摘要：全自动相控阵超声检测系统是在断裂力學(xué)(ECA)的基础上，采用(yòng)區(qū)域划分(fēn)法,将焊缝分(fēn)成垂直方向上的若干个區(qū)，再由電(diàn)子系统控制相控阵探头对其进行分(fēn)區(qū)扫查。检测结果以双门带状图的形式显示，在辅以TOFD(衍射时差法)和Ｂ扫描功能(néng)，对焊缝进行分(fēn)析、判断。全自动相控阵超声仪在國(guó)外已被广泛应用(yòng)于管道环焊缝的检测。
主题词：全自动超声波 區(qū)域划分(fēn)法 相控阵 带状显示 TOFD
全自动超声波在國(guó)外已被大量应用(yòng)于長(cháng)输管線(xiàn)的环焊缝检测,且越来越成為(wèi)一种趋势。与传统手动超声检测和射線(xiàn)检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染、降低作业强度等方面有(yǒu)着明显的优越。加拿(ná)大R/D Tech公司生产的Pipe WIZARD相控阵超声检测系统是专用(yòng)于長(cháng)输管線(xiàn)环焊缝的检测设备。该系统由数据采集单元、脉冲发生单元、電(diàn)机驱动单元、相控阵探头、工业计算机、显示器等组成。系统在Windows NT界面下运行Pipe WIZARD操作软件，完成对焊缝的線(xiàn)性扫查、实时显示、结果评判。对其基本原理(lǐ)，筆(bǐ)者根据自己在实际工作中的體(tǐ)会和经验在此作一简单介绍。
本文(wén)使用(yòng)的焊缝参数如下。坡口形式CRC；壁厚Ｔ＝16.4mm；焊接方法：全自动焊接。
一、基本原理(lǐ)
1．區(qū)域划分(fēn)法
采用(yòng)全自动超声检测的关键是“區(qū)域划分(fēn)法”。根据壁厚、坡口形式、填充次数将焊缝分(fēn)成几个垂直的區(qū)。每个分(fēn)區(qū)的高度一般為(wèi)1－3mm，每个區(qū)都由一组独立的晶片进行扫查（这种分(fēn)區(qū)的扫查被称為(wèi)Ａ扫）。检测主声束的角度按照主要缺陷的方向来设定（在自动焊中主要是未熔合，即将波束尽量垂直于熔合線(xiàn)）。Ａ扫采用(yòng)聚焦声束进行扫查，焦点尺寸一般為(wèi)2mm或更小(xiǎo)。它们可(kě)以有(yǒu)效的检测各自的區(qū)域，而且临近區(qū)域反射體(tǐ)上的重叠*小(xiǎo)。每个分(fēn)區(qū)以焊缝中心線(xiàn)為(wèi)界，分(fēn)為(wèi)上游、下游两个通道，其检测结果在带状图上以相对应的通道显示出。图1.1為(wèi)CRC坡口、壁厚為(wèi)14.6mm焊缝的區(qū)域划分(fēn)图。从根部依次為(wèi)：根焊區(qū)、钝边區(qū)（LCP）、热焊1區(qū)、热焊2區(qū)、热焊3區(qū)、填充1區(qū)、填區(qū)2區(qū)、填充3區(qū)。
2.25
2.3
14.6mm 2.3
1.8
45o 1.7
1.7
1.05
1.5
图1.1 區(qū)域划分(fēn)示意图
检测角度的配置原则（β角的配置）。根焊采用(yòng)一次波法，声束垂直于根部熔合線(xiàn)，β角為(wèi)52.5度；钝边可(kě)用(yòng)一次波探伤，采用(yòng)70度角，也可(kě)用(yòng)串列扫查，β角為(wèi)50度。热焊區(qū)采用(yòng)二次波反射法，理(lǐ)论上应為(wèi)45度角，為(wèi)避免覆盖根焊可(kě)选用(yòng)50度或55度。填充1和填充2采用(yòng)串列扫查，选用(yòng)40度β角（考虑到接收晶片*大角為(wèi)70度）。填充3采用(yòng)二次波反射法，β角為(wèi)60度。图1.2為(wèi)扫查角度配置图。
