全聚焦相控陣超聲檢測技術在球罐定期檢驗中的應用

胡利晨* 黃 輝 王紅源 張子健 金 偉 胡煒煒

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 2.寧波市勞動安全技術服務有限公司）

0 引言

目前，承壓類特種設備行業對工件內部缺陷進行檢測的方法主要包括射線檢測和超聲檢測。化工企業對于設備檢修時間控制越來越嚴格，因此對檢測效率和檢測數據可靠性的要求也不斷提高，超聲檢測技術要向更加快速可靠，缺陷顯示更加直觀，對缺陷的描述更加準確的方向不斷進步。因此，原有的以A型顯示手工操作為主的常規的A 型脈沖超聲檢測難以滿足新的需求，因此基于掃查裝置和行走編碼器的多維超聲成像檢測技術、衍射時差法超聲檢測技術（TOFD）和相控陣超聲檢測技術（PA）等不斷發展[1]。其中PA 檢測因具有靈活的聲束控制、聚焦設定以及快速實時成像等特點得到了越來越多的關注，成為超聲檢測領域新的研究熱點，目前已得到了較為廣泛的應用，相關檢驗檢測標準已頒布，國內人員PA 資質考核也在逐步開展。

全聚焦成像（TFM）是一種新的相控陣成像技術，基于全矩陣采集FMC 數據進行的一種后處理成像算法，TFM 成像算法對檢測區域內的每一個像素點都進行類似于相控陣技術的延遲聚焦計算，使得每個晶片都接收所有晶片的聲場回波信號，然后進行疊加。通過全矩陣捕捉（FMC）實現更高精度的分辨率和更高的檢測靈敏度，減弱普通相控陣超聲檢測中聲場對缺陷方向的敏感程度，增強結果的可視化程度，使得結果顯示更直觀更簡潔。能對缺陷形貌進行較準確地還原，對缺陷尺寸的測量精度很高[2]，與傳統的相控陣技術相比，TFM 技術具有近場區靈敏度高和分辨強、表面盲區小等優勢。隨著TFM 技術不斷發展，其已逐漸克服檢測速度慢、僅適用較薄工件等局限性，該技術也是焊接接頭相控陣超聲檢測未來的發展方向之一。

1 聲學方法檢測比對

1.1 脈沖反射法超聲檢測

在定期檢驗中某球罐（材質為07MnCrMoVR，壁厚為50 mm，X 形坡口）經常規超聲檢測后發現存在1 處超標缺陷，按NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3 部分：超聲檢測》評定為Ⅲ級，其具體尺寸為：深為25.6 mm,長為91 mm，高度為4.2 mm，缺陷波幅為SL+10.9 dB，如圖1 所示。參考脈沖反射超聲檢測的原理，測量結果的準確性取決于聲束與缺陷相對位置是否垂直，缺陷性質與走向，檢測人員熟練程度等。由于無法對焊縫內部的結構進行宏觀檢測，只能依靠檢測人員的經驗對缺陷進行定量和定性，尤其是缺陷性質的判斷和自身高度的測量，具有較大的難度，對于人員經驗要求極高。根據缺陷的具體深度，預判該缺陷為未焊透或坡口未熔合。

圖1 常規超聲檢測

1.2 TOFD檢測

采用TOFD 檢測后發現該超標缺陷的具體尺寸為：深為25.7 mm,長為83.9 mm,高度為3.5 mm。如圖2 所示，因為衍射信號與角度和振幅無關，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區別，TOFD 檢測具有缺陷檢出率高、容易檢出方向性不好的缺陷，可以識別向表面延伸的缺陷，可沿焊縫作一維掃查，具有較高的檢測速度，缺陷定量、定位精度高等優點。但TOFD 檢測也存在一些局限性，在工件上、下表面附近存在一定的檢測盲區，容易夸大一些良性缺陷,如氣孔、冷夾層等、點狀缺陷精確測量難度大。TOFD 圖譜相比于脈沖反射法的A 型圖像更利于識別缺陷，一定程度上可以排除雜波的干擾，但是TOFD 圖像識別和判讀具有一定的難度，數據分析需要豐富的經驗。根據圖2 可以預判，該缺陷為未熔合或條渣。

