畢業(yè)論文-小徑薄壁管的超聲相控陣檢測

PAGE畢業(yè)設計（論文）題目：小徑薄壁管的超聲相控陣檢測學院：測試與光電工程學院專業(yè)名稱：測控技術與儀器班級學號：學生姓名：指導教師：二O一五年六月學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。作者簽名：日期：導師簽名：日期：小徑薄壁管的超聲相控陣檢測摘要：小徑薄壁管是電站鍋爐廣泛應用的一種材料，隨著電力機組不斷增多，小徑薄壁管的數(shù)量也在急劇增加，探傷工作越來越繁重。常規(guī)超聲波探傷，由于小徑薄壁管曲率大，聲波耦合困難，其反射面聲能損失較大，壁厚薄，探頭的前沿長度對檢驗的影響大，因而，對小徑薄壁管對接接頭中的危害性缺陷較難判定，管子排列密集等現(xiàn)場工況也影響了常規(guī)超聲波在小徑薄壁管檢測中的應用。因此，如何高效準確的檢測出小徑薄壁管缺陷是保證機組安全運行的關鍵。本文采用相控陣檢測方法對小徑薄壁管環(huán)焊縫進行焊縫精細掃查，同時利用實時成像原理對焊縫坡口進行設置，還原焊縫真實情況并對檢測結(jié)果進行3D成像，最后使用配套編碼器對焊縫掃查進行數(shù)據(jù)分析從而對缺陷進行定位定量。根據(jù)中國特種設備研究院企業(yè)標準本文采用GD-2試塊制作DAC曲線并利用半圓試塊進行角度增益補償，以此為基準對小徑薄壁管進行焊縫缺陷掃查。同時采用DR成像技術檢測方法進行對比實驗，發(fā)現(xiàn)相控陣檢測與之相比具有明顯優(yōu)勢，不僅操作簡便，且缺陷檢出率高，同時在缺陷的定位定量上能夠通過實時3D成像等技術較好呈現(xiàn)，為缺陷的定性帶來很大的方便。關鍵詞：小徑薄壁管，相控陣，實時成像，DR成像指導老師簽名：Ultrasonicphasedarrayinspectionofsmalldiameterthin-wallpipesStudentName:WentingZhangClass:110813Teacher:JihongTangAbstract:thethin-walledtubeisamaterialwidelyusedinpowerplantboiler,withtheincreasingnumberofpowerunit,thin-walledtubeisincreasingdramatically,inspectionworkismoreandmoreheavy.Conventionalultrasonictesting,thethin-walledtubewithlargecurvature,theacousticcouplingdifficulty,thereflectionofenergylossisbigger,thewallthickness,andthefrontlengthoftheprobeinfluencethetestseriously.therefore,Itisdifficulttodeterminethepathofthethin-walledtubedamagedefectsinpipebuttjoint,thepipesintensivelayoutinthesiteconditionsalsoaffecttheconventionalultrasonicinapplicationofthin-walledtube.Asaresult,howtoefficientlyandaccuratelydetectthethin-walledtubedefectsisthekeytoensurethesafeoperationoftheunit.Inthispaper,thedetectionmethodforphasedarrayweldfinescanningforthethin-walledpipegirthweld,andsettheseamweldbyusingtheprincipleofreal-timeimaging,reductionoftherealsituationand3Dimagingonthetestresults,finallyusedthematchencoderoftheweldstogetthescanningdataanalyzedandlocationthedefectquantification.AccordingtotheChinesespecialequipmentResearchInstituteofenterprisestandardGD-2blockisusedinthispapertoproductionofDACcurveandthesemi-circularspecimenanglegaincompensation,asabenchmarkforwelddefectscanningforthethin-walledtube.AtthesametimeusingDRimagingtechnologyasthedetectionmethodswerecompared,foundthatcomparedwithphasedarraydetectionhasobviousadvantages,notonlyhastheadvantagesofsimpleoperation,andhighdefectdetectionrate,atthesametimebyreal-time3Dimagingtechniqueisbetterinthelocationofdefectsandquantitatively,bringgreatconvenienceforthequalitativedefect.Keywords:thin-walledtubephasedarrayreal-timeimagingDRimagingSignatureofsupervisor:目錄1緒論 11.1引言 11.2課題研究背景及意義 21.2.1選題的依據(jù)及意義 21.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3課題研究主要內(nèi)容 32相控陣檢測原理及應用 42.1相控陣超聲波探傷原理及成像方式 42.2相控陣超聲波探傷的應用 52.2.1相控陣超聲波小徑管探傷的困難 52.2.2相控陣超聲波探傷條件的選擇 52.2.3小徑薄壁管相控陣超聲波探傷的應用 73小徑薄壁管的檢測方法實施 83.1檢測目的 83.2檢測準備 83.3檢測工件 103.4檢測步驟 113.5檢測工件 113.5.1基本參數(shù)設置 113.5.2DAC曲線制作 153.5.3角度增益補償曲線制作 163.5.4理論模擬圖像設置 183.5.5掃查 194檢測結(jié)果及對比分析 224.1相控陣及DR檢測結(jié)果 224.23D圖示 345結(jié)論及展望 355.1檢測結(jié)論 355.2工作展望 35參考文獻 36致謝 37南昌航空大學2015屆學士學位論文PAGE38小徑薄壁管的超聲相控陣檢測1.緒論至今超聲相控陣技術已有近20多年的發(fā)展歷史。初期主要應用于醫(yī)療領域,醫(yī)學超聲成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官進行成像，而大功率超聲利用其可控聚焦特性局部升溫熱療治癌,使目標組織升溫并減少非目標組織的功率吸收[1,2]。最初,系統(tǒng)的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應用受限，因此，早期相控陣儀器多用于高端工業(yè)，如核工業(yè)、管道、航空航天等。近年來，超聲相控陣技術以其靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能越來越引起人們的重視。隨著壓電復合材料、納秒級脈沖信號可控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術和計算機模擬等高新技術在超聲相控陣成像領域中的綜合應用，超聲相控陣檢測技術得以快速發(fā)展，逐漸應用于工業(yè)無損檢測領域[3,4]。1.1引言目前，在役油氣管道、小徑薄壁管探傷存在以下幾個問題：焊縫中裂紋、未融合等面積型缺陷檢出率低，檢測工序多、工效低、勞動量大，難以保證工程進度。很多小徑管在安裝過程中，管子密集排列，處于困難位置，給射線探傷帶來很大難度。