管道內壁裂紋的相控陣超聲檢測

張炳奇，孫 旭，楊 堅，侯興隆,寧玉恒

(大唐東北電力試驗研究院有限公司，長春 130012)

隨著國內火電機組服役時間的不斷增加、機組頻繁啟停與深度調峰，高溫管道內壁產生裂紋的趨勢不斷加劇，對管道內壁裂紋缺陷的有效檢測和定量就顯得尤為必要。目前針對管道內壁開口缺陷的檢測方法主要有常規(guī)超聲端點衍射法[1]、超聲波衍射時差法(TOFD)、爬波法、絕對聲時法(AATT)和相控陣超聲檢測法等。常規(guī)超聲端點衍射法對高度不小于4 mm的內壁開口缺陷定量效果較好，對高度小于4 mm的開口缺陷的檢測效果較差[2]；TOFD技術利用A掃信號雖然可以區(qū)分高度為1 mm的開口缺陷，但無法對結構復雜部位進行檢測；爬波法能發(fā)現(xiàn)工件上深為0.5 mm的微小裂紋缺陷，但無法將探頭放置內壁對在役管道進行檢測[3]；絕對聲時法能精確測量高度大于2 mm的裂紋缺陷[4]，但裂紋小于2 mm時誤差較大；相控陣超聲檢測法可通過扇形掃查高清成像功能對管道內壁裂紋缺陷進行有效檢測[5]，但目前對于內壁微小裂紋的檢測及端點衍射法測定內壁裂紋高度的研究還不夠全面。筆者利用超聲檢測端角反射和端點衍射原理，使用相控陣超聲技術進行檢測試驗，并對試驗結果進行了分析。

1 檢測原理

1.1 端角反射法測定原理

當超聲檢測橫波聲束以35°～55°入射至兩個平面構成的直角時，將發(fā)生反射率為100%的端角反射。在管道內壁裂紋檢測過程中，當檢測所用探頭聲束折射角α(等于聲束入射角β)為35°～55°時，裂紋和管道內壁構成端角反射條件，入射聲束在厚度為t的管道內壁開口裂紋處發(fā)生端角反射，反射率為100%。超聲檢測管道內壁裂紋缺陷聲束示意如圖1所示，探頭管道內壁與B1C1端角的反射波，可視為由A2發(fā)出的入射波通過B1C1投影于聲束軸線法面的面積的反射波。當聲束入射角為β時，B1C1的長度即為缺陷深度H，裂紋長度為L，B1C1投影于聲束軸線法面的面積Fs=HL/sinβ，探頭收到的回波聲壓PB為

(1)

式中：P0為探頭波源的起始聲壓；λ為波長；x為B1C1至探頭聲源距離。

圖1 超聲檢測管道內壁裂紋缺陷聲束示意

由此可知，表面開口缺陷回波聲壓PB與缺陷深度H成正比，即管道內壁裂紋高度與反射波高成正相關。

當檢測換能器晶片尺寸為a×b(長×寬),頻率為2.5 MHz，聲速為3 230 m·s-1時，換能器長度方向的半擴散角θ為

(2)

由圖1可知，當入射聲束下邊界反射至內壁裂紋上端點，上邊界入射至內壁裂紋開口處，即C,C1和O點重合時，有

LDE=LAO×sinθ=

(3)

式中：LDE與LAO分別為DE與AO的長度(其他類似表示含義依此類推)。

當a=10 mm時，θ≈3.682°，此時

LOE≈LDE，LB1C1=LB1O=

(4)

當t=20 mm,入射角為45°時，可得出LB1O=5.46 mm,由此可知，對于固定厚度為t的管道，內壁裂紋高度LB1O只與探頭參數(shù)相關，LB1O為給定檢測系統(tǒng)下特定厚度管道端角反射法可測定的最大裂紋高度，當裂紋高度大于LB1O時，回波聲壓不再隨之變化。

1.2 端點衍射法測定原理

圖2 管道內壁缺陷端點衍射法測量原理示意

管道內壁缺陷端點衍射法測量原理示意如圖2所示。由惠更斯-菲涅爾原理可知，當超聲入射波波陣面到達管道內壁開口缺陷上端點B1時，在B1點會產生衍射波，可利用相控陣扇形掃查高清成像技術采集B點端角反射信號和B1點端點衍射信號，測定缺陷BB1的高度。當表面開口缺陷高度較小時，缺陷B點的端角反射信號與B1點端點衍射信號難以區(qū)分，因此端點衍射法只能測定一定高度的管道內壁裂紋缺陷。

2 試驗驗證

2.1 試驗儀器及試塊

試驗選用PHASCAN型相控陣檢測儀，選用5L32-0.5×10-D2-T1型線陣探頭和SD2-N55S-IHC型平面楔塊，選用帶有不同深度人工裂紋缺陷的對比試塊進行靈敏度調節(jié)和數(shù)據(jù)采集，對比試塊規(guī)格為521 mmX20 mm(直徑×壁厚),對比試塊結構如圖3所示，人工缺陷參數(shù)如表1所示。