圖2 TOFD檢測圖像

1.3 全聚焦相控陣超聲檢測

為了進一步精確測量缺陷尺寸和確定缺陷性質，采用了帶有實時全聚焦成像（TFM）功能的相控陣超聲檢測儀進行了缺陷復驗，設備型號為M2M 公司的GEKKO 儀器，檢測效果良好，可以更清晰地顯示缺陷形貌及位置特征，檢測結果如圖3 所示，選取了缺陷長度上最嚴重的的缺陷某截面檢測圖譜，從圖3 可以看出其具體尺寸為：缺陷中心深度為29.9 mm,深為26.6 mm,長為76 mm,高度為5.3 mm。當然具體的缺陷尺寸還需要結合多處檢測截面綜合分析得出，最終該缺陷尺寸評定為缺陷中心深度為29.9 mm,深為25.3 mm,長為76 mm,高度為5.3 mm，全聚焦相控陣檢測技術對于缺陷的定量和定性都是極為準確的，從圖3 可以看出缺陷剛好位于坡口的位置，基本上可以確定為坡口未熔合缺陷。

圖3 全聚焦相控陣檢測

2 CIVA仿真計算

對于結構復雜或材料組成較為復雜的工件，可采用CIVA 仿真技術指導相控陣檢測工藝的制定，國內目前采用CIVA 仿真技術模擬工藝的文獻資料較多，涂春磊等[3]有對對接焊縫相控陣超聲檢測可靠性進行了CIVA 仿真與實驗分析，張子健等[4-5]采用CIVA 聲場計算模塊和缺陷響應模塊計算了厚壁奧氏體不銹鋼的相控陣檢測工藝，何慈武等[6]采用CIVA軟件對不同曲率下的未熔合、未焊透、裂紋和夾渣進行了仿真計算，研究了不同曲率對信號回波的影響，張超才等[7]通過CIVA 軟件研究了表面粗糙度、晶粒度等材料特性對聲場影響的仿真研究。但對于全聚焦相控陣的CIVA 仿真目前文獻資料還比較少，因此本文進一步對對接焊縫上的未熔合缺陷進行了PA 檢測及全聚焦相控陣的CIVA 比對仿真。如圖4 所示，在CIVA 軟件中建立未熔合缺陷模型，坡口為60°，用5 mm×5 mm（長×寬）的矩形缺陷模擬未熔合，仿真采用常規相控陣橫波斜入射法，扇形掃查，入射角為30°～65°，激勵陣元數為32 個，陣元寬度為0.3 mm，陣元間距為0.4 mm，探頭頻率為5 MHz。

圖4 PA檢測的CIVA仿真

由仿真結果圖4 b）可知，CIVA 軟件可以仿真得到清晰的未熔合缺陷圖像，其長度、寬度、埋藏深度以及回波幅值均可以準確的測量，自身高度測量值為5.3 mm，驗證了PA 檢測對坡口未熔合具有較高的檢測靈敏度，信噪比強。

圖5 為全聚焦相控陣人工缺陷未熔合缺陷仿真圖，同樣選用5 mm×5 mm（長×寬）的矩形缺陷模擬未熔合。其中圖5 a）為缺陷模型，圖5 b）為TFM 圖譜，由仿真結果可得，CIVA 軟件同樣可以仿真得到清晰的未熔合缺陷圖像，自身高度測量值為4.8 mm。從圖5 可以看出，該技術對坡口未熔合具有更高的檢測靈敏度，相比于圖4 b），缺陷部位聚焦效果高，一定程度上消除了缺陷兩端的幻影圖像，對于缺陷的精確定量具有很大的幫助。

圖5 全聚焦相控陣CIVA仿真

3 結語

通過CIVA 仿真計算發現相控陣檢測對于球罐焊縫中的坡口未熔合缺陷具有很好的檢出效果，尤其是采用了全聚焦相控陣技術，得到的缺陷圖譜可識別度更高，缺陷的位置可以顯示在檢測軟件的焊縫模型中，可視化程度高，有助于檢測人員判斷缺陷的性質。通過對比研究PA 檢測、A 型脈沖超聲檢測以及TOFD 檢測等多種聲學方法，可以看出相控陣技術，尤其是具有全聚焦功能的相控陣對球罐焊縫中典型缺陷的定性和缺陷尺寸精確測量具有較大的優勢，在石化企業的重大核心設備檢測中具有廣泛的應用前景。