14o
53o 40o 50o 70o 60o
45o
37o
图1.2 扫查角度配置图
2．相控阵探头
相控阵列是换能(néng)器晶片的组合，為(wèi)确定不连续性的形状。其大小(xiǎo)和方向提供出比单个或多(duō)个换能(néng)器系统更大的能(néng)力。有(yǒu)三种主要阵列类型：線(xiàn)性、面状和环行。在一个相控阵列中相位转换是用(yòng)電(diàn)子系统控制，通过超声发射器通向每个换能(néng)器。相控阵列除有(yǒu)效地控制超声形状和方向外，还实现和完善了复杂的动态聚焦和实时扫描。（参见《美國(guó)无损检测手册》超声卷“相控阵”）
Pipe WIZARD相控阵探头采用(yòng)線(xiàn)形阵列，容纳晶片60个。晶片成间隔状直線(xiàn)性分(fēn)布在探头中。通常使用(yòng)两个阵列探头分(fēn)布于焊缝两侧。它能(néng)产生上千种不同的超声束，可(kě)配置40到70范围的扫查角度（β角），以满足分(fēn)區(qū)扫查所需要的各种角度。图2.1為(wèi)动态聚焦示意图。
图2.1 动态聚焦示意图
3. 标准试块
校准试块用(yòng)于调整扫查灵敏度，确定缺陷位置，校验仪器校准准确性。试块根据分(fēn)區(qū)扫查原理(lǐ)，针对自动焊易出现的主要缺陷（主要指侧壁未熔合），用(yòng)标准孔或槽来代表。一般用(yòng)垂直于融合線(xiàn)的φ2平底孔。根部可(kě)用(yòng)方槽或与根部融合線(xiàn)吻合的三角槽来调节。如图3.1所示。
图3.1平底孔设置 图3.2附加反射體(tǐ)设置
从钝边到填充3，每个區(qū)都设定一个φ2mm平底孔。有(yǒu)时在表面熔合線(xiàn)处设置方槽（長(cháng)10－20mm，宽2mm，深1mm），用(yòng)于检测焊趾線(xiàn)裂纹。根据检测需要还可(kě)设置附加反射體(tǐ)（如图3.2），用(yòng)于B扫描调节。附加反射體(tǐ)位于焊缝中心線(xiàn)处，平底孔底面成水平45度。
4．门的设置
带状图中的门包括时间和波幅门。时间门用(yòng)来设定扫查范围，滤掉指定區(qū)域以外的反射信号。通常由焊缝宽度和检测缺陷的需要来设置。以坡口熔合線(xiàn)為(wèi)中心，起点在熔合線(xiàn)外3mm左右（检查热影响區(qū)缺陷），终点至少过焊缝中心線(xiàn)1mm，保证覆盖焊缝中心。如图4.1。（可(kě)以根据需要任意设定门的起始位置和長(cháng)度）
波幅门的起点和终点与时间门相同。根部的波幅门比时间门短2-3mm,起点保持一致。门中波幅的高度设置在20％。带状图以颜色块来显示时间门，以回波包络線(xiàn)显示波幅。调节通道时，基准灵敏度被设置在80％，系统默认波幅在20％以下时，时间门无色块显示；回波幅度在20％－40％时，时间门显示绿色；波幅超过80％时，时间门变為(wèi)红色块，需要对缺陷进行测長(cháng)、评定。
图4.1 门的设置
5、双门带状图
完整的带状图可(kě)以同时显示整条焊缝的检测结果。总體(tǐ)上看起来象把焊缝从中心線(xiàn)处切开。TOFD通道位于屏幕中央（如图4.1），整条焊缝被分(fēn)為(wèi)上游、下游，按照根焊、钝边、热焊、填充层的顺序依次排列在TOFD通道两侧。系统还可(kě)以按照需要很(hěn)方便的添加其它通道，如盖面B扫、根部B扫等。焊缝圆周尺寸显示在左侧，耦合监测通道在右侧。双门带状图并非传统的A型显示，其纵坐(zuò)标显示时间门幅度（缺陷在焊缝中的横向位置）和反射波包络線(xiàn)幅度。横坐(zuò)标表示探头的扫查轨迹。从双门带状图上可(kě)以迅速读出缺陷所处深度、横向位置，反射波幅度，并对缺陷进行测長(cháng)、评判。
