一種相控陣腐蝕檢測方案的開發和應用

姚立恒，余炎雄

(汕頭超聲儀器研究所有限公司，汕頭 515041)

我國對管道腐蝕檢測越來越重視，而作為無損檢測領域重要監測手段之一的超聲檢測常采用單探頭檢測方式。單探頭檢測因其自身設計而被限制在自發自收模式下，對被檢材料進行檢測時，由于發射脈沖會覆蓋接收信號，所以依賴近表面檢測的腐蝕檢測受到很大限制。在配合楔塊使用后，探頭產生的界面波和多次回波干擾疊加，但對于較大厚度的檢測又是一個明顯的限制。對于上述問題，在常規超聲檢測中，一個常見的解決方案就是使用雙晶探頭[1]。因此，在相控陣探頭中也可引入類似的技術，并與相控陣技術相結合[2]，構造出更適合檢測用的新模式相控陣探頭，這就產生了雙晶相控陣探頭。其中，探頭沿陣列的方向進行電子聚焦或線掃描等(見圖1)， 最有效的組合方式是兩個探頭沿陣列方向平行組合(見圖2)，兩組陣列之間形成一定夾角，從而形成一定的聚焦，形成了雙晶線陣腐蝕檢測相控陣探頭。

圖1 單晶探頭的陣列聚焦示意

圖2 雙晶探頭的陣列聚焦示意

1 設計方案

雙晶分體式探頭的設計以及一體式探頭的設計如圖3，4所示。

圖3 分體式結構的探頭實物

圖4 一體式結構的探頭實物

從圖3,4可以明顯看出兩種設計在結構方面的優缺點。首先,分體式探頭的楔塊是可更換的，大大降低了后期的使用成本，同時由于楔塊的屋頂角(Roof Angle)決定了兩個陣列之間的聚焦情況，所以可更換的楔塊結構也帶來了聚焦深度可變的便利，同時可便于為各種管道和曲面耦合設計專用的匹配楔塊，使用適應性更好。其缺點也很明顯，兩個陣列的楔塊需要獨立裝配，使用麻煩，且需在使用過程中注意耦合狀態，外形結構尺寸更大，而且兩個陣列需要獨立的引線。

一體式探頭結構的優缺點則幾乎與分體式的相反，楔塊為內嵌式，不需要另行裝配，且沒有耦合和裝配的問題；得益于內嵌楔塊，其外形尺寸上也縮減很多，且只需要一條共用的電纜線；另外，內嵌楔塊屋頂角的設計固化會造成超聲聚焦及聲場形態上的固化，也便于主機進行軟件上的優化，改善成像效果。缺點就是楔塊不可更換，且會隨探頭使用而磨損(結構上為此進行了特別的保護，盡量增加了耐磨性，以延長使用壽命)，對于管道和曲面的耦合，只能通過特殊的輔助部件改善耦合，無法完全匹配。

一體式的結構雖然有一些固有的問題，但由于其在使用上能帶來相當大的便利性，而且也便于系統軟件對其進行優化，故有比較高的市場接受度。Olympus和GE均推出了相應的產品，并作為一種通用產品向市場推廣。筆者公司開發了一套基于國產相控陣探頭，配合國產相控陣設備，針對國內實際應用環境和需求的專用軟件的腐蝕檢測系統。該系統的目標是建立多個頻率和規格的探頭，并通過與主機系統和軟件配合后，測試各個厚度板材試塊的底波、平底孔和橫通孔回波等，確保其在目標檢測厚度內的穿透力和分辨力。

2 探頭參數

設計制作的一體式雙晶線陣相控陣探頭包括5.0 MHz和7.5 MHz兩個規格，型號分別是5.0DL32-1.3-4.8-F8E和7.5DL32-1.3-4.8-F8E，兩個探頭除中心頻率不一樣外，其他參數一樣，具體如下：探頭由兩個線陣組成，每個線陣有32個陣元，整個探頭總共64個陣元，陣列內陣元的中心距為1.3 mm，被動孔徑為4.8 mm。設計參數上綜合考慮了探頭的發射接收性能和相控陣的指向性需求[3]。屋頂角約為12°，兩個陣列在碳鋼中(聲速按5 920 m·s-1計算)的理論焦距為8 mm。探頭內嵌楔塊，采用全不銹鋼外殼和防水結構，同時接觸面兩側可以裝配防磨部件，以增加使用壽命。另外，探頭上還可以方便地裝配各種曲面耦合裝置、注水結構、簡易編碼器等，同時還能配合掃查架進行使用。探頭可以搭配筆者單位的Syncscan相控陣系統使用，系統上為此探頭進行了專門的優化，同時還有配套的專用腐蝕檢測軟件，可以更便捷和專業地應用于相關領域。

