淺談相控陣全自動超聲波檢測技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用

淺談相控陣全自動超聲波檢測技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用

1相控陣aut技術(shù)的原理西氣東輸工程是我國第一個將多功能超聲波技術(shù)應(yīng)用于項目實際的工程。然而，由于設(shè)備引入后迅速投資項目，許多部門的測試人員沒有進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，他們對相控陣設(shè)備硬件工作原理和相控陣檢測技術(shù)的原理了解不多，也無法解決項目的一些實際困難。日前國內(nèi)已有一些學(xué)者對相控陣AUT技術(shù)進(jìn)行過介紹,但AUT技術(shù)作為超聲波檢測技術(shù)的一項應(yīng)用,在引入相控陣技術(shù)之后,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展,相控陣AUT系統(tǒng)無論在設(shè)備的硬件方面,還是在控制系統(tǒng)的軟件方面,與傳統(tǒng)手動超聲波檢測技術(shù)相比(包括目前一些數(shù)字超聲波檢測設(shè)備),都有了一個質(zhì)的突變。因此,本文將結(jié)合筆者一年多來對R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備的了解和該設(shè)備在西氣東輸工程的使用情況,介紹該設(shè)備的工作原理,重點介紹相控陣技術(shù)的原理,并結(jié)合實例簡要介紹西氣東輸工程中全自動超聲波檢測的一些關(guān)鍵參數(shù),以供大家討論。2年r/dct公司的多接頭超聲波檢測系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代初期開始,歐美一些技術(shù)公司就著手開發(fā)全自動超聲波檢測設(shè)備,具有代表性的公司有荷蘭RTD公司、美國SHOW公司以及加拿大的R/DTech公司等,到90年代末期這些公司代表產(chǎn)品主要是多探頭結(jié)構(gòu)的超聲波檢測系統(tǒng)(見圖1)。多探頭超聲波檢測系統(tǒng)探頭盤比較笨重,對不同工件適應(yīng)性較差,根據(jù)工件壁厚的差異一般需要配置10～30個以上的探頭。90年代末期,R/DTech公司研制出了體積較小的相控陣超聲波檢測系統(tǒng)(見圖2)。相控陣超聲波系統(tǒng)與多探頭超聲波系統(tǒng)主要區(qū)別是探頭的結(jié)構(gòu)不同,它采用了特制的相控陣探頭,探頭根據(jù)不同需要將多個晶片排列在里面,每個晶片相當(dāng)于一個普通探頭,因此,該系統(tǒng)探頭盤重量相比多探頭系統(tǒng)大大減小,最主要的是在不改動或較少改動的情況下,同一組探頭可以適應(yīng)不同管徑、不同壁厚工件檢測的需要。相控陣AUT系統(tǒng)與多探頭AUT系統(tǒng)性能比較如表1所示。因此相控陣AUT技術(shù)與多探頭AUT技術(shù)相比具有較強(qiáng)的適用性,必將成為全自動超聲波檢測技術(shù)的一個發(fā)展方向。3晶片入射角的影響相控陣全自動超聲波檢測技術(shù)實際上是利用電子技術(shù)來控制超聲波聲束的合成來實現(xiàn)不同角度、不同方位的聲束,以達(dá)到用同一探頭實現(xiàn)對不同規(guī)格、不同尺寸工件探傷的需要。