管道內(nèi)壁裂紋的相控陣超聲檢測

張炳奇，孫 旭，楊 堅，侯興隆,寧玉恒

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，長春 130012)

隨著國內(nèi)火電機組服役時間的不斷增加、機組頻繁啟停與深度調(diào)峰，高溫管道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋的趨勢不斷加劇，對管道內(nèi)壁裂紋缺陷的有效檢測和定量就顯得尤為必要。目前針對管道內(nèi)壁開口缺陷的檢測方法主要有常規(guī)超聲端點衍射法[1]、超聲波衍射時差法(TOFD)、爬波法、絕對聲時法(AATT)和相控陣超聲檢測法等。常規(guī)超聲端點衍射法對高度不小于4 mm的內(nèi)壁開口缺陷定量效果較好，對高度小于4 mm的開口缺陷的檢測效果較差[2]；TOFD技術(shù)利用A掃信號雖然可以區(qū)分高度為1 mm的開口缺陷，但無法對結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位進行檢測；爬波法能發(fā)現(xiàn)工件上深為0.5 mm的微小裂紋缺陷，但無法將探頭放置內(nèi)壁對在役管道進行檢測[3]；絕對聲時法能精確測量高度大于2 mm的裂紋缺陷[4]，但裂紋小于2 mm時誤差較大；相控陣超聲檢測法可通過扇形掃查高清成像功能對管道內(nèi)壁裂紋缺陷進行有效檢測[5]，但目前對于內(nèi)壁微小裂紋的檢測及端點衍射法測定內(nèi)壁裂紋高度的研究還不夠全面。筆者利用超聲檢測端角反射和端點衍射原理，使用相控陣超聲技術(shù)進行檢測試驗，并對試驗結(jié)果進行了分析。

1 檢測原理

1.1 端角反射法測定原理

當超聲檢測橫波聲束以35°～55°入射至兩個平面構(gòu)成的直角時，將發(fā)生反射率為100%的端角反射。在管道內(nèi)壁裂紋檢測過程中，當檢測所用探頭聲束折射角α(等于聲束入射角β)為35°～55°時，裂紋和管道內(nèi)壁構(gòu)成端角反射條件，入射聲束在厚度為t的管道內(nèi)壁開口裂紋處發(fā)生端角反射，反射率為100%。超聲檢測管道內(nèi)壁裂紋缺陷聲束示意如圖1所示，探頭管道內(nèi)壁與B1C1端角的反射波，可視為由A2發(fā)出的入射波通過B1C1投影于聲束軸線法面的面積的反射波。當聲束入射角為β時，B1C1的長度即為缺陷深度H，裂紋長度為L，B1C1投影于聲束軸線法面的面積Fs=HL/sinβ，探頭收到的回波聲壓PB為

(1)

式中：P0為探頭波源的起始聲壓；λ為波長；x為B1C1至探頭聲源距離。

圖1 超聲檢測管道內(nèi)壁裂紋缺陷聲束示意

由此可知，表面開口缺陷回波聲壓PB與缺陷深度H成正比，即管道內(nèi)壁裂紋高度與反射波高成正相關(guān)。

當檢測換能器晶片尺寸為a×b(長×寬),頻率為2.5 MHz，聲速為3 230 m·s-1時，換能器長度方向的半擴散角θ為

(2)

由圖1可知，當入射聲束下邊界反射至內(nèi)壁裂紋上端點，上邊界入射至內(nèi)壁裂紋開口處，即C,C1和O點重合時，有

LDE=LAO×sinθ=

(3)

式中：LDE與LAO分別為DE與AO的長度(其他類似表示含義依此類推)。

當a=10 mm時，θ≈3.682°，此時

LOE≈LDE，LB1C1=LB1O=

(4)

當t=20 mm,入射角為45°時，可得出LB1O=5.46 mm,由此可知，對于固定厚度為t的管道，內(nèi)壁裂紋高度LB1O只與探頭參數(shù)相關(guān)，LB1O為給定檢測系統(tǒng)下特定厚度管道端角反射法可測定的最大裂紋高度，當裂紋高度大于LB1O時，回波聲壓不再隨之變化。

1.2 端點衍射法測定原理

圖2 管道內(nèi)壁缺陷端點衍射法測量原理示意

管道內(nèi)壁缺陷端點衍射法測量原理示意如圖2所示。由惠更斯-菲涅爾原理可知，當超聲入射波波陣面到達管道內(nèi)壁開口缺陷上端點B1時，在B1點會產(chǎn)生衍射波，可利用相控陣扇形掃查高清成像技術(shù)采集B點端角反射信號和B1點端點衍射信號，測定缺陷BB1的高度。當表面開口缺陷高度較小時，缺陷B點的端角反射信號與B1點端點衍射信號難以區(qū)分，因此端點衍射法只能測定一定高度的管道內(nèi)壁裂紋缺陷。

2 試驗驗證

2.1 試驗儀器及試塊

試驗選用PHASCAN型相控陣檢測儀，選用5L32-0.5×10-D2-T1型線陣探頭和SD2-N55S-IHC型平面楔塊，選用帶有不同深度人工裂紋缺陷的對比試塊進行靈敏度調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集，對比試塊規(guī)格為521 mmX20 mm(直徑×壁厚),對比試塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，人工缺陷參數(shù)如表1所示。

