摘要：全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是在斷裂力學(xué)(ECA)的基礎(chǔ)上，采用區(qū)域劃分法,將焊縫分成垂直方向上的若干個(gè)區(qū)，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對(duì)其進(jìn)行分區(qū)掃查。檢測(cè)結(jié)果以雙門帶狀圖的形式顯示，在輔以TOFD(衍射時(shí)差法)和Ｂ掃描功能，對(duì)焊縫進(jìn)行分析、判斷。全自動(dòng)相控陣超聲儀在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于管道環(huán)焊縫的檢測(cè)。
主題詞：全自動(dòng)超聲波 區(qū)域劃分法 相控陣 帶狀顯示 TOFD
全自動(dòng)超聲波在國(guó)外已被大量應(yīng)用于長(zhǎng)輸管線的環(huán)焊縫檢測(cè),且越來(lái)越成為一種趨勢(shì)。與傳統(tǒng)手動(dòng)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)相比，其在檢測(cè)速度、缺陷定量準(zhǔn)確性、減少環(huán)境污染、降低作業(yè)強(qiáng)度等方面有著明顯的優(yōu)越。加拿大R/D Tech公司生產(chǎn)的Pipe WIZARD相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是專用于長(zhǎng)輸管線環(huán)焊縫的檢測(cè)設(shè)備。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)生單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、相控陣探頭、工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器等組成。系統(tǒng)在Windows NT界面下運(yùn)行Pipe WIZARD操作軟件，完成對(duì)焊縫的線性掃查、實(shí)時(shí)顯示、結(jié)果評(píng)判。對(duì)其基本原理，筆者根據(jù)自己在實(shí)際工作中的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)在此作一簡(jiǎn)單介紹。
本文使用的焊縫參數(shù)如下。坡口形式CRC；壁厚Ｔ＝16.4mm；焊接方法：全自動(dòng)焊接。
一、基本原理
1．區(qū)域劃分法
采用全自動(dòng)超聲檢測(cè)的關(guān)鍵是“區(qū)域劃分法”。根據(jù)壁厚、坡口形式、填充次數(shù)將焊縫分成幾個(gè)垂直的區(qū)。每個(gè)分區(qū)的高度一般為1－3mm，每個(gè)區(qū)都由一組獨(dú)立的晶片進(jìn)行掃查（這種分區(qū)的掃查被稱為Ａ掃）。檢測(cè)主聲束的角度按照主要缺陷的方向來(lái)設(shè)定（在自動(dòng)焊中主要是未熔合，即將波束盡量垂直于熔合線）。Ａ掃采用聚焦聲束進(jìn)行掃查，焦點(diǎn)尺寸一般為2mm或更小。它們可以有效的檢測(cè)各自的區(qū)域，而且臨近區(qū)域反射體上的重疊*小。每個(gè)分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個(gè)通道，其檢測(cè)結(jié)果在帶狀圖上以相對(duì)應(yīng)的通道顯示出。圖1.1為CRC坡口、壁厚為14.6mm焊縫的區(qū)域劃分圖。從根部依次為：根焊區(qū)、鈍邊區(qū)（LCP）、熱焊1區(qū)、熱焊2區(qū)、熱焊3區(qū)、填充1區(qū)、填區(qū)2區(qū)、填充3區(qū)。
2.25
2.3
14.6mm 2.3
1.8
45o 1.7
1.7
1.05
1.5
圖1.1 區(qū)域劃分示意圖
檢測(cè)角度的配置原則（β角的配置）。根焊采用一次波法，聲束垂直于根部熔合線，β角為52.5度；鈍邊可用一次波探傷，采用70度角，也可用串列掃查，β角為50度。熱焊區(qū)采用二次波反射法，理論上應(yīng)為45度角，為避免覆蓋根焊可選用50度或55度。填充1和填充2采用串列掃查，選用40度β角（考慮到接收晶片*大角為70度）。填充3采用二次波反射法，β角為60度。圖1.2為掃查角度配置圖。
14o
53o 40o 50o 70o 60o
45o
37o
圖1.2 掃查角度配置圖
2．相控陣探頭
相控陣列是換能器晶片的組合，為確定不連續(xù)性的形狀。其大小和方向提供出比單個(gè)或多個(gè)換能器系統(tǒng)更大的能力。有三種主要陣列類型：線性、面狀和環(huán)行。在一個(gè)相控陣列中相位轉(zhuǎn)換是用電子系統(tǒng)控制，通過(guò)超聲發(fā)射器通向每個(gè)換能器。相控陣列除有效地控制超聲形狀和方向外，還實(shí)現(xiàn)和完善了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)聚焦和實(shí)時(shí)掃描。（參見(jiàn)《美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)》超聲卷“相控陣”）
