楔塊磨損對相控陣超聲檢測結果的影響

朱 琪 ，孫 磊 ，龐 兵

(1.安徽津利能源科技發展有限責任公司,安徽 合肥 230000；2.中國能建工程研究院相控陣檢測技術應用研究所,安徽 合肥 230000)

在工業無損檢測中,通常將一維線性換能器安裝在一定角度的斜楔塊上形成斜探頭,從而進行相控陣超聲檢測,而楔塊主要影響的是聲束角度和聲程,不同角度的楔塊對探頭角度的覆蓋范圍和實際焦點深度的影響也是不同的。安裝斜楔塊后的相控陣探頭,大部分近場區都在楔塊內,工件內的近場區較小。由于聲場只能在近場區內才能有效地聚焦,致使工件內的聚焦能力變差。一般來說,小角度有較好的聚焦能力,而且激發晶片束越大,聚焦能力也越強。設置角度越接近楔塊的主聲束角度,聲束越均勻,分辨率越好。

實際檢測中,斜楔塊的使用大大提高了探頭的使用壽命,但是檢測數量越多,斜楔塊的磨損也越厲害,檢測人員的習慣和工件表面狀態對楔塊磨損程度也有不同的影響(見圖1),楔塊磨損改變了斜楔塊的物理角度,從而影響聲束的偏轉和聚焦。本文通過不同磨損程度的楔塊對比檢測試驗,探究楔塊磨損對缺陷定位和定量的影響,結合《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》(DL/T1718－2017),給出楔塊磨損的有效范圍。

圖1 楔塊磨損示意圖

1 楔塊角度的測定

1.1 試驗背景

根據斯涅耳定律：

式中 ：θi為楔塊中的聲束的入射角 (°)；cw為楔

塊中的聲速(mm/s)；θr為楔塊中的聲束的

折射角 (°)；cs為工件中的橫波聲速 (mm/s)。

當楔塊和工件的聲速一定時,楔塊的角度發生改變時,楔塊－工件內的折射角也隨之發生改變。試驗開始之前收集了若干不同磨損程度的弧度為φ57、φ38、φ44.5、φ48的相控陣楔塊,見圖2。

圖2 楔塊

本次試驗使用的是M2M相控陣超聲波探傷儀(型號GEKKO)以及Isonic2009相控陣儀進行檢測試驗數據采集和分析,工藝相控陣探頭和楔塊為多普勒定制,探頭編號為7.5S16－0.5h10,楔塊編號為SD10－N60S－IH,采用萬能量角器和試塊測定等兩種方法對楔塊磨損的角度進行測量。

(1)用圖3所示的萬能量角器對收集楔塊磨損后的角度進行測量,但是該方法受人為因素的誤差較大,僅能作為參考數據。

圖3 萬能量角器

(2)采用相控陣PGD試塊,將楔塊安裝在探頭上,根據楔塊弧度選擇合適型號的試塊,將探頭放置在試塊上,形成人工反射體的回波信號,通過探頭至已知深度反射體的距離,可以算出楔塊－工件內的折射角,根據斯涅耳定律,可知楔塊的角度。此方法測定楔塊的角度準確性較高,但過程較為繁瑣。

通過以上兩種方法對所有磨損楔塊的角度進行多次測定,取誤差內測定值的平均值為最終確定,楔塊角度見表1。

表1 楔塊磨損角度統計

2 不同磨損斜楔塊相控陣超聲檢測對比

2.1 參考標準試驗對比

2.1.1 試驗對比

本試驗采用的參考試塊為《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測規程》(DL/T1718－2017)中的PGD系列試塊,試塊見圖4,該參考試塊較其他試塊,可根據被檢工件的曲率不同選擇合適的試塊,適用管外徑范圍為32～159 mm。

圖4 試塊實物

采用表1中統計的所有楔塊對參考試塊中深度為5 mm、7 mm和9 mm反射體,采用58°的主聲束進行檢測測試,測試結果見表2。

表2 參考試塊檢測結果統計

2.1.2 試驗結果分析

由表2可知,對不同磨損程度的相控陣楔塊采用PGD參考試塊中反射體進行試驗測定,由于磨損導致的楔塊角度改變,影響聲束測定的結果。

(1)φ57 #3楔塊,φ38 #2楔塊磨損程度較小,楔塊角度變化不大,在對3個不同深度的反射體進行測試時,檢測結果幾乎無偏差。

(2)φ57 #1、#2,φ44.5 #1楔塊磨損程度較大,角度變化較大,在對3個不同深度的反射體進行測試時,檢測結果的偏差較大,且楔塊程度越嚴重,測試結果誤差越大。

