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[分享] 焊缝超声相控阵检测工艺参数的选择

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上材NDT杂志 发表于 2017-12-8 09:46:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
目前,国内船舶建造中的检测大多仍采用传统的超声波与X射线检测方法,虽然这些技术已较为成熟,但耗费时间较长,过程相对复杂。此外,射线的电离辐射对人体存在一定的危害性,并且在船体合拢后,部分焊口由于空间有限需要缩短拍片焦距,从而会导致底片质量下降,影响缺陷的检出率。




相比之下,超声相控阵检测方法则方便灵活、无辐射、不影响周边施工,可检测大壁厚材料,遇到构架也不需开孔和封孔,在作业现场可单面操作,并可定位缺陷深度,返修方便,从而可以有效降低检测成本、加快施工进度。

同时,采用超声相控阵检测方法检测时,只需将检测设备与电脑连接即可获得检测结果,该方法更为及时、快捷。但在检测开始前,正确地选择检测参数是成功使用超声相控阵检测的基础,否则可能会出现漏检、误判等现象,给质量和施工带来不便。

超声相控阵检测系统组成部件的选择

超声相控阵检测系统主要包括由探伤仪、探头、楔块等组成的硬件及由激发晶片、聚焦范围、扫查角度范围、角度步进等组成聚焦法则的软件部分。检测系统参数的选择主要指硬件和软件系统参数的选择,正确地选择其参数对于有效地发现缺陷并对缺陷定位、定量甚至定性都是至关重要的,实际检测中要根据被检工件的结构形状、尺寸、加工工艺和技术要求来选择。
仪器的选择


目前国内外相控阵仪器品牌种类较多,不同仪器性能各有特点,应根据检测要求和现场条件来选择检测仪器。

(1) 应选择水平线性和波幅线性较好的仪器,以更准确地对缺陷定位及定量。测定方法及最大误差要求可参考标准ASTM SE-2491。
(2) 实际工程检测应用环境多以车间或室外为主,宜选择轻巧便携、屏幕光亮度好、操作系统简便的仪器。
(3) 超声相控阵系统有一系列的发射器和接收器,并且其数量通常为16的倍数,这是仪器施加一组聚焦法则对激发探头晶片最多数量的限制。比如对于一个32/128的相控阵系统,有32通道的发射器和32通道的接收器,并且能够切换到支持128通道的探头,但在单个聚焦法则中,任意一次激发的晶片最大数量为32,对于未用的通道可以用作单晶探头的某些检测,比如一对TOFD探头的检测。

探头和楔块的选择


(1) 探头晶片阵列
探头阵列可分为很多种形式,如线性阵列、矩形阵列、环形阵列等。目前焊缝检测中比较常用的为线性阵列探头,对于某些需要一发一收装置的可用双线性阵列探头,如DMA探头。

(2) 探头频率
频率的高低对检测有较大的影响。频率越高,灵敏度和分辨力越高,对检测有利;但频率越高,衰减越大,又对检测不利。实际检测中要全面分析各方面因素,合理选择频率。

一般对于晶粒稍细的碳钢焊缝,常用频率范围为2.5~5 MHz,对于一些薄壁焊缝,频率可以为7.5 MHz;对于晶粒粗大的不锈钢焊缝,宜选用较低的频率,一般选用频率范围为1~2.5 MHz;如果是纵波检测,可用频率范围为2~4 MHz。如果频率过高,就会引起严重的衰减,信噪比下降,甚至造成无法检测。

(3) 探头尺寸
探头的尺寸由各晶片尺寸(横截面积)、晶片间的距离及晶片数量等决定。尺寸大的探头通常包含数量多的晶片或尺寸大的单个晶片,可以一次性通过多种聚焦法则激发形成多组功能不同的声束,通过一次性扫查就可以覆盖焊缝不同的区域,宜适用于相对壁厚较大的焊缝。但对于某些小型工件,扫查空间或几何形状受限、扫查面不太平整的情况,宜选用尺寸较小的探头。

(4) 楔块
和常规超声波不同,相控阵波形种类和波束偏转不是固定的,而是通过聚焦法则和楔块来实现的。楔块的选择首先是和探头相互匹配,然后再根据聚焦法则选择波型种类,对于有曲率的工件,可以选择跟工件曲率相同或相近的楔块。

超声相控阵检测的工艺参数

通过相控阵系统激发出声束的参数需要综合考虑多方面因素,声束扫描方式、激发的晶片数量及位置、声束波型、探头偏移、声束角度、聚焦范围等都影响着检测结果。工艺参数的选择应遵循以下基本原则:

(1) 声束能够覆盖被检焊缝所有体积、热影响区及其以外6mm的区域。

(2) 所设置的参数经仪器调校后,应在认证试块上认证成功。

(3) 符合标准规范的其他要求。
声束扫描方式


在焊缝检测中,通常使用扇形扫描(S扫),但在某些特殊情况下,为发现某特定区域的缺陷,可辅以线性扫查(E扫)方式,如针对坡口未熔合缺陷,设置一组与坡口垂直的线性扫查是非常有效的(见下图),利用蓝色扇扫覆盖焊缝内部、根部及热影响区,而红色的线扫则是专门针对坡口区域而设定的。但对于大部分标准来说,这并非是强制要求。


相控阵检测线性扫查方式示意
声束类型


在检测焊缝时,通常采用横波声束以及一次反射法来扫查焊缝,但对于晶粒相对粗大的不锈钢焊缝,有时即使采用低频的横波,依然存在着衰减严重、信噪比差的情况。此时,采用纵波角度入射不失为一种好的解决方法,如某公司为检测不锈钢而设计开发的DMA探头,就是利用纵波一发一收的原理。
声束角度范围


