摘要：全自動相控陣超聲檢測系統(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區(qū)，再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對其進行分區(qū)掃查。檢測結(jié)果以雙門帶狀圖的形式顯示，在輔以TOFD(衍射時差法)和Ｂ掃描功能，對焊縫進行分析、判斷。全自動相控陣超聲儀在國外已被廣泛應(yīng)用于管道環(huán)焊縫的檢測。
主題詞：全自動超聲波 區(qū)域劃分法 相控陣 帶狀顯示 TOFD
全自動超聲波在國外已被大量應(yīng)用于長輸管線的環(huán)焊縫檢測,且越來越成為一種趨勢。與傳統(tǒng)手動超聲檢測和射線檢測相比，其在檢測速度、缺陷定量準確性、減少環(huán)境污染、降低作業(yè)強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相控陣超聲檢測系統(tǒng)是專用于長輸管線環(huán)焊縫的檢測設(shè)備。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、脈沖發(fā)生單元、電機驅(qū)動單元、相控陣探頭、工業(yè)計算機、顯示器等組成。系統(tǒng)在Windows NT界面下運行Pipe WIZARD操作軟件，完成對焊縫的線性掃查、實時顯示、結(jié)果評判。對其基本原理，筆者根據(jù)自己在實際工作中的體會和經(jīng)驗在此作一簡單介紹。
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：全自動焊接。
一、基本原理
1．區(qū)域劃分法
采用全自動超聲檢測的關(guān)鍵是“區(qū)域劃分法”。根據(jù)壁厚、坡口形式、填充次數(shù)將焊縫分成幾個垂直的區(qū)。每個分區(qū)的高度一般為1－3mm，每個區(qū)都由一組獨立的晶片進行掃查（這種分區(qū)的掃查被稱為Ａ掃）。檢測主聲束的角度按照主要缺陷的方向來設(shè)定（在自動焊中主要是未熔合，即將波束盡量垂直于熔合線）。Ａ掃采用聚焦聲束進行掃查，焦點尺寸一般為2mm或更小。它們可以有效的檢測各自的區(qū)域，而且臨近區(qū)域反射體上的重疊*小。每個分區(qū)以焊縫中心線為界，分為上游、下游兩個通道，其檢測結(jié)果在帶狀圖上以相對應(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或多個換能器系統(tǒng)更大的能力。有三種主要陣列類型：線性、面狀和環(huán)行。在一個相控陣列中相位轉(zhuǎn)換是用電子系統(tǒng)控制，通過超聲發(fā)射器通向每個換能器。相控陣列除有效地控制超聲形狀和方向外，還實現(xiàn)和完善了復(fù)雜的動態(tài)聚焦和實時掃描。（參見《美國無損檢測手冊》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。晶片成間隔狀直線性分布在探頭中。通常使用兩個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為動態(tài)聚焦示意圖。
圖2.1 動態(tài)聚焦示意圖
3. 標準試塊
校準試塊用于調(diào)整掃查靈敏度，確定缺陷位置，校驗儀器校準準確性。試塊根據(jù)分區(qū)掃查原理，針對自動焊易出現(xiàn)的主要缺陷（主要指側(cè)壁未熔合），用標準孔或槽來代表。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，每個區(qū)都設(shè)定一個φ2mm平底孔。有時在表面熔合線處設(shè)置方槽（長10－20mm，寬2mm，深1mm），用于檢測焊趾線裂紋。根據(jù)檢測需要還可設(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間和波幅門。時間門用來設(shè)定掃查范圍，濾掉指定區(qū)域以外的反射信號。通常由焊縫寬度和檢測缺陷的需要來設(shè)置。以坡口熔合線為中心，起點在熔合線外3mm左右（檢查熱影響區(qū)缺陷），終點至少過焊縫中心線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度）
