不銹鋼管環焊縫的相控陣超聲爬波檢測

(中國船級社實業公司，北京 100006)

近年來,船舶及海洋工程行業得到了大力發展，原有的無損檢測技術已經不能完全滿足產品質量以及建造效率的要求，與此同時,國內外先進無損檢測技術規范、標準、指南的不斷健全，有力地推動了先進無損檢測技術在船舶及海洋工程領域的應用。例如：使用相控陣超聲檢測(PAUT)技術檢測海洋工程平臺上的碳鋼小徑管對接焊縫；使用相控陣超聲與衍射時差法聯合檢測技術檢測大型船舶中厚板對接焊縫；使用相控陣超聲檢測技術檢測船舶尾軸管母材等。

1 不銹鋼管環焊縫的檢測現狀

1.1 射線檢測

因為射線檢測技術具有檢測結果顯示直觀、檢測結果可以永久保存等特點，一直以來都是行業內最為重要的檢測方法之一，在現場的檢測應用中得到了廣泛認可。但檢測過程中，在透照方向確定的情況下，其對于部分走向的面狀缺陷不敏感，容易出現坡口未熔合等缺陷漏檢的情況。此外，因為射線檢測技術本身具有輻射性，在射線檢測時其他工種無法進行交叉作業，應用時不僅存在著安全風險，而且降低了整體建造的效率，特別是不銹鋼材料的透照時間要求更長，所以現場使用該技術會嚴重影響船廠的建造周期。

1.2 超聲檢測

由于大多數不銹鋼材料焊縫區域的晶粒都較為粗大，常規超聲橫波檢測時，波束在焊縫區域會產生偏折且伴隨能量的衰減，易導致缺陷的漏判和誤判。即使使用波長更長的低頻縱波以及一發一收模式，由于常規探頭無法改變波束的形態，對不同材料、管徑、壁厚的工件進行檢測時，也很難得到理想的檢測參數，在實際檢測時信噪比也并不理想、數據分析難度較大；而且縱波檢測技術無法使用二次波，對于管體環焊縫來說，存在表面盲區。此外，由于傳統超聲檢測技術無法記錄檢測數據，所以檢測結果無法得到有效驗證，被認可程度較差[1-3]。在國內一些海洋工程平臺的在役檢測項目中，有使用PAUT技術檢測不銹鋼管環焊縫的案例，但由于該工藝需要打磨掉焊縫的蓋面，檢測結果受打磨面平整程度的影響較大[4]。

1.3 爬波檢測

爬波具有與縱波相近的特性，對表面粗糙度不敏感，特別適合檢測像奧氏體不銹鋼類粗晶材料的表面及近表面缺陷。但常規爬波探頭的角度單一，無法適用于不同材料的檢測對象，想要改變其中的一些關鍵參數時，只能購買訂制的探頭，使用成本很高；加之常規爬波檢測與常規超聲檢測存在不能保存數據、受人為因素影響大等缺點，在實際檢測時受到了制約。

2 爬波檢測原理及光彈試驗分析

2.1 爬波檢測原理

根據超聲波的傳播特性,當超聲波從一種介質傳播到另一種介質的界面時,會發生反射和折射現象，傾斜入射時，會伴隨波型的轉變。如果入射波速和折射波速滿足c1L

圖1 爬波探頭的聲場示意

2.2 光彈試驗分析

光彈法可以實現超聲場的可視化，是一種研究固體中超聲波動現象的重要方法，其物理基礎是暫時雙折射現象。

為了更好地了解爬波的檢測原理，基于自行研制的光彈試驗平臺及K9光學玻璃試塊，設計加工了折射角為90°的楔塊，將換能器涂抹耦合劑后固定在楔塊的斜面上，分別放置在試樣沒有缺陷一側和有一個深為5 mm，寬為0.5 mm的刻槽缺陷一側，使用CCD相機記錄波束的傳播過程(見圖2)。

圖2 無缺陷和有缺陷側的爬波波束傳播記錄截圖

通過光彈試驗，將縱波入射角為90°時的聲場直觀地呈現出來，觀察到的爬波是由縱波在沿表面傳播時受到的介質邊緣效應影響而產生的，因此在爬波的傳播過程中，會看到衍生出的頭波信號，驗證了爬波的理論。通過對表面刻槽試塊的仿真試驗，可以觀察到爬波信號遇到刻槽缺陷后波束的傳播過程。從中不難發現爬波的大部分波束經刻槽截面反射后沿原路徑返回，但仍有少部分波束繼續沿表面傳播。

3 檢測試驗

通過上述理論研究與光彈試驗分析，指明了使用相控陣超聲激發爬波檢測不銹鋼管環焊縫表面及近表面缺陷的研究方向。為了證明該方案的可行性，設計并加工了3種不同材料的不銹鋼管環焊縫試塊，并選取了2種典型的雙晶相控陣探頭進行檢測試驗。

3.1 試塊參數

選取行業內使用較為廣泛的雙向不銹鋼2205，不銹鋼304和不銹鋼316作為試塊材料，管子外徑均為203.2 mm，壁厚均為14 mm，坡口形式為單V型，分別在焊縫邊緣及中心線位置加工刻槽反射體(見圖3)。