声束角度范围的选定则应综合考虑选择的楔块及焊缝尺寸,任一楔块都有其中心角度,选择的角度范围宜在楔块厂家推荐值的范围内,以保证声束的可靠性和可控性。声束角度范围越小,覆盖焊缝体积越有限,这样一组声束可能不能完全覆盖被检区域,所以应在厂家推荐值的范围内,尽量选择大范围的声束。但对于大壁厚焊缝的检测或其他情况下,当一组声束设置成最大范围后,仍不能有效覆盖被检区域时,则应增加一组或多组声束。
探头偏移和晶片激发起始位置


探头偏移一般指焊缝中心到探头前沿的距离,其和晶片激发起始位置同时影响着探头、声束和焊缝的相对位置。在焊缝存在余高的情况下,应保证有足够的探头偏移,避免探头前沿压在焊缝余高上而导致无法耦合,通常在保证覆盖被检区域的前提下,调节探头偏移使得被激活晶片处于探头的中间位置(见下图)。


探头偏移原理示意

激发晶片数量


被激发晶片的数量越多,有效晶片的尺寸就越大,辐射超声波的能量也就越大,发现远距离缺陷的能力越强。同时,近场区也随着晶片尺寸的增大而增大,可聚焦的范围广,对检测有利。但过多的激发晶片对相控阵系统也提出了更高的要求,如需要激发32晶片时,16/128的设备则不能实现,至少需要使用32/128的设备;另外增加激发晶片数量会影响扫查速度,还会加重数据存储的负担。一般材料检测时推荐激发16晶片即可,对于厚壁或声波衰减系数稍大的材料可适当增加晶片数量。
聚焦范围


和常规超声波不同,超声相控阵系统能实现声束的动态聚焦,而众所周知,在聚焦区域,声波能量越集中,灵敏度和分辨力越高,所以正确设定聚焦区域尤为重要。对于尺寸相对较小的焊缝,将聚焦区域设置在焊缝的中间即可,但随着壁厚的增加,可将焊缝划分为几个区域,分别用不同的声束聚焦来检测。另外,如果要精确发现某一区域的缺陷,可将聚焦点设置在这一区域。

工艺参数的选择实例

对某LNG(液化天然气)平台建造过程中管线对接焊缝进行相控阵检测,被检材料为A333钢(低温碳钢),焊接工艺为氩弧焊,坡口形式为“V”型,管径为200 mm,壁厚为12.7 mm。采用的检测设备为OMNISCAN MX1或MX2,探头型号为5L32-A11,楔块型号为SA11-N55S-AOD8.625。相控阵系统与探头的参数选择如下:
扇扫


波束类型:横波
探头偏移:16 mm
激发晶片个数:16(9~25)
波束角度:40°~70°
聚焦位置:19 mm
线扫


波束类型:横波
探头偏移:22 mm
激发晶片个数:8
波束角度:60°
聚焦位置:19 mm

检测时最多一次激发16个晶片,超声相控阵设备应至少含16通道,MX1为16/128,MX2为32/128。被检材料为普通碳钢,为非高衰减系数材料,为得到更好的灵敏度和分辨力,选用5 MHz探头即可;同时A11探头比A12探头小,对于直径为200 mm的管线耦合效果更好。A11探头匹配的楔块为SA11系列,根据工艺模拟采用横波检测,即采用中心角度为55°的横波楔块,同时为达到更好的耦合效果,楔块宜带有和被检工件接近的曲率(楔块直径应稍大于被检工件,否则楔块中心处无法与工件紧密接触)。

被检焊缝的壁厚和体积都相对较小,使用一组扇扫就能够使声束有效覆盖被检体积,同时对于高危险性的坡口未熔合缺陷,则使用和坡口相垂直的线扫加以辅助。波束类型则都使用横波一次反射法。被检焊缝表面宽度为18 mm,则探头偏移至少是9 mm。扇扫的波束范围覆盖了焊缝及其热影响区,同时也在厂家推荐范围内。聚焦范围设置在焊缝中心处。

探头偏移、激发晶片及波束范围均由被检焊缝本身决定,但都不是一个绝对的固定数值,这些数值可以通过声束模拟软件模拟、修改和确认,工艺的模拟结果如下图所示。


某焊缝相控阵检测工艺模拟结果示意

利用此工艺进行焊缝检验,经过扫查并分析数据,发现长度为7 mm的根部缺陷。特对此焊缝进行射线检测,结果与超声相控阵检测结果相符。


某焊缝的超声相控阵与射线检测结果示意

结 语

超声相控阵检测系统有明显的优越性,但其系统相对于传统超声检测略复杂,在制定其检测工艺时,应综合考虑各项因素,并且一定要通过试验来验证其检测效果,若在试验过程中发现漏检、信噪比太差等不利因素,应对工艺参数进行调整。

本文作者:刘贵吉,海洋石油工程股份有限公司工程师,主要从事无损检测工艺开发研究。
本文来源:《无损检测》2017年第39卷第11期




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点评

谢谢分享  发表于 2019-9-22 10:25
 

精彩评论4

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volcano0903 发表于 2017-12-10 13:13:09 | 显示全部楼层
 
值得借鉴,谢谢!
 
任骏超 发表于 2017-12-11 11:02:57 | 显示全部楼层
 
感谢分享,谢谢
 
tangke7777 发表于 2019-9-3 15:13:50 | 显示全部楼层
 
谢谢楼主分享
 
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