圖3 內(nèi)壁帶有不同深度人工裂紋缺陷的對比試塊結(jié)構(gòu)示意

表1 人工缺陷參數(shù)

2.2 端角反射法測定管道內(nèi)壁裂紋

選用圖3所示的對比試塊，分別將對比試塊中不同深度缺陷在相控陣扇形掃查45°聲束附近(35°～55°聲束范圍內(nèi)某一入射角)的最高反射回波調(diào)至滿屏的80%時的增益作為檢測靈敏度，測定對比試塊中不同缺陷在45°聲束附近的反射回波高度，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同人工缺陷反射回波增益80%時測定的缺陷反射波高數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

由于所用相控陣儀器讀取反射波高上限為200%，當缺陷一以最高反射回波調(diào)至滿屏80%作為檢測靈敏度時，缺陷一的反射波高曲線提前出現(xiàn)非線性關(guān)系，這是由于對于深度小于4 mm的人工缺陷，反射回波已達到200%，曲線后期提前趨于水平。

由圖4可知，當人工裂紋缺陷深度不大于4 mm時，人工裂紋缺陷的反射回波高度與裂紋深度成正比，檢測靈敏度不影響這種關(guān)系；當人工裂紋缺陷深度大于4 mm時，裂紋缺陷反射波高不再隨裂紋深度變化而變化。這種關(guān)系同1.1節(jié)端角反射法測定原理的計算結(jié)果一致。

2.3 端點衍射法測定管道內(nèi)壁裂紋

采用相控陣超聲檢測進行扇形掃查，在40°～50°聲束角度內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集，以圖3所示對比試塊中缺陷一反射回波增益的50%～90%中的某一值作為檢測靈敏度，以檢測靈敏度增益15 dB作為裂紋端點衍射信號測定靈敏度，試驗過程中通過改變聲束角度，測定對比試塊人工缺陷的最高回波，通過測定人工缺陷反射信號和端點衍射信號的深度差得出缺陷高度。

圖5 端點衍射法對對比試塊中缺陷一高度的檢測結(jié)果

圖6 端點衍射法對對比試塊缺陷二高度的檢測結(jié)果

圖7 端點衍射法對對比試塊中缺陷三高度的檢測結(jié)果

對比試塊中缺陷一、缺陷二、缺陷三使用相控陣端點衍射法測定的內(nèi)壁裂紋檢測結(jié)果如圖57所示。

由圖57可知：20 mm厚對比試塊中，缺陷一上端點衍射信號和缺陷反射信號相互重疊嚴重，無法分辨和測量；缺陷二端點衍射信號和缺陷反射信號可以分辨和測量，測定的高度為1.8 mm；缺陷三端點衍射信號和反射信號分離明顯，測定高度為2.9 mm。

采用相控陣端點衍射法對20 mm厚對比試塊人工缺陷進行多次數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

由表2可知,對于20 mm厚對比試塊，當內(nèi)壁開口缺陷自身高度為1 mm時，端點衍射法無法測定缺陷自身高度；當缺陷高度不小于2 mm時，端點衍射法可以測定管道內(nèi)壁開口缺陷自身高度，并且誤差小于0.5 mm。

表2 端點衍射法測定的內(nèi)壁開口缺陷數(shù)據(jù) mm

參照圖3所示對比試塊結(jié)構(gòu)和表1所示缺陷參數(shù)，制作75 mm厚對比試塊并采集其中缺陷數(shù)據(jù)，缺陷一、缺陷二、缺陷三相控陣檢測結(jié)果如圖810所示。

圖8 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷一高度的檢測結(jié)果

由圖810可知,對于75 mm厚對比試塊，缺陷一上端點衍射信號和缺陷反射信號完全重疊，無法分辨和測量；缺陷二端點衍射信號和缺陷反射信號部分相互重疊，可以分辨,但不能測量；缺陷三端點衍射信號和反射信號相互分離，測定缺陷高度為3.1 mm。

圖9 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷二高度的檢測結(jié)果

圖10 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷三高度的檢測結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 管道內(nèi)壁裂紋缺陷回波聲壓與缺陷高度成正比，即管道內(nèi)壁裂紋缺陷高度與檢測反射波高成正相關(guān)；當檢測管道厚度一定時，內(nèi)壁裂紋缺陷的回波聲壓存在最大值，之后缺陷反射回波聲壓不再隨裂紋缺陷高度增加而變化。

(2) 采用相控陣端角反射法測定20 mm厚管道內(nèi)壁裂紋缺陷，當裂紋缺陷深度不大于4 mm時，裂紋缺陷反射回波高度與裂紋高度成正比，檢測靈敏度不影響這種關(guān)系；當裂紋缺陷高度大于4 mm時，裂紋缺陷反射波高不再隨裂紋高度變化而變化。

(3) 相控陣端點衍射法能實現(xiàn)20 mm厚管道內(nèi)壁高度不小于2 mm裂紋缺陷的定量檢測，并且誤差小于0.5 mm；隨著管道厚度的增加，端點衍射法所能測定的管道內(nèi)壁最小裂紋缺陷高度增大。