圖3 內壁帶有不同深度人工裂紋缺陷的對比試塊結構示意

表1 人工缺陷參數(shù)

2.2 端角反射法測定管道內壁裂紋

選用圖3所示的對比試塊，分別將對比試塊中不同深度缺陷在相控陣扇形掃查45°聲束附近(35°～55°聲束范圍內某一入射角)的最高反射回波調至滿屏的80%時的增益作為檢測靈敏度，測定對比試塊中不同缺陷在45°聲束附近的反射回波高度，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如圖4所示。

圖4 不同人工缺陷反射回波增益80%時測定的缺陷反射波高數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

由于所用相控陣儀器讀取反射波高上限為200%，當缺陷一以最高反射回波調至滿屏80%作為檢測靈敏度時，缺陷一的反射波高曲線提前出現(xiàn)非線性關系，這是由于對于深度小于4 mm的人工缺陷，反射回波已達到200%，曲線后期提前趨于水平。

由圖4可知，當人工裂紋缺陷深度不大于4 mm時，人工裂紋缺陷的反射回波高度與裂紋深度成正比，檢測靈敏度不影響這種關系；當人工裂紋缺陷深度大于4 mm時，裂紋缺陷反射波高不再隨裂紋深度變化而變化。這種關系同1.1節(jié)端角反射法測定原理的計算結果一致。

2.3 端點衍射法測定管道內壁裂紋

采用相控陣超聲檢測進行扇形掃查，在40°～50°聲束角度內進行數(shù)據(jù)采集，以圖3所示對比試塊中缺陷一反射回波增益的50%～90%中的某一值作為檢測靈敏度，以檢測靈敏度增益15 dB作為裂紋端點衍射信號測定靈敏度，試驗過程中通過改變聲束角度，測定對比試塊人工缺陷的最高回波，通過測定人工缺陷反射信號和端點衍射信號的深度差得出缺陷高度。

圖5 端點衍射法對對比試塊中缺陷一高度的檢測結果

圖6 端點衍射法對對比試塊缺陷二高度的檢測結果

圖7 端點衍射法對對比試塊中缺陷三高度的檢測結果

對比試塊中缺陷一、缺陷二、缺陷三使用相控陣端點衍射法測定的內壁裂紋檢測結果如圖57所示。

由圖57可知：20 mm厚對比試塊中，缺陷一上端點衍射信號和缺陷反射信號相互重疊嚴重，無法分辨和測量；缺陷二端點衍射信號和缺陷反射信號可以分辨和測量，測定的高度為1.8 mm；缺陷三端點衍射信號和反射信號分離明顯，測定高度為2.9 mm。

采用相控陣端點衍射法對20 mm厚對比試塊人工缺陷進行多次數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計，結果如表2所示。

由表2可知,對于20 mm厚對比試塊，當內壁開口缺陷自身高度為1 mm時，端點衍射法無法測定缺陷自身高度；當缺陷高度不小于2 mm時，端點衍射法可以測定管道內壁開口缺陷自身高度，并且誤差小于0.5 mm。

表2 端點衍射法測定的內壁開口缺陷數(shù)據(jù) mm

參照圖3所示對比試塊結構和表1所示缺陷參數(shù)，制作75 mm厚對比試塊并采集其中缺陷數(shù)據(jù)，缺陷一、缺陷二、缺陷三相控陣檢測結果如圖810所示。

圖8 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷一高度的檢測結果

由圖810可知,對于75 mm厚對比試塊，缺陷一上端點衍射信號和缺陷反射信號完全重疊，無法分辨和測量；缺陷二端點衍射信號和缺陷反射信號部分相互重疊，可以分辨,但不能測量；缺陷三端點衍射信號和反射信號相互分離，測定缺陷高度為3.1 mm。

圖9 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷二高度的檢測結果

圖10 端點衍射法對75 mm厚對比試塊中缺陷三高度的檢測結果

3 結論

(1) 管道內壁裂紋缺陷回波聲壓與缺陷高度成正比，即管道內壁裂紋缺陷高度與檢測反射波高成正相關；當檢測管道厚度一定時，內壁裂紋缺陷的回波聲壓存在最大值，之后缺陷反射回波聲壓不再隨裂紋缺陷高度增加而變化。

(2) 采用相控陣端角反射法測定20 mm厚管道內壁裂紋缺陷，當裂紋缺陷深度不大于4 mm時，裂紋缺陷反射回波高度與裂紋高度成正比，檢測靈敏度不影響這種關系；當裂紋缺陷高度大于4 mm時，裂紋缺陷反射波高不再隨裂紋高度變化而變化。

(3) 相控陣端點衍射法能實現(xiàn)20 mm厚管道內壁高度不小于2 mm裂紋缺陷的定量檢測，并且誤差小于0.5 mm；隨著管道厚度的增加，端點衍射法所能測定的管道內壁最小裂紋缺陷高度增大。