小徑管相控陣超聲檢測中不同管徑成像機制對比研究

李 洋 陳積樂

（1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)有限公司 2.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院）

0 前言

隨著無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的高新無損檢測技術(shù)被應(yīng)用在生產(chǎn)活動中，諸如衍射時差法檢測（TOFD）、數(shù)字射線檢測（DR）、相控陣超聲檢測（PAUT）等技術(shù)發(fā)展日趨成熟，給無損檢測工作帶來了極大便利。在高新無損檢測技術(shù)中，相控陣超聲檢測技術(shù)已逐漸發(fā)展完善。相控超聲檢測技術(shù)是把n個相互獨立的壓電單元按一定順序進(jìn)行排列組合，形成特定陣列，通過控制每個陣元的相對時間延時來激勵發(fā)射超聲波波束在檢測物體內(nèi)部實現(xiàn)聚焦、偏轉(zhuǎn)或聚焦偏轉(zhuǎn)，在接收回波信號后通過延時補償、信號疊加等一系列處理，使物體內(nèi)部信息更清晰、直觀地表現(xiàn)出來[1]。相控陣超聲是檢測材料內(nèi)部缺陷的重要手段，其優(yōu)勢十分明顯，既具備對面積型缺陷檢測時高度靈敏的特性，又具有直觀的缺陷顯示圖像，因此相控陣超聲檢測在各行業(yè)的無損檢測中應(yīng)用越來越廣泛。

在小徑管環(huán)焊縫無損檢測中，相控陣超聲檢測方法已得到應(yīng)用[2]。在管道焊縫檢測中，PAUT具有較高的檢出率，95%置信度下達(dá)到90%檢出率的缺陷尺寸為0.92 mm[3]。相控陣換能器由多個壓電晶片組成，一次檢測中進(jìn)入工件中的聲束具有多個角度，減少了探頭的移動距離，為檢測效率的提升奠定基礎(chǔ)。通過聚焦法則控制超聲脈沖延時，可實現(xiàn)聲束在工件中聚焦，獲得良好的檢測靈敏度。焊縫PAUT檢測是以成像顯示檢測結(jié)果,即將采集的三維數(shù)據(jù)體按照實際的物理位置關(guān)系重構(gòu)后顯示在不同平面上的圖像。目前的相控陣超聲檢測儀器能提供多種成像顯示，如A型顯示、S型顯示、C型顯示等，為檢測人員判別缺陷真?zhèn)翁峁┝藥椭箼z測結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

小徑管環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測屬于曲面工件的檢測，相對于平面工件的檢測，曲面工件的檢測更加復(fù)雜。曲面工件的檢測效果根據(jù)不同的曲率半徑而不同，曲率半徑越小，檢測效果越差，這就給小徑管的檢測工作帶來了困難。因此，分析不同管徑相控陣超聲檢測成像機制，是提升小徑管環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測效果的關(guān)鍵。

1 成像機制

采用相控陣超聲檢測曲面工件時，不同的曲率半徑對檢測效果有著不同的影響。在相控陣超聲小徑管檢測應(yīng)用中，超聲波聲束從相控陣換能器陣列中按照既定的延遲發(fā)射，通過有機玻璃楔塊斜射入到工件中，在界面上波形轉(zhuǎn)換形成橫波傳播。由相控陣超聲檢測的特點可知，超聲波束在換能器晶片排列方向上形成聚焦，使該方法具有很高的檢測靈敏度。為保護(hù)換能器以及適應(yīng)不同管徑的工件，檢測時通常使用曲面楔塊，當(dāng)曲面楔塊的曲率半徑越接近工件的曲率半徑時，聲束的能量損失就越小。當(dāng)楔塊的曲率半徑與工件的曲率半徑一致時，換能器產(chǎn)生的聲束能全部進(jìn)入到工件中，損失能量最小[4]。楔塊與曲面耦合，聲束在經(jīng)過界面時，相當(dāng)于聲束經(jīng)過凸形界面（從入射方向看）進(jìn)入鋼材質(zhì)的工件中，因為有機玻璃中聲速小于鋼中的聲速，由折射定律可知聲束在鋼材質(zhì)管體中發(fā)散，如圖1所示。同時，由于相控陣聚焦法則的存在，聲束在換能器晶片的排列方向可實現(xiàn)電子聚焦。所以相控陣超聲檢測曲面工件時，聲束在晶片排列的方向上匯聚，聲束能量集中，檢測靈敏度很高；在晶片長度的方向上發(fā)散，聲束能量發(fā)散，檢測靈敏度降低。