相控陣AUT原理,都是圍繞晶片的延遲時間來進(jìn)行的,相控陣探頭中的每一具晶片被獨(dú)立地激發(fā)并根據(jù)需要被施加不同的延遲時間,使合成聲束達(dá)到改變聚焦角度和聚焦范圍的目的。晶片的延遲時間決定了聚焦聲束的大小、聚焦范圍、閘門大小,晶片的尺寸決定著聲束可變角度的范圍。理論上相控陣技術(shù)可以使超聲波聲束角度任意可調(diào)。實際上為了避免溫度、聲速等的影響,最大聲束角度一般不大于70°。圖3是R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備在西氣東輸工程應(yīng)用中探頭的一些選擇參數(shù),晶片半擴(kuò)散角如圖4所示。由圖3和圖4可知在X方向上,半擴(kuò)散角θ2=arcsinλ2aλ2a=18°;在Y方向上,半擴(kuò)散角θ1=arcsinλ2bλ2b=1.8°由于超聲波能量主要集中在2θ2的擴(kuò)散角范圍之內(nèi),因此,在X方向上,任一晶片在斜塊中的入射角范圍為(α-18°)～(α+18°),即15.7°～51.7°,在本例中探頭的第一臨界角和第二臨界角分別為23.2°和45.8°,晶片的入射角范圍大于第一臨界角與第二臨界角之間的范圍,保證了在工件中產(chǎn)生各種性質(zhì)、角度聲束的需要,如圖5所示。實際上晶片的折射聲束覆蓋了焊縫各個區(qū)域,包括縱波和橫波。橫波主要應(yīng)用于焊縫的A掃描和B掃描,縱波主要應(yīng)用在TOFD掃描。由于各角度的折射波在工件中的聲程不同,其運(yùn)動時間也不同,通過控制晶片閘門的位置,可以屏蔽掉不需要的折射波,因此接收到聲束被限制在一個角度很小的范圍之內(nèi),角度的小大與閘門的位置相關(guān)。對于每一晶片,根據(jù)不同聲程的聲束運(yùn)動時間不同,獨(dú)立地設(shè)置各自的延遲時間,使各晶片發(fā)射的聲束到焊縫中的某一點的往返時間相同,相當(dāng)于一個聚焦探頭所產(chǎn)生的聲束,如圖6所示。通過晶片發(fā)射時間的延遲,保證在同一時刻每個晶片能接收到各自的反射波,這一過程通過獨(dú)立控制晶片的延遲,完成了探頭角度的選擇和對不同位置缺陷的聚焦,其原理如圖7和圖8所示。這一點類似于波的疊加原理和惠更斯原理,以前一些學(xué)者在介紹相控陣AUT原理時基本上都是以這兩種原理來進(jìn)行闡述的。實際上,各晶片僅僅是控制其聲束的往返時間相同,而需要在同時接收到各自的反射波,以達(dá)到每個晶片電脈沖信號的疊加,因此各晶片所發(fā)射的聲束到達(dá)指定地點的時間相差△t/2,在任意時刻各質(zhì)點波陣面的焦點位置是實際焦點聲程的2倍,在焦點處的實際聲壓并不等于各晶片聲壓之和,這就是電子聚焦與物理聚焦不同之處,因此通過波的疊加原理和惠更期原理來解釋并不十分合適,但電子聚集的目的是為了起到物理聚集的相同效果,在超聲波探傷理論上忽略電子設(shè)備的工作過程,用波的疊加原理和惠更期原理解釋就比較容易理解了。理論上,線陣探頭晶片在X軸方向上的焦點尺寸可以聚焦在一條線上,實際上,由于晶片的延遲時間并非線性可調(diào),因此各晶片在焦點處的聲程存在一定的誤差,如圖9所示,晶片的最小延遲時間決定了焦點誤差△H的大小,其關(guān)系如下:H∝T(1)式中T—晶片最小可控延遲時間R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備最小可控延遲時間為2ns。在圖9中,S為從晶片至焦點處的聲程,S′為經(jīng)過T時間后實際焦點位置,在西氣東輸工程實例中,△H小于1.2mm,因此焦點尺寸在晶片X方向上大小一般小于2.5mm,晶片聲程越近,焦點尺寸越小,這個精度保證了分區(qū)檢測法中各分區(qū)高度2mm～3mm實際檢測的需要。