且射線防護難點大,與其它工種不能交叉作業(yè)、成本大、材料消耗高。而采用常規(guī)超聲波探傷或TOFD探傷，由于小徑管曲率大，聲波耦合困難，其反射面聲能損失較大，壁厚薄，探頭的前沿長度對檢驗的影響大，因而，對小徑管對接接頭中的危害性缺陷較難判定，且管子排列密集等現(xiàn)場工況也影響了常規(guī)超聲波在小徑管檢測中的應用。為此，國內(nèi)很多專業(yè)技術人員根據(jù)常規(guī)技術出現(xiàn)的問題，嘗試使用國內(nèi)外最新的檢測技術研究成果，并越來越體現(xiàn)出新技術應用的優(yōu)越性[5]。相控陣超聲檢測技術就是當今國內(nèi)最新的檢測專業(yè)技術，利用精密復雜的相控陣和功能強大的軟件來控制超聲波聲束，使其覆蓋被檢測材料，并生成被檢材料的內(nèi)部結(jié)構圖像。與常規(guī)的檢測技術相比較，相控陣檢測技術是通過控制各個獨立陣元的延時，可生成不同指向性的超聲波波束，產(chǎn)生不同形式的聲束效果，可以模擬各種斜聚焦探頭的工作，并且可以電子掃描和動態(tài)聚焦，無需或少移動探頭，檢測速度快，探頭放在一個位置就可以生成被檢測物體的完整圖像，實現(xiàn)了自動掃查，且可檢測復雜形狀的物體，且相控陣探頭小巧、靈活，適用于現(xiàn)場工況需求[6,7]。這種技術無輻射、無污染，能夠適應多工種立體交叉作業(yè)現(xiàn)場，且解決因采用射線檢測而造成其他人員全部需要安全避讓等問題。1.2課題研究背景及意義1.2.1選題的依據(jù)及意義：小徑薄壁管[8]檢驗參數(shù)有別于大口徑管和平板，有以下特點：(l)通常有很多被檢焊縫；(2)管子之間往往空間有限；(3)通常不能移動管件；(4)檢測對象大多是管-管對接焊縫；(5)有些管焊縫有有限接近空間；(6)有時焊縫位于彎管部位；(7)管徑、壁厚、材質(zhì)、規(guī)格多種多樣；(8)規(guī)范可能要求或不要求檢測橫向缺陷。實際檢測操作中，對小徑薄壁管作超聲檢測有以下幾個問題：(l)要求使用外形較小的陣列和掃查器；(2)超聲波束在管壁厚度內(nèi)有明顯散焦現(xiàn)象，最好能用曲面陣列或矩陣聚焦，但該技術尚未市售；(3)需用抽真空耦合；(4)要根據(jù)不同管徑、壁厚分別配置；(5)對缺陷在垂直面上定量測高不太準確；(6)若按ASME規(guī)范[9,10]，要求對每種管徑、壁厚都制作校驗試管。與此同時，常規(guī)超聲檢測也存在著主觀性強（對操作者依賴性很大），掃查結(jié)果無記錄，一般檢測速度較慢等缺陷。對此，于2003年面世的便攜式相控陣儀器經(jīng)不斷改正后特適用于焊縫檢測，取代了射線照相。用相控陣進行在役檢測，不會中斷生產(chǎn)過程，而且缺陷檢出率高，也不會像射線照相有環(huán)境保護問題，高效合算。1.2.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)超聲檢測技術的主要研究領域可以分為檢測方法研究和設備研發(fā)。在設備研發(fā)方面主要為數(shù)字化超聲波探傷儀、TOFD超聲檢測系統(tǒng)、超聲成像系統(tǒng)和磁致伸縮超聲導波檢測系統(tǒng)；在檢測方法和技術方面，主要為自動超聲檢測技術、超聲成像檢測技術、人工智能技術、TOFD超聲檢測技術和超聲導波檢測技術。2000年以來，國內(nèi)研究機構和高校主要側(cè)重于超聲相控陣技術。例如清華大學的施克仁教授和鮑曉宇博士、電子測試技術國防科技重點實驗室利用數(shù)字波形相位延時技術，設計實現(xiàn)了多通道相控陣超聲檢測實驗系統(tǒng)，達到了很高的發(fā)射延時分辨率。中國石油天然氣管道科學院聯(lián)合上海電氣自動化設計研究所等單位，通過對超聲波相位控制和電子方法，實現(xiàn)了超聲波聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)。與國外同類產(chǎn)品相比，增加了橫向裂紋的掃描檢測、三維動態(tài)缺陷顯示功能。近年來，國內(nèi)科研機構開始側(cè)重于研究數(shù)字化多通道超聲檢測技術，并結(jié)合自動化控制技術，用于中小型管道類、曲面類構件的無損檢測。