超聲波相控陣檢測技術(shù)在承壓特種設(shè)備焊縫檢驗中的應(yīng)用探討

陳楊新

（江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院南昌分院，江西 南昌 330006）

傳統(tǒng)的檢測技術(shù)在準確性方面存在一定不足，其應(yīng)用價值逐漸低落，被超聲波相控陣檢測技術(shù)取代已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢。將該技術(shù)應(yīng)用于承壓特種設(shè)備焊縫檢驗并充分發(fā)揮其優(yōu)勢，可以實現(xiàn)焊縫全覆蓋檢測，有利于及時發(fā)現(xiàn)焊縫中存在的各種內(nèi)部缺陷，對增強檢驗結(jié)果準確性、切實提高檢測質(zhì)量具有積極影響。

1 超聲波相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用原理與優(yōu)點

1.1 含義與原理

超聲波相控陣檢測技術(shù)的思想來源是雷達電磁波相控陣技術(shù)，后者通過控制排成陣列的輻射單元相位與幅度調(diào)整電磁波輻射方向，以此實現(xiàn)快速聚焦掃描的目的。與此相似，超聲波相控陣檢測技術(shù)利用單一晶片探頭激發(fā)超聲波，由于超聲波在同一傳播方向上角度不變，所以在應(yīng)用該技術(shù)開展檢驗工作時，應(yīng)注意角度的調(diào)整，避免出現(xiàn)漏檢問題。

1.2 優(yōu)點與特征

經(jīng)過試驗證明，超聲波相控陣檢測技術(shù)的特征表現(xiàn)為波束偏轉(zhuǎn)與波束聚焦兩方面，圖1左側(cè)表示波束偏轉(zhuǎn)，右側(cè)代表波束聚焦。其應(yīng)用優(yōu)勢主要包括以下幾點：第一，生成的波束角度與聚焦深度具有可控性；第二，能夠?qū)娜轿?、多角度對設(shè)備進行高速檢測；第三，在檢驗過程中既不需要移動和更換探頭，也不必采用復(fù)雜裝置；第四，控制聚焦范圍與波束方向的能力比較強，有利于提高缺陷檢出率，降低設(shè)備故障發(fā)生率。

圖1 超聲波相控陣檢測技術(shù)特征表現(xiàn)

2 超聲波相控陣檢測技術(shù)在承壓特種設(shè)備焊縫檢驗中的應(yīng)用

2.1 科學(xué)選擇探頭

超聲波相控陣檢測技術(shù)對探頭質(zhì)量要求較高，因此為了確保該技術(shù)在承壓特種設(shè)備焊縫檢驗中充分發(fā)揮自身功能優(yōu)勢，必須科學(xué)選擇探頭。首先，需要對探頭的晶片陣列進行選擇，目前應(yīng)用價值比較高的陣列主要有線性、矩形、環(huán)形等幾種，其中使用范圍最廣的是線性陣列。其次，確定并調(diào)整探頭頻率，頻率越高，探頭的靈敏度越高、分辨力越強，檢驗結(jié)果越真實，但在實際使用過程中需要根據(jù)焊縫所處設(shè)備的材質(zhì)確定頻率，具體可參考：晶粒細的碳鋼頻率范圍是2.5～5（MHz），晶粒粗的不銹鋼焊縫頻率區(qū)間為1～2.5（MHz）[1]。最后，保證探頭尺寸的合理性，對于壁厚焊縫，可以選擇尺寸較大的探頭，原因是其包含的晶片數(shù)量較多，能夠利用聚焦法則一次性激發(fā)多組功能不同的波束，焊縫檢驗的覆蓋范圍比較廣；對于壁薄且不平整的焊縫，為了突破空間與形狀的限制，應(yīng)選擇尺寸相對較小的探頭。

2.2 應(yīng)用聲束模擬軟件檢測

特種設(shè)備焊縫檢驗區(qū)域主要包括焊縫內(nèi)部、鄰近區(qū)域、熱影響區(qū)，為了保證超聲波相控陣檢測技術(shù)發(fā)出的波束有效覆蓋所有被檢區(qū)域，應(yīng)采用聲束模擬軟件對波束傳播進行模擬，以此實現(xiàn)提高超聲波相控陣檢測質(zhì)量的目的。Setup Builder聲束模擬是目前應(yīng)用性較強的一款軟件，以理論聲學(xué)公式為基礎(chǔ)，對不同型號換能器在不同環(huán)境與工藝條件下產(chǎn)生的波束進行計算，為檢驗工作提供參數(shù)支持，充分發(fā)揮該軟件的作用，對改善波束信噪比與增強穿透力具有重要意義。

