一種相控陣腐蝕檢測(cè)方案的開發(fā)和應(yīng)用

姚立恒，余炎雄

(汕頭超聲儀器研究所有限公司，汕頭 515041)

我國(guó)對(duì)管道腐蝕檢測(cè)越來(lái)越重視，而作為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域重要監(jiān)測(cè)手段之一的超聲檢測(cè)常采用單探頭檢測(cè)方式。單探頭檢測(cè)因其自身設(shè)計(jì)而被限制在自發(fā)自收模式下，對(duì)被檢材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于發(fā)射脈沖會(huì)覆蓋接收信號(hào)，所以依賴近表面檢測(cè)的腐蝕檢測(cè)受到很大限制。在配合楔塊使用后，探頭產(chǎn)生的界面波和多次回波干擾疊加，但對(duì)于較大厚度的檢測(cè)又是一個(gè)明顯的限制。對(duì)于上述問(wèn)題，在常規(guī)超聲檢測(cè)中，一個(gè)常見(jiàn)的解決方案就是使用雙晶探頭[1]。因此，在相控陣探頭中也可引入類似的技術(shù)，并與相控陣技術(shù)相結(jié)合[2]，構(gòu)造出更適合檢測(cè)用的新模式相控陣探頭，這就產(chǎn)生了雙晶相控陣探頭。其中，探頭沿陣列的方向進(jìn)行電子聚焦或線掃描等(見(jiàn)圖1)， 最有效的組合方式是兩個(gè)探頭沿陣列方向平行組合(見(jiàn)圖2)，兩組陣列之間形成一定夾角，從而形成一定的聚焦，形成了雙晶線陣腐蝕檢測(cè)相控陣探頭。

圖1 單晶探頭的陣列聚焦示意

圖2 雙晶探頭的陣列聚焦示意

1 設(shè)計(jì)方案

雙晶分體式探頭的設(shè)計(jì)以及一體式探頭的設(shè)計(jì)如圖3，4所示。

圖3 分體式結(jié)構(gòu)的探頭實(shí)物

圖4 一體式結(jié)構(gòu)的探頭實(shí)物

從圖3,4可以明顯看出兩種設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。首先,分體式探頭的楔塊是可更換的，大大降低了后期的使用成本，同時(shí)由于楔塊的屋頂角(Roof Angle)決定了兩個(gè)陣列之間的聚焦情況，所以可更換的楔塊結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了聚焦深度可變的便利，同時(shí)可便于為各種管道和曲面耦合設(shè)計(jì)專用的匹配楔塊，使用適應(yīng)性更好。其缺點(diǎn)也很明顯，兩個(gè)陣列的楔塊需要獨(dú)立裝配，使用麻煩，且需在使用過(guò)程中注意耦合狀態(tài)，外形結(jié)構(gòu)尺寸更大，而且兩個(gè)陣列需要獨(dú)立的引線。

一體式探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)則幾乎與分體式的相反，楔塊為內(nèi)嵌式，不需要另行裝配，且沒(méi)有耦合和裝配的問(wèn)題；得益于內(nèi)嵌楔塊，其外形尺寸上也縮減很多，且只需要一條共用的電纜線；另外，內(nèi)嵌楔塊屋頂角的設(shè)計(jì)固化會(huì)造成超聲聚焦及聲場(chǎng)形態(tài)上的固化，也便于主機(jī)進(jìn)行軟件上的優(yōu)化，改善成像效果。缺點(diǎn)就是楔塊不可更換，且會(huì)隨探頭使用而磨損(結(jié)構(gòu)上為此進(jìn)行了特別的保護(hù)，盡量增加了耐磨性，以延長(zhǎng)使用壽命)，對(duì)于管道和曲面的耦合，只能通過(guò)特殊的輔助部件改善耦合，無(wú)法完全匹配。