波幅門的起點和終點與時間門相同。根部的波幅門比時間門短2-3mm,起點保持一致。門中波幅的高度設(shè)置在20％。帶狀圖以顏色塊來顯示時間門，以回波包絡(luò)線顯示波幅。調(diào)節(jié)通道時，基準靈敏度被設(shè)置在80％，系統(tǒng)默認波幅在20％以下時，時間門無色塊顯示；回波幅度在20％－40％時，時間門顯示綠色；波幅超過80％時，時間門變?yōu)榧t色塊，需要對缺陷進行測長、評定。
圖4.1 門的設(shè)置
5、雙門帶狀圖
完整的帶狀圖可以同時顯示整條焊縫的檢測結(jié)果?？傮w上看起來象把焊縫從中心線處切開。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，其縱坐標顯示時間門幅度（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，并對缺陷進行測長、評判。
圖5.1 雙門帶狀圖
6.TOFD原理
超聲波入射到線形缺陷時，在缺陷的兩端除普通的反射波外還會產(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，形成外壁正向信號波，它是區(qū)分和測量缺陷的參考。焊縫中的橫向縱波遇到缺陷后在缺陷**產(chǎn)生衍射波，形成負向信號波。同樣，缺陷下端也會產(chǎn)生衍射波，被接收探頭接收后形成正向信號波。發(fā)往內(nèi)壁的波束經(jīng)內(nèi)壁反射后被探頭接收，形成負向信號。
TOFD以B掃的形式顯示出來。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，一個軸代表探頭的運動，另一個軸代表外壁、內(nèi)壁和缺陷的深度。（如圖6.2）。TOFD目前在國際上并沒有標準將它作為一項獨立的超聲波檢測手段，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、需要另外一個軸向運動來判定缺陷位于焊縫的哪一邊。
3、根部的缺陷易被內(nèi)壁信號所掩蓋。
全自動相控陣超聲波系統(tǒng)是在斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，對缺陷進行定性、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、計算和分析系統(tǒng)，在檢測速度、檢測精度比傳統(tǒng)超聲波有著**性的提高?，F(xiàn)場檢測時只需對環(huán)焊縫進行一次簡單的線性掃查而無需來回移動即可完成焊縫的檢測，整個掃查過程約需2分鐘（管徑φ1016mm）。
二、現(xiàn)場應(yīng)用
現(xiàn)場檢測圖例
目前，西氣東輸管道工程已經(jīng)啟動，該項工程計劃采用100%全自動相控陣超聲檢測和100%X射線檢測。這對于檢驗全自動相控陣超聲儀在環(huán)焊縫檢測中的可靠性、實用性，以及對提高國內(nèi)全自動超聲波應(yīng)用水平和開展技術(shù)研究是一項絕好的機會。以下列舉了相控陣在西氣東輸試驗段現(xiàn)場檢測的幾個圖例。
（1） 柱孔圖例（見附頁）
（2）未熔合圖例（見附頁）
該系統(tǒng)在長輸管道環(huán)焊縫檢測領(lǐng)域與傳統(tǒng)的手動超聲檢測和射線檢測。
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：
1、檢測速度快，現(xiàn)場檢測時只需對環(huán)焊縫進行一次簡單的線性掃查而無需來回移動即可完成全焊縫的檢測，從準備到焊縫評定完畢，整個過程約需6分鐘。
2、缺陷定位準確，檢測靈敏度高。
3、完全車載，作業(yè)強度小，無輻射無污物。
4、檢測結(jié)果直觀，可實現(xiàn)實時顯示。在掃查的同時可對焊縫進行分析、評判。也可打印、存盤，實現(xiàn)檢測結(jié)果的長久性保存。避免X射線底片不易攜帶、不易保存的缺點。
5、可檢測射線無法穿透的壁厚。對管道環(huán)焊縫、球罐、儲罐等對接焊縫的檢測，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，軌道安裝精度都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。
2、檢測不同壁厚，不同規(guī)格和材料的焊縫，需要不同的試塊來做校準。
3、儀器調(diào)節(jié)過程復(fù)雜，調(diào)節(jié)準確性對檢測結(jié)果影響大。
4、每個作業(yè)組至少需要4人。
5、對手工電弧焊的檢測效果低于自動焊。
6、檢測對象有局限性。