內部結構上，探頭的聲耦合設計按照楔塊的材料進行了最優化調整，配合低衰減的楔塊材料，達到更高的靈敏度和更寬的相對帶寬的設計效果。根據探頭的聲學性能測試，-6 dB相對帶寬接近80%。在兩個陣列之間，同時考慮了電隔離和聲隔離，使得探頭可以獲得更好的信噪比。電匹配方面，探頭也與筆者單位的Syncscan相控陣儀器達到了最優匹配。如果有其他系統的需求，通過改裝可使該探頭與其他系統匹配，并提供必要的參數供用戶進行配機調節。

3 配機檢測

3.1 測試使用的器材

器材包括Syncscan儀器1臺;5.0DL32-1.3-4.8-F8E-P-110-3.0-T1 探頭1個;GB 11344-2008《無損檢測 接觸式超聲脈沖回波法測厚方法》 階梯測厚試塊1套;厚12 mm的試板2塊(分別帶上下表面平底孔)；帶橫通孔試件1塊;壓塊1塊。

3.2 檢測階梯試塊回波

用5.0DL32-1.3-4.8-F8E-P-110-3.0-T1探頭在階梯測厚試塊的不同厚度上進行測試，分別測試了120 mm厚度的底部回波。雙晶探頭聲束匯聚區是菱形的，某個深度的反射波會最高。測試目的是找到該最高波，并把階梯試塊其他厚度所得底波(非最高波處)和界面回波與最高波進行波高比較，以此評價雙晶探頭的聚焦特性。把所有反射體縱波的一次底波統一為自動增益值滿屏的80%，記錄此時增益，同一屏高(80%)時，增益越小，原波高越大。根據探頭設計焦距，選取試塊幾個比較有對比意義的厚度進行檢測，測試圖像如圖510所示。

圖5 階梯試塊6 mm處底波

圖6 階梯試塊8 mm處底波

圖7 階梯試塊10 mm處底波

圖8 階梯試塊12 mm處底波

圖9 階梯試塊15 mm處底波

圖10 階梯試塊20 mm處底波

試驗探頭標稱焦距為8 mm，實測在810 mm厚階梯試塊上得到最高波，8 mm厚度以下為上擴散聲束形成的菱形上部分，10 mm厚度以上為下擴散聲束形成的菱形下部分。

3.3 檢測不同深度橫通孔

檢測近表面橫通孔時，選取與上表面的距離分別為1，2，3，5 mm的4個φ1 mm橫通孔進行測試，該試驗主要用于檢測探頭近表面的水平方向缺陷的分辨能力，試驗結果如圖1114所示。

圖11 距表面1 mm的橫通孔回波

圖12 距表面2 mm的橫通孔回波

圖13 距表面3 mm的橫通孔回波

圖14 距表面5 mm的橫通孔回波

根據試驗結果，距表面1 mm的橫通孔可以檢出，在A型圖像中，回波非常清晰。

3.4 檢測近表面平底孔

以試板中4個φ3 mm平底孔進行測試，孔的頂端與上表面的距離分別為0.5,1,2,3 mm，該試驗主要用于檢測探頭對近表面厚度方向點腐蝕的分辨能力，試驗結果如圖1518所示。

圖15 距表面0.5 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖16 距表面1 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖17 距表面2 mm的φ 3 mm平底孔回波

圖18 距表面3 mm的φ 3 mm平底孔回波

根據試驗結果，距表面0.5 mm的φ3 mm橫通孔可以檢出，但信噪比相對較差，距離為1 mm以上的φ3 mm橫通孔平底孔回波信噪比很好。

3.5 檢測接近底面平底孔

以試板中4個φ2 mm平底孔進行測試，孔的頂端與底面的距離分別為0.5,1,2,3 mm，該試驗主要用于檢測探頭對接近底部的強底波回聲下點腐蝕的分辨能力，試驗結果如圖1922所示。

圖19 距底面0.5 mm的φ 2 mm平底孔回波

距底面0.5 mm的φ2 mm平底孔處，B視圖中只有底波中斷，未見平底孔反射面的回波。距底面1 mm的φ2 mm平底孔處，平直的底波上開始出現小凸點，即為底面1 mm平底孔回波,而距底面1 mm以上的平底孔回波明顯(與底波很好分辨)。

圖20 距底面1 mm的φ 2 mm平底孔回波

圖21 距底面2 mm的φ 2 mm平底孔回波

4 結語

從以上實際配機的檢測圖像可知，開發的這套檢測方案達到了設計目標。通過該相控陣解決方案的開發以及軟硬件結合的創新設計，新系統對薄板以及薄板中的各種淺表面和近底面的缺陷都有很好的分辨力，很適合腐蝕檢測。如對此方案繼續延伸和擴展，可適應更多不同的性能使用要求；同時，根據現場應用環境的各種需求，配套適用的應用軟件以及各種配附件，系統能夠更好地滿足國內工業環境中的多種檢測需求。

圖22 距底面3 mm的φ 2 mm平底孔回波