例如，南京航空航天大學的芮華、徐大專把傳統(tǒng)的超聲波無損檢測技術和先進的虛擬儀器、數(shù)字信號處理、嵌入式操作系統(tǒng)等技術相結(jié)合，研制了一種新型滿足了自動化探傷中高重復頻(>1kbps)和實時報警等關鍵性能的要求的數(shù)字化超聲波自動探傷系統(tǒng)[11]。國內(nèi)研究的總體現(xiàn)狀是，大多局限于聲場理論的探討和國外已有產(chǎn)品的仿制，缺少新的檢測技術、檢測方法以及檢測系統(tǒng)設計方面的研究。換能器的研制上沒有創(chuàng)新，為了達到聚焦和偏轉(zhuǎn)的目的通常只考慮數(shù)字延時，幾乎都未考慮強度控制。國內(nèi)外超聲相控陣的檢測儀器價格昂貴，無法實現(xiàn)可控強度聚焦和偏轉(zhuǎn)。國外公司如GE檢測科技、R/DTECH、西門子、IMASONIC等已推出商業(yè)化便攜式超聲相控陣檢測設備和大型超聲相控陣檢測系統(tǒng)例如GEPhosphorXS型相控陣超聲探傷儀可以一次同時多角度檢測，可隨意切換常規(guī)超聲和相控陣模式。使用相控陣模式時，PhosphorXS的扇形掃描功能大大提高了缺陷檢測能力，只需要進行一次掃查，就能覆蓋大面積的檢測區(qū)域，大大提高了檢測工作的效率。操作人員無需更換探頭或楔塊，就能方便地利用一個探頭達到多個角度和聚焦深度。數(shù)字式超聲波檢測儀器的發(fā)展速度極為迅速，其探傷效率和探傷速率都有質(zhì)的飛躍。在超聲相控陣成像檢測儀器設備方面，國內(nèi)有多家公司在對超聲相控陣檢測設備進行研究，如廣州多浦樂電子科技有限公司、汕頭超聲研究所、武漢中科創(chuàng)新技術股份有限公司。同時國外以色列SONOTRONNDT公司、加拿大R/DTECH公司、美國GE公司、日本OLYMPUS公司、英國SONATEST公司、英國TechnologyDesign公司等致力研發(fā)相控陣檢測系統(tǒng)設備，并且已經(jīng)在各行各業(yè)無損檢測領域得到了成功地應用。1.3課題研究主要內(nèi)容理論學習的目的是最終應用于實際應用，是為了更好的理解和掌握無損檢測的理論及應用知識，能正確地調(diào)整和使用儀器來對工件進行有效的檢測。針對目前小徑薄壁管在役檢測的實際情況，通過對不同壁厚不同管徑的若干根鋼管進行相控陣檢測，快速而準確的找出焊縫缺陷，并通過3D實時成像[12]對缺陷進行精確定位定量。之后進行DR成像對比實驗，對同一缺陷的檢出率及準確率進行對比，通過分析與比較實驗結(jié)果優(yōu)化其檢測方法，從而為工業(yè)生產(chǎn)及無損檢測的應用提供更好的檢測方法與規(guī)范，使得對于小徑薄壁管的檢測更加規(guī)范合理并取得更好的檢測效果。2相控陣檢測原理及應用2.1相控陣超聲波探傷原理及成像方式相控陣超聲檢測技術是一種多聲束掃描成像技術，它所采用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，陣列單元在發(fā)射電路激勵下以可控的相位激發(fā)出超聲，產(chǎn)生的球面波在傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束[13]。相控陣超聲探頭由晶片陣列組成，各聲束相位可控，可用軟件控制聚焦焦點，不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區(qū)域。通過優(yōu)化控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，使得相控陣超聲在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性。相控陣檢測工作原理圖及成像顯示方式見下圖2.1、2.2所示。技術原理：圖2.1相控陣多晶片探頭檢測工作原理示意圖成像方式：圖2.2相控陣檢測成像顯示方式2.2小徑薄壁管相控陣超聲波探傷的應用2.2.1相控陣超聲波小徑管探傷的困難(l)壁厚的影響小徑管管壁薄、焊縫寬，當壁厚小于8mm時，一次波探傷檢測小徑管焊縫根部角度較大，聲束嚴重散射，使得回波游動范圍大，且一次波聲程短，容易在近場區(qū)內(nèi)檢測，給缺陷的定量和定位帶來很大的困難，影響檢測的可靠性。