超聲相控陣與TOFD檢測技術測試結果對比分析

呂 磊，涂安琪，張艷飛，劉 俊

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

氣體絕緣開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）在制造過程中，如果焊接工藝不當導致GIS設備殼體產生焊縫缺陷，將對GIS設備的安全運行造成隱患。超聲相控陣（以下簡稱相控陣）及TOFD檢測技術憑借其直觀的檢測結果、對缺陷定位定量準確等特點，被廣泛應用于GIS設備等承壓部件對接焊縫檢測中，其檢測結果具有可記錄性，可據此進行溯源[1-3]。本文通過相控陣、TOFD和常規A型脈沖超聲波（以下簡稱A型脈沖）檢測技術對不同缺陷的模擬試塊進行試驗檢測，驗證TOFD及相控陣檢測技術在承壓部件對接焊縫檢測中的準確性。

1 檢測過程及結果對比

1.1 檢測儀器與試塊

相控陣檢測采用Phascan便攜式相控陣超聲檢測儀，探頭型號為5L32-0.5-10-D2，楔塊型號為SD2-N55S-IHC，采用MOS-01鼠標式單探頭焊縫掃查器，聚焦深度為30 mm，掃查角度40°~70°。TOFD檢測儀型號與相控陣檢測儀相同，探頭型號為TF5C6L，楔塊型號為A60-6N-IHC，PCS為46.18 mm。A型脈沖檢測儀型號為USM35X，探頭型號為5Z10×10K2.5探頭，實測探頭折射角為68.8°。

模擬試塊共3件，分別編號1號、2號、3號，尺寸為200 mm×150 mm×20 mm（長×寬×高），內部缺陷分別設置坡口未熔合、裂紋、夾渣。以下分別利用相控陣、TOFD、A型脈沖檢測技術對試塊進行檢測。

1.2 坡口未熔合缺陷檢測

1號試塊內部預埋坡口未熔合缺陷，缺陷位于焊縫熔合線處，長度為18 mm，深度為8 mm，自身高度為5 mm。試塊X射線底片見圖1，相控陣檢測圖譜見圖2，TOFD檢測圖譜見圖3。圖1中缺陷呈現連續平直的黑線，線的輪廓整齊且黑度大，黑線位于中心至焊縫邊緣之間，沿焊縫縱向延伸，具有坡口未熔合的形貌特征。A型脈沖檢測缺陷波形中反射波波峰十分尖銳，波峰寬度很窄，波高超過Ⅲ區，為RL+14 dB，缺陷位于偏離焊縫中心3 mm，在另一側檢測時也能發現缺陷波，但缺陷波波高很低，具有坡口未熔合缺陷波特征。圖2的相控陣圖譜主要由上部S掃圖、右側A掃圖及底部C掃圖構成，S掃圖中缺陷沿著坡口縱向分布，A掃圖中缺陷反射波十分尖銳且波高達到Ⅲ區，C掃圖中紅色區域為缺陷沿焊縫縱向長度，從缺陷位置及A掃圖綜合分析可推斷，缺陷為靠近探頭側坡口未熔合。觀察圖3可知，TOFD缺陷圖譜由A掃圖及B掃圖組成，B掃圖中可以清晰看到缺陷上端點衍射波及缺陷下端點衍射波，缺陷衍射波平直，兩端點呈現月牙狀。對缺陷進行測長、測深、測高，結果見表1。

表1 1號試塊坡口未熔合缺陷檢測結果

圖1 1號試塊射線底片

圖2 1號試塊相控陣檢測缺陷波形

圖3 1號試塊TOFD檢測缺陷波形

1.3 裂紋缺陷檢測

2號試塊內部預埋裂紋缺陷，缺陷位于焊縫中心處，長22 mm，深7 mm，自身高度6 mm。試塊X射線底片見圖4，相控陣檢測圖譜見圖5，TOFD檢測圖譜見圖6。圖4中在焊縫中心處呈現黑線，輪廓清晰，黑線上有微小鋸齒，線的粗細和黑度有變化，線的尖端較細，端頭有絲狀陰影延伸，具有裂紋的形貌特征。A型脈沖檢測缺陷波形中反射波波峰較尖銳，波峰較窄，波高為Ⅲ區，波高為RL，缺陷位于偏離焊縫中心0.3 mm，兩側均檢測出裂紋缺陷波。觀察圖5可知，裂紋缺陷位于焊縫中心，A掃圖顯示缺陷反射波較尖銳且波高達到Ⅲ區，從缺陷位置及A掃圖綜合分析可推斷，缺陷為焊縫中心裂紋。TOFD缺陷圖譜中裂紋缺陷上下端點不規則，信號不連續，信號端部有許多小的端角。對缺陷進行測長、測深、測高，結果見表2。