圖1 聲束在小徑管中的傳播規(guī)律

在換能器通過曲面楔塊與小徑管完全貼合的情況下，聲束在不同的管徑中折射角度不同。聲束在晶片排列方向上匯聚是由相控陣聚焦法則控制，不同管徑的聚焦可通過儀器設(shè)置聚焦法則來達(dá)成一致，對不同管徑的檢測無影響，所以無需討論。但在晶片的長度方向上，聲束進(jìn)入工件受到折射定律的影響，曲面直接影響了聲束的入射角度。聲束從凹面的有機玻璃楔塊進(jìn)入到金屬材料中，折射規(guī)律如圖1所示。由折射定律可知：

式中：CL1——有機玻璃中縱波聲速；

Cs2——金屬管體中橫波聲速；

b——入射角；

c——金屬管體中橫波折射角。

由式（1）變換后可得：

從圖1的幾何關(guān)系中不難得到：

式中：a——小徑管弧面法線與入射主聲束的夾角；

D——有機玻璃楔塊長度的一半；

R——小徑管半徑。

由式（2）和式（3）可得：

從式（4）可以看出，管體中橫波的折射角度隨著小徑管半徑的不同而不同，半徑越小，折射角度越大，聲束發(fā)散越嚴(yán)重，對檢測越不利。

在相控陣超聲小徑管檢測應(yīng)用中，聲束能量在小徑管中的分布情況可以看作由晶片排列方向與晶片長度方向的能量分布疊加，由于曲率半徑的影響，晶片長度方向的能量發(fā)散，導(dǎo)致聲束能量在小徑管中發(fā)散，檢測靈敏度下降。而管徑越小，能量發(fā)散越嚴(yán)重，靈敏度就越低。下面通過對比實驗驗證不同管徑下相控陣檢測的成像效果。

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

本實驗采用16晶片換能器相控陣超聲檢測系統(tǒng)分別對不同管徑的小徑管環(huán)焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測，小徑管環(huán)焊縫中預(yù)埋有相同類型的缺陷，通過比較不同管徑相同類型缺陷回波的幅值大小來判定不同管徑下相控陣超聲檢測的成像效果。實驗系統(tǒng)部件型號如表1所示。

表1 實驗系統(tǒng)部件

2.2 實驗測試

分別按照不同的管徑規(guī)格調(diào)節(jié)校準(zhǔn)儀器，使用相同的檢測靈敏度，對不同管徑的管材進(jìn)行掃查，分別記錄圖像數(shù)據(jù)。使用相控陣圖譜分析軟件Suport打開檢測圖像，檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 小徑管相控陣超聲檢測圖譜

2.3 結(jié)果對比

從相控陣超聲檢測圖像可以明顯看出，70 mm管件的缺陷顯示顏色最深，60 mm管件缺陷顯示顏色次之，51 mm管件缺陷顯示顏色最淺。圖像中顏色深淺表示缺陷回波幅值高低，即70 mm管件缺陷回波幅值最高，51 mm管件缺陷回波幅值最低。不同管徑的管件夾鎢缺陷回波幅值如表2所示。

表2 不同管徑缺陷檢出幅值

從表2可知：管徑越大，缺陷檢出幅值越大。這說明較大的管徑具有更高的檢測靈敏度，這與理論分析的結(jié)果一致，即管徑越小，缺陷檢出靈敏度越低，越難檢出小缺陷。

3 分析與討論

在小徑管相控陣超聲檢測過程中，曲率過大會給檢測帶來不利的影響。首先，不同的管徑需要配備不同曲率的楔塊，這對檢測成本要求較高，裝配不同的楔塊也會影響檢測效率，其次，曲率的存在會導(dǎo)致聲束擴(kuò)散，降低檢測靈敏度。

為了解決聲束在小徑管中發(fā)散使檢測靈敏度降低的問題，通常可以通過采用自聚焦相控陣超聲換能器，即將晶片在長度方向上彎曲，使聲束在晶片中產(chǎn)生時就開始匯聚，這樣可使聲束進(jìn)入到工件中時保持匯聚，從而提高檢測靈敏度。

通過前面的分析和實驗可知：在實際小徑管相控陣超聲檢測中，管徑越小，進(jìn)入工件中的超聲波聲束越發(fā)散，檢測靈敏度越低。解決小徑管檢測靈敏度低的方法是：換能器應(yīng)選用自聚焦相控陣換能器，校準(zhǔn)儀器時，使用曲率與待檢工件相近的GS試塊，這樣能保證檢測靈敏度受標(biāo)準(zhǔn)控制，不會產(chǎn)生漏檢現(xiàn)象。