3.2 試驗設備

主機選用OLYMPUS生產的便攜式主機OMNISCAN 32/128PR，相控陣探頭選用的是兩款具有代表性的雙晶相控陣探頭，型號分別為2.25M7×4-A17和4M16×2-A27，配套的楔塊型號為SA17-DN55L0-IHC-AOD8.625和SA27-DNCR-IHC-AOD8.625，適用于試塊管徑。探頭及楔塊的主要參數如表1所示。

圖3 試塊實物照片

3.3 試驗參數

使用儀器專用的設置軟件SetupBuilder分別對兩個探頭進行參數設置。兩組設置參數除了選擇對應的探頭和楔塊型號以外，其他參數如掃描方式、角度范圍、角度步進、聚焦方式、聚焦深度等參數的設置均一致。

在專用軟件上完成設置后，將兩組設置分別導入到主機存儲卡中，分別連接探頭并調用設置文件后，在主機上設置相同的靈敏度，再在試塊上進行檢測試驗。

3.4 試驗結果

分別使用兩組探頭及相應設置在不同材料的3個試塊上進行檢測，對檢測數據進行對比分析，得到以下結果：型號為2.25M7×4-A17的探頭能夠發現3個試塊邊緣處的刻槽缺陷，但信噪比較差，無法發現中心刻槽缺陷；而型號為4M16×2-A27的探頭能夠有效發現3個試管焊縫邊緣及中心處的刻槽缺陷。試驗中使用原始靈敏度時，型號為2.25M7×4-A17的探頭由于信噪比較差已經無法進行數據分析，因此降低了10 dB進行數據保存分析。兩組探頭對3個不同試塊的試驗結果如表2所示。

3.5 結果分析

眾所周知，相控陣超聲波束擴散(-6 dB)滿足sin(t/2) = 0.44c/fD(t為波束擴散角，c為材料聲速，f為探頭頻率，D為晶片尺寸)，相控陣超聲波束由于受到每個單獨晶片擴散的影響，單個晶片的偏轉能力就決定了波束形成的偏轉能力。超聲波束擴散示意如圖4所示，如果要形成到達A點的波束，所有晶片激發的波束都能在A點處進行干涉；但如果要形成到達B點的波束，最右邊的晶片受到自身擴散角范圍的影響，波束無法在B點與其他晶片波束形成干涉，所以會影響B點波束的檢測效果。

基于波束的擴散公式，對比試驗中使用的兩種探頭參數如圖5所示，綜合頻率和晶片直徑兩個因素，可以發現探頭4M16×2-A27在主軸方向的偏轉能力更強，從試驗結果中驗證了這一點。

此外，對于雙晶探頭來說，波束在次軸方向必須有一定的偏轉角度(屋頂角)，從而實現波束的一發一收。因探頭2.25M7×4-A17在次軸方向有4個晶片，所以該探頭對應的楔塊并未涉及屋頂角，但從圖5中的參數可以發現，次軸的晶片尺寸為3 mm，顯然其偏轉能力受限；而對于探頭4M16×2-A2，因其在次軸方向只有2個晶片，沒有足夠的晶片進行延遲干涉疊加，從而無法實現波束偏轉的能力，所以配套的楔塊有機械加工的屋頂角，試驗使用的楔塊屋頂角為7.8°。兩種楔塊的外觀和結構如圖6所示。

表2 兩組探頭對3個不同試塊的試驗結果

圖5 對比試驗中兩種探頭的參數

從上面的分析內容不難看出，在使用相控陣超聲激發爬波時，需要較大的波束偏轉角度，雖然楔塊的物理角度能夠有效地擴展偏轉范圍，但晶片尺寸決定了波束的有效偏轉能力；并且對于一發一收探頭，在沒有機械加工屋頂角的情況下，因爬波檢測需要能量集中在近表面的位置，所以晶片在次軸方向上的尺寸同樣會影響檢測結果。

圖6 兩種楔塊的外觀和結構

從實際應用角度出發，考慮到檢測技術普及應用時的成本問題，由于目前市面上主流的相控陣儀器多為32/128或64/64等，其支持的一發一收模式的有效晶片數量為32個，設備廠家在設計探頭時考慮到了這一問題，在有限的激活晶片上限的情況下，為了保證兩個方向波束的偏轉能力，只能減少主軸方向的晶片數量，但同時為了保證其有效的激活孔徑尺寸，只能增大其單個晶片的尺寸，因此就有了2.25M7×4-A17類型的探頭。

4 結語

采用相控陣超聲技術激發爬波對不銹鋼環焊縫檢測的可能性進行了研究分析。使用光彈試驗法實現了爬波檢測的聲場可視化，驗證了研究方向；利用相控陣超聲技術特點改變了傳統爬波檢測波束參數固定的問題，利用相控陣多角度的扇形掃描技術優化了爬波檢測角度，同時實現了爬波檢測的可視化和數據的實時存儲；采用兩種典型探頭對多種材料的試塊進行了試驗，結果證明相控陣超聲爬波檢測不銹鋼環焊縫可能性的同時，分析得出了此項應用中相控陣探頭參數選擇的側重點，并實現了爬波檢測。