上都能明显看到缺陷端部的衍射波 , 这说明缺陷检
15、出可能。由显示图像求出的缺陷深度 , 误差约 2 3mm。3. 3管道环焊缝检测3. 3. 1特点和要点对管道环焊缝 , 通常按美国 A STM 标准(E1961 1998 环焊缝用聚焦探头区域识别技术的机械化超声检测 ) , 将检查部位分区进行识别 , 焊缝整个厚度方向按 2 3mm 进行划分 , 各个区域用组合在阵列探头中的专用压电换能器进行检测。探伤时将脉冲反射、串列扫查和 TO FD 三种方法组合一起。图 9、 10 是板厚 12mm 时坡口分区和发送侧探头的配置示例。图 9壁厚 12mm 焊缝坡口的区域划分4 无损探伤 (双月刊 ) 2002 年第 3 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 10壁厚 12mm 焊缝坡口发送侧探头的配置3. 3. 2 效果与实践相控阵 U T 因能任意设定声束的发收角度 (精密设定在计算机软件中 ) , 故能精细地追踪检查部位 , 能提高检查可靠性 , 而且用一种探头架可应付多种直径的管道。对管道环焊缝使用相控阵 U T 法的实践结果表明 , 此法对缺陷的检测能力与普通 U T 法相同 , 但检测结果的重复性、检测速度、对焊缝几何尺寸变化的适应性及对管壁温度变化引起声特性变化的适应性等各方面 , 都有胜过