圖4 2號試塊射線底片

圖6 2號試塊TOFD檢測缺陷波形

表2 2號試塊裂紋缺陷檢測結果

圖5 2號試塊相控陣檢測缺陷波形

1.4 夾渣缺陷檢測

3號試塊內部預埋夾渣缺陷，缺陷位于焊縫中心處，長20 mm，深10 mm，自身高度3 mm。試塊X射線底片見圖7，相控陣檢測圖譜見圖8，TOFD檢測圖譜見圖9。圖7中影像在焊縫中心處呈現方塊狀，輪廓清晰、不圓滑、不規則，顏色較暗，根據形貌判斷為夾渣。A型脈沖檢測缺陷波形中反射波波峰不很尖銳，波峰較寬，波高為Ⅲ區，波高為RL，缺陷位于焊縫中心，兩側均檢測出夾渣缺陷波。觀察圖8可知，夾渣缺陷位于焊縫中心，沿焊縫長度縱向分布。圖9的TOFD缺陷圖譜中條渣缺陷在長度方向有一段平直信號，時斷時續，頭尾呈現弧形，上下端點不規則，信號不連續，信號端部有許多小的端角。對缺陷進行測長、測深、測高，結果見表3。

表3 3號試塊夾渣缺陷檢測結果

圖7 3號試塊射線底片

圖8 3號試塊相控陣檢測缺陷波形

圖9 3號試塊TOFD檢測缺陷波形

2 試驗數據分析

由以上分析可知，相控陣與TOFD檢測技術較常規A型脈沖檢測技術在缺陷測長、測高、測深方面更為精確。相控陣檢測技術與TOFD檢測技術均能夠有效檢測面積型缺陷（裂紋、未熔合）與體積型缺陷（氣孔、夾渣），檢測結果誤差見表4。A型脈沖檢測技術在缺陷深度定量及自身高度測量方面存在較大誤差，這首先是因為不能有效檢測缺陷上端點及下端點，從而導致測量缺陷自身高度有偏差；其次由于聲束角度單一，其波幅最高處應為聲束與缺陷垂直處，該處深度一般不是缺陷上端點，因此深度測量有較大差異。相控陣探頭由一系列陣元組成，計算機可以控制各陣元激勵時間及先后順序，從而控制聲束角度，不移動探頭就能夠實現大范圍聲束覆蓋，找到角度合適的聲束垂直射到缺陷上下端點，從而有效檢測缺陷深度及自身高度。TOFD檢測技術是利用缺陷上端點及下端點衍射波對缺陷進行定位定量。衍射波與反射波相比波幅更低，一般為反射波的1/8，因此TOFD檢測技術對于微小缺陷的定位定量更準確，其缺陷測深及自身高度測量也比相控陣準確。在測長方面，A型脈沖檢測技術使用-6 dB法，受人為影響較大，誤差偏大；相控陣檢測技術與TOFD檢測技術采用編碼器記錄探頭移動距離，最終通過軟件分析得出缺陷長度，因此準確率更高。根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》，當采用不可記錄的脈沖反射法進行超聲檢測時，應當采用射線檢測或TOFD檢測進行局部檢測[4]。因此可采用常規超聲檢測技術對對接接頭進行快速大范圍掃查，大致了解部件缺陷情況，然后采用TOFD或相控陣檢測技術對缺陷進行精確測量[5-7]。

表4 相控陣和TOFD檢測誤差 %

3 結語

相控陣、TOFD、A型脈沖3種檢測方法對裂紋、未熔合、夾渣缺陷都能夠有效檢測。A型脈沖檢測技術由于聲束單一，對缺陷測深誤差較大，因此需要選擇合適探頭。對現場檢測空間限制較大的部件，推薦采多組角度探頭進行超聲檢測。TOFD檢測技術對缺陷高度定量最準確，且隨著厚度增加其精度越高，推薦在壁厚較大的部件中采用。相控陣檢測技術在不移動探頭情況下實現多角度掃查，檢測結果更直觀，推薦在現場檢測空間較好的中厚部件中采用。