一體式的結(jié)構(gòu)雖然有一些固有的問(wèn)題，但由于其在使用上能帶來(lái)相當(dāng)大的便利性，而且也便于系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，故有比較高的市場(chǎng)接受度。Olympus和GE均推出了相應(yīng)的產(chǎn)品，并作為一種通用產(chǎn)品向市場(chǎng)推廣。筆者公司開發(fā)了一套基于國(guó)產(chǎn)相控陣探頭，配合國(guó)產(chǎn)相控陣設(shè)備，針對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和需求的專用軟件的腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是建立多個(gè)頻率和規(guī)格的探頭，并通過(guò)與主機(jī)系統(tǒng)和軟件配合后，測(cè)試各個(gè)厚度板材試塊的底波、平底孔和橫通孔回波等，確保其在目標(biāo)檢測(cè)厚度內(nèi)的穿透力和分辨力。

2 探頭參數(shù)

設(shè)計(jì)制作的一體式雙晶線陣相控陣探頭包括5.0 MHz和7.5 MHz兩個(gè)規(guī)格，型號(hào)分別是5.0DL32-1.3-4.8-F8E和7.5DL32-1.3-4.8-F8E，兩個(gè)探頭除中心頻率不一樣外，其他參數(shù)一樣，具體如下：探頭由兩個(gè)線陣組成，每個(gè)線陣有32個(gè)陣元，整個(gè)探頭總共64個(gè)陣元，陣列內(nèi)陣元的中心距為1.3 mm，被動(dòng)孔徑為4.8 mm。設(shè)計(jì)參數(shù)上綜合考慮了探頭的發(fā)射接收性能和相控陣的指向性需求[3]。屋頂角約為12°，兩個(gè)陣列在碳鋼中(聲速按5 920 m·s-1計(jì)算)的理論焦距為8 mm。探頭內(nèi)嵌楔塊，采用全不銹鋼外殼和防水結(jié)構(gòu)，同時(shí)接觸面兩側(cè)可以裝配防磨部件，以增加使用壽命。另外，探頭上還可以方便地裝配各種曲面耦合裝置、注水結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)易編碼器等，同時(shí)還能配合掃查架進(jìn)行使用。探頭可以搭配筆者單位的Syncscan相控陣系統(tǒng)使用，系統(tǒng)上為此探頭進(jìn)行了專門的優(yōu)化，同時(shí)還有配套的專用腐蝕檢測(cè)軟件，可以更便捷和專業(yè)地應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，探頭的聲耦合設(shè)計(jì)按照楔塊的材料進(jìn)行了最優(yōu)化調(diào)整，配合低衰減的楔塊材料，達(dá)到更高的靈敏度和更寬的相對(duì)帶寬的設(shè)計(jì)效果。根據(jù)探頭的聲學(xué)性能測(cè)試，-6 dB相對(duì)帶寬接近80%。在兩個(gè)陣列之間，同時(shí)考慮了電隔離和聲隔離，使得探頭可以獲得更好的信噪比。電匹配方面，探頭也與筆者單位的Syncscan相控陣儀器達(dá)到了最優(yōu)匹配。如果有其他系統(tǒng)的需求，通過(guò)改裝可使該探頭與其他系統(tǒng)匹配，并提供必要的參數(shù)供用戶進(jìn)行配機(jī)調(diào)節(jié)。

3 配機(jī)檢測(cè)

3.1 測(cè)試使用的器材

器材包括Syncscan儀器1臺(tái);5.0DL32-1.3-4.8-F8E-P-110-3.0-T1 探頭1個(gè);GB 11344-2008《無(wú)損檢測(cè) 接觸式超聲脈沖回波法測(cè)厚方法》 階梯測(cè)厚試塊1套;厚12 mm的試板2塊(分別帶上下表面平底孔)；帶橫通孔試件1塊;壓塊1塊。

3.2 檢測(cè)階梯試塊回波

用5.0DL32-1.3-4.8-F8E-P-110-3.0-T1探頭在階梯測(cè)厚試塊的不同厚度上進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試了120 mm厚度的底部回波。雙晶探頭聲束匯聚區(qū)是菱形的，某個(gè)深度的反射波會(huì)最高。測(cè)試目的是找到該最高波，并把階梯試塊其他厚度所得底波(非最高波處)和界面回波與最高波進(jìn)行波高比較，以此評(píng)價(jià)雙晶探頭的聚焦特性。把所有反射體縱波的一次底波統(tǒng)一為自動(dòng)增益值滿屏的80%，記錄此時(shí)增益，同一屏高(80%)時(shí)，增益越小，原波高越大。根據(jù)探頭設(shè)計(jì)焦距，選取試塊幾個(gè)比較有對(duì)比意義的厚度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試圖像如圖510所示。