Pipe WIZARD相控陣探頭采用線形陣列，容納晶片60個(gè)。晶片成間隔狀直線性分布在探頭中。通常使用兩個(gè)陣列探頭分布于焊縫兩側(cè)。它能產(chǎn)生上千種不同的超聲束，可配置40到70范圍的掃查角度（β角），以滿足分區(qū)掃查所需要的各種角度。圖2.1為動(dòng)態(tài)聚焦示意圖。
圖2.1 動(dòng)態(tài)聚焦示意圖
3. 標(biāo)準(zhǔn)試塊
校準(zhǔn)試塊用于調(diào)整掃查靈敏度，確定缺陷位置，校驗(yàn)儀器校準(zhǔn)準(zhǔn)確性。試塊根據(jù)分區(qū)掃查原理，針對(duì)自動(dòng)焊易出現(xiàn)的主要缺陷（主要指?jìng)?cè)壁未熔合），用標(biāo)準(zhǔn)孔或槽來(lái)代表。一般用垂直于融合線的φ2平底孔。根部可用方槽或與根部融合線吻合的三角槽來(lái)調(diào)節(jié)。如圖3.1所示。
圖3.1平底孔設(shè)置 圖3.2附加反射體設(shè)置
從鈍邊到填充3，每個(gè)區(qū)都設(shè)定一個(gè)φ2mm平底孔。有時(shí)在表面熔合線處設(shè)置方槽（長(zhǎng)10－20mm，寬2mm，深1mm），用于檢測(cè)焊趾線裂紋。根據(jù)檢測(cè)需要還可設(shè)置附加反射體（如圖3.2），用于B掃描調(diào)節(jié)。附加反射體位于焊縫中心線處，平底孔底面成水平45度。
4．門的設(shè)置
帶狀圖中的門包括時(shí)間和波幅門。時(shí)間門用來(lái)設(shè)定掃查范圍，濾掉指定區(qū)域以外的反射信號(hào)。通常由焊縫寬度和檢測(cè)缺陷的需要來(lái)設(shè)置。以坡口熔合線為中心，起點(diǎn)在熔合線外3mm左右（檢查熱影響區(qū)缺陷），終點(diǎn)至少過(guò)焊縫中心線1mm，保證覆蓋焊縫中心。如圖4.1。（可以根據(jù)需要任意設(shè)定門的起始位置和長(zhǎng)度）
波幅門的起點(diǎn)和終點(diǎn)與時(shí)間門相同。根部的波幅門比時(shí)間門短2-3mm,起點(diǎn)保持一致。門中波幅的高度設(shè)置在20％。帶狀圖以顏色塊來(lái)顯示時(shí)間門，以回波包絡(luò)線顯示波幅。調(diào)節(jié)通道時(shí)，基準(zhǔn)靈敏度被設(shè)置在80％，系統(tǒng)默認(rèn)波幅在20％以下時(shí)，時(shí)間門無(wú)色塊顯示；回波幅度在20％－40％時(shí)，時(shí)間門顯示綠色；波幅超過(guò)80％時(shí)，時(shí)間門變?yōu)榧t色塊，需要對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)、評(píng)定。
圖4.1 門的設(shè)置
5、雙門帶狀圖
完整的帶狀圖可以同時(shí)顯示整條焊縫的檢測(cè)結(jié)果。總體上看起來(lái)象把焊縫從中心線處切開(kāi)。TOFD通道位于屏幕中央（如圖4.1），整條焊縫被分為上游、下游，按照根焊、鈍邊、熱焊、填充層的順序依次排列在TOFD通道兩側(cè)。系統(tǒng)還可以按照需要很方便的添加其它通道，如蓋面B掃、根部B掃等。焊縫圓周尺寸顯示在左側(cè)，耦合監(jiān)測(cè)通道在右側(cè)。雙門帶狀圖并非傳統(tǒng)的A型顯示，其縱坐標(biāo)顯示時(shí)間門幅度（缺陷在焊縫中的橫向位置）和反射波包絡(luò)線幅度。橫坐標(biāo)表示探頭的掃查軌跡。從雙門帶狀圖上可以迅速讀出缺陷所處深度、橫向位置，反射波幅度，并對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)、評(píng)判。
圖5.1 雙門帶狀圖
6.TOFD原理
超聲波入射到線形缺陷時(shí)，在缺陷的兩端除普通的反射波外還會(huì)產(chǎn)生衍射波。衍射能量在很大角度范圍內(nèi)傳播并且假定它們都源于缺陷的端部。這與傳統(tǒng)的超聲波完全不同。傳統(tǒng)超聲波主要依靠從缺陷上反射的能量的大小來(lái)判斷缺陷。
圖6.1 TOFD原理
TOFD技術(shù)采用一發(fā)一收的方式。通常使用壓力探頭，主壓力波的反射角范圍是45o至70o。如圖6.1所示，發(fā)射探頭發(fā)射橫向縱波。沿表面?zhèn)鞑サ囊皇唤邮仗筋^接收，形成外壁正向信號(hào)波，它是區(qū)分和測(cè)量缺陷的參考。焊縫中的橫向縱波遇到缺陷后在缺陷**產(chǎn)生衍射波，形成負(fù)向信號(hào)波。同樣，缺陷下端也會(huì)產(chǎn)生衍射波，被接收探頭接收后形成正向信號(hào)波。發(fā)往內(nèi)壁的波束經(jīng)內(nèi)壁反射后被探頭接收，形成負(fù)向信號(hào)。
