超聲相控陣技術結合Cobra掃查器的小徑管環焊縫檢測

王曉寧

（奧林巴斯（中國）有限公司，北京 100015）

相控陣技術作為無損檢測行業的新興技術，近20年來得到了快速的發展。20世紀90年代末，隨著復合壓電技術、微加工技術、微電子技術和計算技術的發展，相控陣技術日趨成熟，尤其是計算處理能力的增強使得軟件功能得到極大提升。

在相控陣技術出現之前，大多數焊縫使用射線技術進行檢測，但射線技術有一些比較明顯的缺點：對于平行于照射方向的缺陷的檢出率較低，無法測量垂直方向尺寸，測量結果受操作人員的主觀影響，對環境及操作人員的安全構成潛在危險，檢測效率較低等。幾十年來，主要的替代方法就是常規超聲，但同樣存在測量結果受操作人員的主觀影響，測量結果無法記錄等問題。而相控陣技術的出現對焊縫檢測能力有了很大的提升，新的便攜相控陣設備可以使用線掃和扇掃同時對焊縫進行檢測［1］。相控陣技術除了具有常規超聲的所有優點外，還具有以下優點：通過多角度掃描、電子掃描和聲束控制可增加覆蓋率和檢測能力；降低對機械運動和多探頭技術的要求；可使用常規超聲檢測技術標準。

隨著相控陣技術的發展，該技術越來越受到重視。在新的 ASME B31標準中案例179［2］和181［3］就要求使用相控陣技術作為射線技術的替代方案來檢測小徑、薄壁管。由于小徑、薄壁管的檢測一直是相控陣檢測技術的難點，真正能夠達到檢測要求的設備并不多。

1 系統組成

筆者公司基于對小徑、薄壁管的檢測要求開發了專用的Cobra掃查器，結合Omniscan MX設備就可以實現這樣的檢測。Cobra掃查器相控陣系統由以下單元組成（圖1）：掃查器、Omniscan相控陣探傷儀、CCEV相控陣探頭、楔塊、探頭轉接頭、注水系統和配件箱。

圖1 Cobra系統組成

Cobra相控陣系統具有以下特點：掃查器可用于直徑0.84～4.5″（21～114mm）的小徑管檢測；掃查器上使用的 A15探頭（16晶片）具有0.5″（12mm）的外形尺寸空間，因而可用于空間狹窄情況的檢測；彈簧加載的Cobra掃查器，使其不僅可以檢測鐵磁性材料，還可以檢測非鐵磁性材料。

系統使用相控陣探傷儀和軟件實現對小徑管對接焊縫的全體積掃查，見圖2。

2 平面與曲面相控陣探頭的技術比較

Cobra專用的CCEV探頭集合了曲面晶片形成的機械聚焦和晶片矩陣排列形成的電子聚焦，這樣可大大提高聲束在零件內部的檢測分辨率。圖3為平面和曲面相控陣晶片的示意圖，不同類型晶片的聲場效果見圖4。由圖可見，曲面晶片的聲場聚焦效果要更加理想。

使用CCEV相控陣探頭對70mm直徑管材上的1mm通孔；對70mm直徑管材上外表面6.9mm×0.5mm的刻槽；對38mm直徑管材上外表面6.6mm×0.5mm的刻槽分別進行檢測，檢測結果如圖5～7，使用－6dB衰減進行測量。

試驗可見，曲面相控陣探頭的尺寸測量精度更高，更接近真實值。

3 Cobra檢測形式及掃查結果

（1）對于對接環焊縫，可以使用兩個探頭在焊縫兩側同時進行檢測，如圖8（a）所示；而對于管材與法蘭的接頭處，可以使用單個探頭從一側進行檢測，如圖8（b），因而Cobra的使用更加靈活。

（2）Cobra掃查器可掃查21～114mm管徑范圍的小徑管。圖9為對25mm管徑的小徑管的掃查結果。

（3）可以通過專用軟件對探頭的掃描角度和探頭間距在掃描之前進行預設置，如圖10所示。

（4）不同類型的缺陷掃描結果見圖11。缺陷類型的判斷需要專業的無損檢測人員來進行。

4 結論

筆者所在公司開發的手動小徑管掃查器Cobra具有的獨特能力有：12mm空間高度；檢測直徑從21～114mm可調；可進行單側掃描；在碳鋼和不銹鋼上都可檢測。并且，Cobra使用內部聚焦探頭，能有效改善測量尺寸過大的問題；可使用聲束模擬工具對聲束路徑進行模擬，來進行掃查計劃的設置；雙側可同時A掃描、S掃描、C掃描圖像顯示；可對缺陷進行測量分析。

［1］ASME B31.3CC179—2006 Use of Ultrasonic Ex－amination in Lieu of Radiography for B31.3Applications for Materials 1／2〞and Less in Wall Thickness［S］.

［2］ASME B31.3CC181—2007 Use of Alternative Ultrasonic Examination Acceptance Criteria［S］.

［3］Michael Moles.Phased array inspection of small－diameter pipe welds［J］.Inspection Trends，2011（1）：1－5.