2.3 結(jié)合實際情況采用不同掃查法

在應(yīng)用超聲波相控陣檢測技術(shù)對特種設(shè)備焊縫進行檢驗時，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇掃查法?，F(xiàn)階段比較常用的掃查法主要是分區(qū)掃查與線性掃查：第一，分區(qū)掃查法是指將焊縫分為若干分區(qū)，對每個分區(qū)的高度進行控制，針對每個分區(qū)安排一組超聲波波束，基于焊縫坡口角度確定波束檢測角度，以此完成焊縫檢驗工作；為了確保分區(qū)掃查效果，通常會采用專用校準試塊進行控制，根據(jù)不同材質(zhì)、不同直徑、不同壁厚的特種設(shè)備選擇針對性較強的試塊，為提高焊縫檢驗工作質(zhì)量提供支持[2]。第二，線性掃查是指沿著特種設(shè)備焊縫做直線運動，在應(yīng)用線性掃查法時，超聲波波束的主要面向?qū)ο蟮恼麄€焊縫被檢區(qū)域，相較于傳統(tǒng)的鋸齒形掃查法，線性掃查法覆蓋的區(qū)域更廣；另外，該掃查法需要利用多個探頭進行焊縫檢驗，但因為運動方向單一且操作方式簡單，因而可以將其與自動化技術(shù)相結(jié)合，如此既能提高超聲波相控陣檢測效率，又能優(yōu)化人力資源配置，對減少人為操作失誤、規(guī)避漏檢現(xiàn)象具有積極影響。

2.4 基于實際確定工藝參數(shù)

為了提高超聲波相控陣檢測效果，檢測人員在正式開展相關(guān)工作之前需要先綜合分析實際情況，并基于此確定參數(shù)，目前對檢測結(jié)果影響性較強的參數(shù)主要有波束類型、波束角度、激發(fā)的晶片數(shù)量、探頭偏移、聚焦范圍等。若想保證確定的工藝參數(shù)符合超聲波相控陣功能充分發(fā)揮要求，檢測人員還需要遵循以下基本原則：波束覆蓋范圍必須概括熱影響區(qū)、檢測區(qū)，以及除此之外的6mm區(qū)；利用經(jīng)儀器對初步設(shè)置好的參數(shù)進行調(diào)校，確?？梢猿晒νㄟ^認證試塊認證；符合超聲波相控陣檢測標注規(guī)范中提出的其他要求。

檢測人員在確定工藝參數(shù)時，可以借鑒以下方法降低影響因素的限制：第一，波束類型，面對晶粒相對較粗且材質(zhì)為不銹鋼的承壓特種設(shè)備焊縫檢測，檢測人員需要采用縱波角度入射法，相較于傳統(tǒng)橫波波束的一次反射法，能夠有效解決衰減嚴重、信噪比差等問題。第二，波束角度，在選定該角度范圍時，檢測人員要充分考慮承壓特種設(shè)備焊縫尺寸等實際情況，基于此科學(xué)選擇楔塊，主要原因是波束角度一般在廠家推薦的楔塊閾值內(nèi)，為了保證檢測效果，應(yīng)盡量擴大波束范圍，尤其是壁厚相對較大的焊縫，若是波束范圍過小，便無法全面覆蓋被檢區(qū)域，會減弱檢測結(jié)果的真實性。第三，激發(fā)的晶片數(shù)量與位置對檢測結(jié)果影響性較大，被激發(fā)的晶片數(shù)量越多且位置正確，有效晶片的尺寸就會越大，極大程度上增強了發(fā)現(xiàn)遠距離缺陷的能力，對擴大可聚焦范圍、提高檢測質(zhì)量具有積極影響；正常條件下，晶片數(shù)量以16為最佳，其他情況可以根據(jù)壁厚、聲波衰減系數(shù)適當增加或減少[3]。第四，探頭偏移是指承壓特種設(shè)備焊縫中心與探頭前沿的距離，當焊縫存在余高時，必須保證探頭偏移足夠，這是避免因探頭前沿壓在焊縫余高上使其無法耦合的關(guān)鍵，對此檢測人員要在保證覆蓋被檢區(qū)域的前提下，對探頭偏移進行調(diào)節(jié)，促使被激發(fā)的晶片始終處于探頭中間位置。第五，聚焦范圍，超聲波相控陣與常規(guī)超聲波的不同之處在于前者可以實現(xiàn)波束的動態(tài)聚焦，當聚焦區(qū)域內(nèi)的超聲波能量較強時，檢測設(shè)備的靈敏度與分辨力相對較高，因此針對尺寸較小的尺寸，檢測人員要將聚焦范圍設(shè)置在焊縫中間；對于某區(qū)域的特定缺陷，聚焦范圍應(yīng)集中于一點；面對壁厚逐漸增加的現(xiàn)象，可以先將焊縫劃分為不同區(qū)域，再分別采用不同波束進行聚焦檢測。

3 結(jié)束語

綜上所述，超聲波相控陣檢測技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備進行全方位、多角度的高速檢測，在控制聚焦范圍、調(diào)整波束方向、檢測缺陷等方面具有良好作用。因此為了確保該技術(shù)優(yōu)勢在特種設(shè)備焊縫檢驗充分發(fā)揮，必須科學(xué)選擇探頭、合理應(yīng)用聲束模擬軟件并基于實際情況選擇掃查法，以此彌補傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足。