4展的相關(guān)技術(shù)相控陣AUT技術(shù)是超聲波檢測技術(shù)多年發(fā)展的一個綜合應(yīng)用,其相關(guān)技術(shù)還包括B掃描、TOFD掃描、計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、軟件控制等,在這里不一一進(jìn)行詳述。5西氣東輸工程焊縫b掃描在2001年9月份開工的西氣東輸工程實驗段中,相控陣超聲波檢測設(shè)備正式投入工程的應(yīng)用當(dāng)中,在這之前,西氣東輸管道公司參照API1104標(biāo)準(zhǔn)制定了國內(nèi)第一個全自動檢測標(biāo)準(zhǔn)Q/SYXQ7-2001西氣東輸管道工程管道對接焊縫全自動超聲波探傷檢測標(biāo)準(zhǔn)。圖10為西氣東輸南京試驗段焊縫坡口參數(shù)及AUT分區(qū)示意圖,圖11為該焊縫超聲波聲束角度配置圖。超聲波探傷專用試塊根據(jù)Q/SYXQ7-2001標(biāo)準(zhǔn)采用了濟(jì)寧模具廠加工的專用試塊,試塊填充層分區(qū)符合圖10的規(guī)定,并增加有B掃描校準(zhǔn)孔、TOFD校準(zhǔn)槽、根部B掃描校準(zhǔn)槽等人工缺陷。西氣東輸工程焊縫坡口形式主要有三種:V型、復(fù)合V型、U型,但在施工現(xiàn)場,到目前為止僅采用了V型坡口,如圖10所示,其坡口角度為22.5°,根部間隙為2.5mm。選用67°的一次反射波來對熔合區(qū)焊縫掃查,鈍邊的掃查主要是針對根部未焊透和根部未熔合,在試塊上通過加工一個垂直槽來模擬這類缺陷,在本例中采用了55°的三次波來進(jìn)行掃查,同時用55°的角度進(jìn)行B掃描,熔合區(qū)用45°的角度進(jìn)行B掃描,TOFD則選用了70°的角度來進(jìn)行掃描。A掃描全部采用了聚集波束,B掃描和TOFD掃描則為非聚集波束,所有A掃描和B掃描波形都是橫波,TOFD波形則為縱波。全自動超聲波檢測在西氣東輸?shù)膽?yīng)用效果是顯而易見的,如果用手動超聲波檢測,一道?1016的焊口至少需要檢測50min以上,而用AUT檢測不到40s即可檢測完畢,包括準(zhǔn)備時間在內(nèi)也少于4min。AUT的檢測準(zhǔn)確性也是明顯的,通常一處缺陷可能被A掃、B掃和TOFD掃描所檢出,通過掃描圖形中的A掃描和B掃描以及TOFD掃描結(jié)果相結(jié)合,可以準(zhǔn)確地做出對絕大多數(shù)缺陷的判定,避免漏判錯判的出現(xiàn),圖12是西氣東輸南京段一個焊口的掃查圖,圖13是根據(jù)臨理人員要求用手動超聲波設(shè)備進(jìn)行復(fù)檢后的截面圖,通過二者的比較,基本上可以確定AUT檢測的準(zhǔn)確性。6超聲波檢測設(shè)備在國內(nèi)的應(yīng)用情況6.1相控陣AUT技術(shù)目前在國內(nèi)真正做到大量應(yīng)用的尚只有西氣東輸工程,但在航空系統(tǒng)和核工業(yè)系統(tǒng)等一些部門也有少量的應(yīng)用,因此,要將相控陣AUT技術(shù)應(yīng)用到鍋爐壓力容器等行業(yè),還需要國內(nèi)同仁做大量的工作。6.2在西氣東輸?shù)墓こ虘?yīng)用中同時也發(fā)現(xiàn)了R/DTech公司的AAIX042A型設(shè)備存在一些不足之處:設(shè)備體積大比較笨重,在野外作業(yè)運(yùn)輸不方便;另外由于超聲波專用試塊加工比較