图5.1 双门带状图
6.TOFD原理(lǐ)
超声波入射到線(xiàn)形缺陷时，在缺陷的两端除普通的反射波外还会产生衍射波。衍射能(néng)量在很(hěn)大角度范围内传播并且假定它们都源于缺陷的端部。这与传统的超声波完全不同。传统超声波主要依靠从缺陷上反射的能(néng)量的大小(xiǎo)来判断缺陷。
图6.1 TOFD原理(lǐ)
TOFD技术采用(yòng)一发一收的方式。通常使用(yòng)压力探头，主压力波的反射角范围是45o至70o。如图6.1所示，发射探头发射横向纵波。沿表面传播的一束被接收探头接收，形成外壁正向信号波，它是區(qū)分(fēn)和测量缺陷的参考。焊缝中的横向纵波遇到缺陷后在缺陷**产生衍射波，形成负向信号波。同样，缺陷下端也会产生衍射波，被接收探头接收后形成正向信号波。发往内壁的波束经内壁反射后被探头接收，形成负向信号。
TOFD以B扫的形式显示出来。这里的B扫与传统意义上的B扫一致，它是试件的截面二维视图，一个轴代表探头的运动，另一个轴代表外壁、内壁和缺陷的深度。（如图6.2）。TOFD目前在國(guó)际上并没有(yǒu)标准将它作為(wèi)一项独立的超声波检测手段，更多(duō)的是作為(wèi)双门带状图的辅助工具，用(yòng)于判别缺陷的真伪及缺陷高度的测量。
图6.2 TOFD显示图
TOFD技术的局限性：
1、入射表面附近存在盲區(qū)（在2mm左右）。
2、需要另外一个轴向运动来判定缺陷位于焊缝的哪一边。
3、根部的缺陷易被内壁信号所掩盖。
全自动相控阵超声波系统是在断裂力學(xué)的基础上，对缺陷进行定性、判定，由于采用(yòng)了相控陈列、双门带状图、TOFD及大容量的数据采集、计算和分(fēn)析系统，在检测速度、检测精度比传统超声波有(yǒu)着**性的提高。现场检测时只需对环焊缝进行一次简单的線(xiàn)性扫查而无需来回移动即可(kě)完成焊缝的检测，整个扫查过程约需2分(fēn)钟（管径φ1016mm）。
二、现场应用(yòng)
现场检测图例
目前，西气东输管道工程已经启动，该项工程计划采用(yòng)100%全自动相控阵超声检测和100%X射線(xiàn)检测。这对于检验全自动相控阵超声仪在环焊缝检测中的可(kě)靠性、实用(yòng)性，以及对提高國(guó)内全自动超声波应用(yòng)水平和开展技术研究是一项绝好的机会。以下列举了相控阵在西气东输试验段现场检测的几个图例。
（1） 柱孔图例（见附页）
（2）未熔合图例（见附页）
该系统在長(cháng)输管道环焊缝检测领域与传统的手动超声检测和射線(xiàn)检测。
三、结论
与传统的手工艺超声波探伤相比，相控阵具有(yǒu)以下的优势：
1、检测速度快，现场检测时只需对环焊缝进行一次简单的線(xiàn)性扫查而无需来回移动即可(kě)完成全焊缝的检测，从准备到焊缝评定完毕，整个过程约需6分(fēn)钟。
2、缺陷定位准确，检测灵敏度高。
3、完全車(chē)载，作业强度小(xiǎo)，无辐射无污物(wù)。
4、检测结果直观，可(kě)实现实时显示。在扫查的同时可(kě)对焊缝进行分(fēn)析、评判。也可(kě)打印、存盘，实现检测结果的長(cháng)久性保存。避免X射線(xiàn)底片不易携带、不易保存的缺点。
5、可(kě)检测射線(xiàn)无法穿透的壁厚。对管道环焊缝、球罐、储罐等对接焊缝的检测，效率高、效果好。
相控阵的局限性：
1、受客观影响大，工件表面光滑度，焊缝工艺完整性，轨道安装精度都会对检测结果产生影响。
2、检测不同壁厚，不同规格和材料的焊缝，需要不同的试块来做校准。
3、仪器调节过程复杂，调节准确性对检测结果影响大。
4、每个作业组至少需要4人。
5、对手工電(diàn)弧焊的检测效果低于自动焊。
6、检测对象有(yǒu)局限性。