超聲成像技術在阿爾塔什水利樞紐工程金屬結構檢測中的應用

吳艷民，伍衛平，袁政委

（1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發有限公司，新疆 喀什 844000；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044）

1 前言

阿爾塔什水利樞紐工程為大（1）型Ⅰ等工程，是新疆目前最大的水利樞紐，其金屬結構和機電設備中大量采用了800MPa和600MPa級的高強鋼，其制造安裝質量(尤其是焊接質量)不僅關系到大壩和電站的安全，也將直接關系到安裝調試是否順利和商業運行階段能否正常進行。因此，水工金屬結構的制造安裝質量檢驗工作，對于保證水利工程正常穩定和安全運行是十分重要的。然而，部分關鍵受力和承載的水工金屬結構因其具有較大的厚度、復雜的結構和受限的可接近性，在進行母材和焊縫的無損檢測時，常規超聲波檢測技術(UT)已經很難滿足其檢測的要求，射線(RT)檢測有輻射須清場且檢測效率低下，而且一些特殊部位也無能為力。對于結構簡單的中厚板對接類焊縫，可采用超聲衍射時差法(TOFD)成像技術，該技術綠色環保、檢測效率高，缺陷檢出率高。而對于水工金屬結構中的幾何結構不規則部位(T、K、Y型)，高效的TOFD技術也無能為力；此時，采用超聲相控陣(PAUT)成像新技術，通過A、B、C、S掃描等各種掃描方式，對母材及焊縫進行聲束全體積覆蓋的檢測，突破了水工金屬結構具有較大厚度、復雜結構和受限的可接近性等條件的制約，實現對結構的多方位成像掃描，精確檢測結構的損傷部位和評判損傷的嚴重程度。本文主要討論先進的基于超聲成像技術的衍射時差法超聲技術(TOFD)和相控陣超聲技術(PAUT)在阿爾塔什工程中的應用。

2 衍射時差法超聲技術(TOFD)

超聲衍射時差法（Time of flight of diffraction，TOFD）是一種依靠從缺陷的端角和端點處得到的衍射信號來檢測焊縫中缺陷的方法，其基本原理是以直通波和底面反射波為參考基準波，根據缺陷端部產生的衍射信號的時差參數，通過一定的幾何三角關系計算，對缺陷進行定位和定量，圖1為檢測原理圖。TOFD技術能夠對焊縫缺陷進行高效快速的成像檢測，其具有檢測速度快、定量精度高、定位準確、可確定缺陷尺寸和檢測結果直觀等優點。

圖1 TOFD檢測原理圖

因為焊縫缺陷的衍射信號具有與衍射信號的角度無關和與衍射信號的幅度無關的特點，所以，TOFD技術在原理和方法上與傳統脈沖反射超聲波檢測技術有根本性的區別。

3 相控陣超聲技術(PAUT)

3.1 PAUT技術的基本原理

常規超聲檢測多用聲束擴散的單晶探頭，超聲場以單一折射角沿聲束軸線傳播。超聲相控陣成像技術是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵（或接收）脈沖的規則和時序（時間延遲），改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，實現聲束的偏轉和聚焦，實現對結構的多方位掃描，聚焦的掃描聲束可以檢出不同方位的裂紋，具有高分辨率、高信噪比、高缺陷檢出率和檢測可靠性等特點。常規單晶探頭和陣列多晶探頭對多向

裂紋的檢測比較，如圖2所示。

圖2 常規單晶探頭

相控陣超聲掃查圖像主要可以分為A顯示、B顯示、C顯示、D顯示、S顯示等。可以將焊縫坡口形狀疊加到掃描圖像中顯示，可以較準確地判斷缺陷的性質，檢測結果信息更豐富，結果更直觀。計算機控制的相控陣聲束掃描模式主要分為三種：電子掃描（E-Scan）、扇形掃描（S-Scan）、深度聚焦（DF）。圖3為3種掃描模式的示意圖。

圖3 相控陣聲束掃描的三種模式

常規超聲檢測中常采用圖4中左圖所示的光柵式掃查；而超聲相控陣焊縫檢測和腐蝕檢測中常采用如圖4中右圖所示的單軸直線掃查，用一位置編碼器沿掃查軸來標定數據搜索位置，檢測數據自動記錄，其速度要比等效的常規超聲檢測——“光柵式”掃查快一個數量級。

圖4 光柵式掃查和直線掃查模式示意圖

3.2 PAUT技術的聲速覆蓋范圍模擬

針對阿爾塔什水工金屬結構的不同幾何結構型式及板材厚度，利用ESBeam Tool軟件進行聲束覆蓋和焊縫結構的模擬仿真，設計合理高效的檢測工藝，對母材及焊縫進行聲束全體積覆蓋的檢測。PAUT聲束覆蓋模擬圖如圖5。

圖5 PAUT聲束覆蓋模擬

4 阿爾塔什水利樞紐工程中超聲成像檢測數據分析

本部分重點分析不等厚厚板對接焊縫、等厚厚板對接焊縫、非規則結構焊縫的TOFD、PAUT檢測數據。

4.1 不等厚厚板對接焊縫檢測中的應用

在對主電站某臺機組蝸殼環縫(兩側母材厚度分別為60mm、62mm，材質為Q345D)進行TOFD非平行檢測時，發現了大量深度帶比較一致的衍射信號，為了進一步確定衍射信號來自焊縫還是母材，進行了垂直于焊縫的非平行掃查，從一側母材越過焊縫區繼續掃查至另一側母材，發現衍射信號來自下游側管節，深度位于30～34mm，大約位于板厚中間位置，為偏析類母材缺陷；通過常規UT技術橫波斜探頭和縱波直探頭檢測，反射信號均非常微弱。蝸殼某條環縫TOFD圖譜數據，如圖6所示。

圖6 蝸殼某條環縫TOFD圖譜數據

4.2 等厚厚板對接焊縫檢測中的應用

主電站壓力管道1#岔管某條環縫進行T OFD和PAUT檢測，板材厚度為48mm，材質為Q690CFE。根據TOFD圖譜測量，缺欠深度為39.9mm至底部，長度為256mm；根據PAUT圖譜測量，缺陷信號深度從36mm至底面，缺陷長度為258mm之間。TOFD和PAUT檢測結果數據吻合較好。

岔管某條環縫TOFD及PAUT圖譜數據，如圖7所示。

圖7 岔管某條環縫TOFD及PAUT圖譜數據

4.3 在非規則結構焊縫中的應用

對主電站壓力管道2#岔管月牙肋與殼板組合焊縫進行PAUT檢測，殼板厚度為48mm，材質為Q690CFE。

根據TOFD圖譜測量，缺陷的深度為22.9mm，長度為68mm。岔管月牙肋與殼板組合焊縫PAUT圖譜，如圖8。

圖8 岔管月牙肋與殼板組合焊縫PAUT圖譜

5 結語

作為新疆目前最大的水利樞紐工程，成功地采用了基于超聲成像技術的衍射時差法超聲技術(TOFD)和相控陣超聲技術(PAUT)對阿爾塔什工程金屬結構和機電設備進行了檢測。針對中厚板對接類焊縫、幾何結構不規則部位的檢測，超聲成像檢測新技術(TOFD和PAUT)具有明顯的優勢，具有較高水平的創新因素和推廣價值。