相控陣技術在插入式管座角焊縫檢測中各類缺陷的識別探究

張義磊*

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 前言

插入式管座角焊縫是承壓類設備中不可避免的結構，由于其結構特點，采用常規的無損檢測方法（如超聲波檢測、射線檢測），經常會導致缺陷漏檢及誤判等情況。即使發現了缺陷信號或影像，也難以對其性質進行準確判斷。相控陣技術是近年來發展比較迅猛的無損檢測方法，該技術具有可靈活地實現聲束的聚焦和偏轉功能，分辨力高，可超聲成像等優點，對插入式管座角焊縫采用超聲相控陣技術進行檢測，并對發現的缺陷性質進行識別，針對不同性質的缺陷采取不同的處置方法，具有重要的工程實踐意義。

1 插入式管座角焊縫的特點

插入式管座角焊縫在承壓類設備中較為常見。作為承壓構件，該結構存在一些不足，如其坡口形狀、結構均比一般的焊接接頭更為復雜，施焊條件難以準確控制，管座的壁厚一般都與管道的壁厚相差較大等。因此管座角焊縫內部容易出現氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等缺陷。設備投用后，在腐蝕介質和復雜應力的共同作用下，焊縫易被破壞，給設備的運行安全帶來隱患。采用常規的超聲波檢測方法對管座角焊縫進行檢測時，由于壁厚和曲率的影響，其檢測可靠性難以保證；采用射線檢測時，由于其透照厚度差較大，布片困難，難以保證檢測靈敏度。

2 相控陣檢測方法介紹

超聲相控陣技術通過控制各個探頭的激勵時間來控制聲束聚焦和偏轉，可以實現檢測結果的多維顯示，便于讀取缺陷的位置信息并輔助判斷缺陷的種類，最重要的是，能夠通過控制偏轉角度和聚焦位置來掃查常規超聲波檢測無法掃查到的部位。近年來，超聲相控陣技術在插入式接管角焊縫檢測中的應用也不斷被研究和改進，其對于該類結構的適用性良好，具有極大的潛在應用價值。

2.1 相控陣的技術特點

超聲相控陣技術采用多陣元超聲探頭來實現發射與接收功能，利用便捷的聲束聚焦和偏轉特性，可精準地使聲束對準回波信號最大的缺陷面，快速獲得缺陷信號。與傳統超聲檢測技術相比，相控陣技術的優勢主要表現在： （1）掃查范圍大，可提高檢測速度；（2）不移動探頭或盡量少移動探頭可掃查形狀復雜工件的各個區域，成為解決可達性差和空間限制問題的有效手段；（3）通常不需要復雜的掃查裝置，不需要更換探頭就可以對被檢區域進行多角度方向掃查；（4）優化控制焦距長度、焦點尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性；（5）一般具有 A/B/C/D 顯示方式，回波信號圖像化，也可顯示不同截面的圖像，便于對缺陷進行定位直至定量。

2.2 運用于管座角焊縫檢測的優勢

相控陣技術運用在插入式管座角焊縫的檢測中，主要是因為其采用了以下關鍵技術。

（1）高密度、寬帶陣列式探頭

陣列探頭的各陣元排列越緊密，陣元尺寸越小，就越可以將其看成理想的點源（或線源），獲得理想的聚焦、偏轉等效果，而且波束旁瓣低，便于獲得較高的對比分辨力。陣列探頭的帶寬越高，成像空間分辨力就越高。相控陣探頭的質量很大程度上決定了成像的效果。

（2）高精度、多角度發射聚焦技術

由于超聲波在金屬物質中的傳播速度很快，探頭各陣元在各深度的延時差很小，所以其聚焦延時精度很高，一般小于5 ns。而且角度不同時發射延時是不同的，聚焦控制十分復雜，其采用了優化后的FPGA技術。

（3）高性能數字波束形成技術

由于延時精度的要求高，接收時必須采用高速AD 轉換器，數據流量會大幅增加，從而增加了接收通道的處理負擔。因此要求數字波束形成器工作在更高速的狀態，同時要考慮提高細延時的精度。對于發射而言，只有一個發射焦點；而對于接收而言，處處是焦點，聚焦延時處理相比較發射而言更為復雜，即所謂的動態聚焦，同時為了抑制旁瓣、提高分辨力，需要考慮變孔徑、變跡等優化方法。

（4）超聲成像

相控陣超聲成像技術涉及坐標變換及 A/B/C/D 多種顯示模式，其技術難度很高。基于以上技術特點，利用相控陣超聲檢測技術能夠最大程度地降低上述因素帶來的影響。

3 模擬缺陷的制作

為了驗證相控陣技術在插入式管座角焊縫的檢測中的有效性，制作了人工模擬缺陷的樣品，設置的人工模擬缺陷具有夾渣、未熔合、裂紋等。

4 相控陣技術的缺陷識別

本次實驗采用M2M 公司生產的 Multiplexer 32×128P 相控陣檢測系統，配備相應的線列陣探頭及其楔塊，對上述人工模擬缺陷的樣品進行檢測，得出以下檢測結果。

4.1 1號缺陷檢測結果

1 號缺陷起始點 S（r）=77.64 mm,長度 S（m-r）=28.88 mm,上端點（深度）D（r）=28.61 mm，自身高度 U（m-r）=9.24 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫內部，判斷其為內部夾渣類缺陷，可見圖1。

圖1 1號缺陷信號顯示

4.2 2號缺陷檢測結果

2 號缺陷起始點 S（r）=239.02 mm,長度 S（m-r）=47.56 mm,上端點（深度）D（r）=37.33 mm 自身高度 U（m-r）=8.09 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫坡口位置，判斷其為側壁未融合類缺陷，可見圖2。

圖2 2號缺陷信號顯示

4.3 3號缺陷檢測結果

3 號缺陷起始點 S（r）=425.88 mm，長度 S（m-r）=39.07 mm，上端點（深度）D（r）=38.04 mm 自身高度 U（m-r）=11.82 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫坡口位置，判斷其為側壁未融合類缺陷，缺陷信號可見圖3。

圖3 3號缺陷信號顯示

4.4 4號缺陷檢測結果如下

4 號缺陷起始點S（r）=622.93 mm，長度 S（m-r）=22.08 mm，上端點（深度）D（r）=62.78 mm， 自身高度 U（m-r）=7.43 mm。由扇掃圖像可知，缺陷在焊縫根部位置，判斷為根部裂紋類缺陷，可見圖4。

圖4 4號缺陷信號顯示

4.5 檢測缺陷匯總和試樣

檢測缺陷匯總情況如表1 所示。

表1 檢測缺陷匯總

通過機械加工的方法對試驗用試樣進行解剖，解剖結果表明檢測結果和缺陷的位置相符，詳見圖6～圖9。

圖6 夾渣 （對應1號缺陷）

圖7 插管側壁未融合（對應2號缺陷）

圖8 主管側壁未融合（對應3號缺陷

圖9 根部裂紋（對應4號缺陷）

5 結論

使用超聲相控陣技術，可以直觀地檢測出插入式管座角焊縫中的各種類型缺陷，且由于具有 A，B，C，S 等多種試圖方式，可以直觀地判斷缺陷的位置及類型，相比于常規超聲檢測技術，其得到的觀察波形方式更加直觀準確，是插入式管座角焊縫檢測的理想檢測手段。