TOFD以B掃的形式顯示出來(lái)。這里的B掃與傳統(tǒng)意義上的B掃一致，它是試件的截面二維視圖，一個(gè)軸代表探頭的運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)軸代表外壁、內(nèi)壁和缺陷的深度。（如圖6.2）。TOFD目前在國(guó)際上并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)將它作為一項(xiàng)獨(dú)立的超聲波檢測(cè)手段，更多的是作為雙門帶狀圖的輔助工具，用于判別缺陷的真?zhèn)渭叭毕莞叨鹊臏y(cè)量。
圖6.2 TOFD顯示圖
TOFD技術(shù)的局限性：
1、入射表面附近存在盲區(qū)（在2mm左右）。
2、需要另外一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)來(lái)判定缺陷位于焊縫的哪一邊。
3、根部的缺陷易被內(nèi)壁信號(hào)所掩蓋。
全自動(dòng)相控陣超聲波系統(tǒng)是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)缺陷進(jìn)行定性、判定，由于采用了相控陳列、雙門帶狀圖、TOFD及大容量的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和分析系統(tǒng)，在檢測(cè)速度、檢測(cè)精度比傳統(tǒng)超聲波有著**性的提高?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)只需對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的線性掃查而無(wú)需來(lái)回移動(dòng)即可完成焊縫的檢測(cè)，整個(gè)掃查過(guò)程約需2分鐘（管徑φ1016mm）。
二、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖例
目前，西氣東輸管道工程已經(jīng)啟動(dòng)，該項(xiàng)工程計(jì)劃采用100%全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)和100%X射線檢測(cè)。這對(duì)于檢驗(yàn)全自動(dòng)相控陣超聲儀在環(huán)焊縫檢測(cè)中的可靠性、實(shí)用性，以及對(duì)提高國(guó)內(nèi)全自動(dòng)超聲波應(yīng)用水平和開(kāi)展技術(shù)研究是一項(xiàng)絕好的機(jī)會(huì)。以下列舉了相控陣在西氣東輸試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的幾個(gè)圖例。
（1） 柱孔圖例（見(jiàn)附頁(yè)）
（2）未熔合圖例（見(jiàn)附頁(yè)）
該系統(tǒng)在長(zhǎng)輸管道環(huán)焊縫檢測(cè)領(lǐng)域與傳統(tǒng)的手動(dòng)超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)。
三、結(jié)論
與傳統(tǒng)的手工藝超聲波探傷相比，相控陣具有以下的優(yōu)勢(shì)：
1、檢測(cè)速度快，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)只需對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的線性掃查而無(wú)需來(lái)回移動(dòng)即可完成全焊縫的檢測(cè)，從準(zhǔn)備到焊縫評(píng)定完畢，整個(gè)過(guò)程約需6分鐘。
2、缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高。
3、完全車載，作業(yè)強(qiáng)度小，無(wú)輻射無(wú)污物。
4、檢測(cè)結(jié)果直觀，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。在掃查的同時(shí)可對(duì)焊縫進(jìn)行分析、評(píng)判。也可打印、存盤，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的長(zhǎng)久性保存。避免X射線底片不易攜帶、不易保存的缺點(diǎn)。
5、可檢測(cè)射線無(wú)法穿透的壁厚。對(duì)管道環(huán)焊縫、球罐、儲(chǔ)罐等對(duì)接焊縫的檢測(cè)，效率高、效果好。
相控陣的局限性：
1、受客觀影響大，工件表面光滑度，焊縫工藝完整性，軌道安裝精度都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。
2、檢測(cè)不同壁厚，不同規(guī)格和材料的焊縫，需要不同的試塊來(lái)做校準(zhǔn)。
3、儀器調(diào)節(jié)過(guò)程復(fù)雜，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響大。
4、每個(gè)作業(yè)組至少需要4人。
5、對(duì)手工電弧焊的檢測(cè)效果低于自動(dòng)焊。
6、檢測(cè)對(duì)象有局限性。