圖5 階梯試塊6 mm處底波

圖6 階梯試塊8 mm處底波

圖7 階梯試塊10 mm處底波

圖8 階梯試塊12 mm處底波

圖9 階梯試塊15 mm處底波

圖10 階梯試塊20 mm處底波

試驗(yàn)探頭標(biāo)稱焦距為8 mm，實(shí)測(cè)在810 mm厚階梯試塊上得到最高波，8 mm厚度以下為上擴(kuò)散聲束形成的菱形上部分，10 mm厚度以上為下擴(kuò)散聲束形成的菱形下部分。

3.3 檢測(cè)不同深度橫通孔

檢測(cè)近表面橫通孔時(shí)，選取與上表面的距離分別為1，2，3，5 mm的4個(gè)φ1 mm橫通孔進(jìn)行測(cè)試，該試驗(yàn)主要用于檢測(cè)探頭近表面的水平方向缺陷的分辨能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1114所示。

圖11 距表面1 mm的橫通孔回波

圖12 距表面2 mm的橫通孔回波

圖13 距表面3 mm的橫通孔回波

圖14 距表面5 mm的橫通孔回波

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，距表面1 mm的橫通孔可以檢出，在A型圖像中，回波非常清晰。

3.4 檢測(cè)近表面平底孔

以試板中4個(gè)φ3 mm平底孔進(jìn)行測(cè)試，孔的頂端與上表面的距離分別為0.5,1,2,3 mm，該試驗(yàn)主要用于檢測(cè)探頭對(duì)近表面厚度方向點(diǎn)腐蝕的分辨能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1518所示。

圖15 距表面0.5 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖16 距表面1 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖17 距表面2 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖18 距表面3 mm的φ 3 mm平底孔回波

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，距表面0.5 mm的φ3 mm橫通孔可以檢出，但信噪比相對(duì)較差，距離為1 mm以上的φ3 mm橫通孔平底孔回波信噪比很好。

3.5 檢測(cè)接近底面平底孔

以試板中4個(gè)φ2 mm平底孔進(jìn)行測(cè)試，孔的頂端與底面的距離分別為0.5,1,2,3 mm，該試驗(yàn)主要用于檢測(cè)探頭對(duì)接近底部的強(qiáng)底波回聲下點(diǎn)腐蝕的分辨能力，試驗(yàn)結(jié)果如圖1922所示。

圖19 距底面0.5 mm的φ 2 mm平底孔回波

距底面0.5 mm的φ2 mm平底孔處，B視圖中只有底波中斷，未見(jiàn)平底孔反射面的回波。距底面1 mm的φ2 mm平底孔處，平直的底波上開始出現(xiàn)小凸點(diǎn)，即為底面1 mm平底孔回波,而距底面1 mm以上的平底孔回波明顯(與底波很好分辨)。

圖20 距底面1 mm的φ 2 mm平底孔回波

圖21 距底面2 mm的φ 2 mm平底孔回波

4 結(jié)語(yǔ)

從以上實(shí)際配機(jī)的檢測(cè)圖像可知，開發(fā)的這套檢測(cè)方案達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)該相控陣解決方案的開發(fā)以及軟硬件結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新系統(tǒng)對(duì)薄板以及薄板中的各種淺表面和近底面的缺陷都有很好的分辨力，很適合腐蝕檢測(cè)。如對(duì)此方案繼續(xù)延伸和擴(kuò)展，可適應(yīng)更多不同的性能使用要求；同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的各種需求，配套適用的應(yīng)用軟件以及各種配附件，系統(tǒng)能夠更好地滿足國(guó)內(nèi)工業(yè)環(huán)境中的多種檢測(cè)需求。

圖22 距底面3 mm的φ 2 mm平底孔回波