根據不同磨損程度的楔塊,采用單一角度在參考試塊中進行測試試驗,楔塊磨損程度越嚴重,反射體測試結果偏差越大；隨著超聲波聲程的增大,測試值與標稱值的誤差也越大。在實際檢測過程中,一般采用扇形掃描進行檢測,角度范圍為35°～75°之間,為了進一步探究楔塊磨損對相控陣超聲檢測扇形的影響,本試驗將采用模擬試管進行試驗分析。

2.2 模擬試管試驗對比

2.2.1φ57楔塊相控陣對比試驗

在每種弧度的楔塊中,都有一個無磨損的嶄新楔塊。本試驗將采用無磨損的楔塊制作檢測工藝,在對所有磨損的楔塊進行檢測,缺陷試管φ57 mmh8.5 mm,設置有氣孔、裂紋和未熔合等4個缺陷,圖5為φ57 #1、#2、#3、#4楔塊的相控陣檢測圖譜(側視圖)。

圖5 不同磨損程度楔塊的檢測側視

通過表3和表4,對安裝#1、#2、#3、#4號楔塊探頭的檢測缺陷進行列表比較,測量每一個缺陷的角度范圍、深度、長度和軸偏離之間的誤差,見表3。

表3 缺陷參數比較

表4 缺陷參數比較

由表3和表4可知：

(1)安裝#1、#2、#3、#4號楔塊的探頭都可檢出氣孔、裂紋和未熔合等4個缺陷。

(2)φ57 #1、#2楔塊,由于磨損程度較為嚴重,裂紋缺陷的回波幅度較低,缺陷長度與實際缺陷的長度相差較大。

(3)由于#4楔塊無磨損,檢測出缺陷的定位、定量與實際缺陷一致,#3楔塊磨損程度較輕,楔塊角度變化不大,對氣孔、裂紋和未熔合等4個缺陷的定位和定量變差不大。

(4)安裝#1、#2、號楔塊探頭檢測氣孔、未熔合和裂紋等缺陷的定位、定量參數與實際值偏差較大,特別是氣孔和裂紋,回波幅度較低,缺陷難以評定。

(5)φ57 #2楔塊磨損程度最嚴重,根據理論分析計算,缺陷的檢測結果誤差應最大。對模擬試管的檢測結果分析,試管中的兩個缺陷長度較小,受扇形掃查結果的影響不大；坡口未熔合與相控陣扇掃聲束方向夾角加大,反射波高,缺陷檢出率高,長度誤差不大；對于根部裂紋缺陷,裂紋反射波較多,受扇形掃查檢測結果的影響較大,導致缺陷的波幅和長度檢測結果與標稱值誤差較大。

2.2.2φ38楔塊相控陣對比試驗

本試驗采用缺陷試管的規格為φ38 mmh6.5 mm,采用φ38 #1、#2楔塊探頭試驗結果表明,采用兩種不同的楔塊檢測根部裂紋和坡口未熔合等缺陷,定位和定量的差距不大,而檢測氣孔缺陷的波幅差距較為明顯。

圖6 氣孔缺陷的波幅對比圖

φ38#1、#2楔塊檢測圖譜中,#1無磨損的楔塊檢測氣孔缺陷的波幅高于#2楔塊(見圖6),而氣孔的深度、長度和軸偏離等參數差距不大。

3 結語

楔塊磨損會改變楔塊的角度,從而影響相控陣超聲檢測聚焦能力以及缺陷定位、定量的精度。磨損程度越大,角度變化越明顯,對相控陣超聲檢測結果的影響也越大。通過以上試驗可知,楔塊角度在合理范圍內的變化,對檢測結果的影響并不大,在2017年新實施的《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》(DL/T1718－2017)行業標準中,給出了楔塊角度的實測值和標稱值的偏差范圍為－2°～ 2°,超出此范圍應更換楔塊,在實際檢測過程中,每次檢測工作開始之前,都應對楔塊的角度進行測量,測量方法可參考本文中的試塊測定方法,目前,M2M相控陣儀器具有楔塊的磨損校準功能,但是功能還不完善,測定的數值需要采用試塊進一步校驗。