(2)曲率半徑影響小徑管曲率半徑小，探頭檢測接觸面小，曲面耦合聲能損失大；超聲橫波在小徑管內(nèi)表面反射，發(fā)散嚴重，探傷靈敏度低，對缺陷判定帶來很多困難。(3)現(xiàn)場工況影響很多小徑管在安裝過程中，管子排列密集，外徑、壁厚、材質(zhì)等規(guī)格參數(shù)跨度范圍較大，且存在不等厚、角接對接等特殊焊接方式，給檢測帶來困難。綜上所述，用相超聲波探傷方法對小徑管焊縫的檢驗存在很大的困難，必須采用專用的探傷工藝、探頭和儀器。2.2.2相控陣超聲波探傷條件的選擇(1)探傷儀的選擇小徑管曲率半徑小，壁薄，超聲波探傷時雜波較多，為了便于判傷，要求探傷儀應具有較高的分辨力和較窄的始脈沖寬度，探傷儀一次激發(fā)的晶片數(shù)量不得低于16個晶片，同時要有耦合監(jiān)控功能和多次波獨立設置與顯示功能，對于角接、T型和不等厚等特殊類型焊縫為了缺陷顯示更直觀、定量更準確，最好選擇帶有工件結(jié)構仿真軟件的探傷儀[14,15]。(2)探頭的選擇①楔塊楔塊的曲率應與被檢管件的形狀相吻合。楔塊邊緣與被檢工件接觸面的間隙x大于0.5mm時，應采用曲面楔塊。②探頭參數(shù)選擇探頭楔塊加工成曲面后，探頭邊緣聲束會產(chǎn)生散射，晶片尺寸愈大，散射愈嚴重。為了減少這種散射的不利影響，同時為了減小探頭前沿長度，壓電晶片尺寸不宜太大，且最好選擇自聚焦相控陣探頭。目前小徑管焊縫探傷，探頭參數(shù)選擇可參考下表2.1。表2.1探頭參數(shù)選擇管壁厚度/mm主動孔徑/mm標稱頻率/MHz6-156-107.5-10＞157-154-7.5注1：在滿足能穿透的情況下，盡可能選擇主動孔徑小的探頭。注2：為了提高圖像質(zhì)量，電子掃描在滿足穿透的情況下，應選擇主動孔徑小的探頭。(3)掃描類型①管壁厚度為＜8mm的對接接頭：線性掃查時，采用三次波、二次波或四次波分開設置的扇形掃描進行檢測。②管壁厚度≥8mm的對接接頭：應采用扇形掃描進行檢測。(4)試塊對比試塊的曲率應與被檢管徑相同或相近，其曲率半徑之差不應大于被檢管徑的10%。采用的對比試塊型號為GD-1、GD-2、GD-3、GD-4，其形狀和尺寸應分別符合下圖2.3和表2.2所示：圖2.3GD試塊小徑管對接焊縫中，根部缺陷是比較常見而且又危險的缺陷，為了對焊縫根部未焊透、內(nèi)凹等缺陷的判斷和定量，可以設計制作根部缺陷當量對比試塊。表2.2試塊的選取試塊型號試塊圓弧曲率半徑試塊型號試塊圓弧曲率半徑R1R2R1R2GD-11822GD-34050GD-22632GD-460722.2.3小徑管相控陣超聲波探傷的應用 相控陣超聲檢測技術雖然相對于傳統(tǒng)的檢測手段有著多種優(yōu)勢，但是目前尚沒有相關的國家標準，無法在工程上得以應用。2014年2月，津利科技結(jié)合六安項目現(xiàn)場實際檢測條件的基礎上，積極組織技術力量編制了《鋼制承壓設備焊接接頭相控陣超聲檢測》企業(yè)標準。此次相控陣超聲檢測企業(yè)標準的獲準發(fā)布，意味著在工程上應用相控陣檢測技術有了國家認可的依據(jù)。圖2.4小徑薄壁管在役檢測相控陣超聲檢測技術在六安電廠應用屬于電力行業(yè)的首次大面積應用（見圖2.4所示）。開工時，為了保證檢測效果，在現(xiàn)場對100道各種不同規(guī)格管件的焊縫分別采用相控陣、射線和超聲進行100%檢測并進行了對比分析。在100道焊口中有10只焊口不合格，通過對比分析發(fā)現(xiàn)相控陣檢測發(fā)現(xiàn)不合格焊口10只，其中面積型缺陷4例、體積型缺陷6例；射線檢測發(fā)現(xiàn)不合格焊口9只，其中面積型缺陷2例、體積型缺陷7例；常規(guī)超聲檢測發(fā)現(xiàn)不合格焊口4只，其中點狀缺陷1例、條狀缺陷3例。相控陣超聲檢測的合格率為90%，射線檢測的合格率為91%，常規(guī)超聲檢測的合格率為96%。3.檢測方法實施 3.1檢測目的在實際檢測中，小徑薄壁管多處于在役狀態(tài)，廣泛用于電站鍋爐、管道等。管子排列緊密，結(jié)構復雜，且焊縫接口多處于彎管部位，這給檢測帶來了很大的困難。因而，使用合適的檢測方法提高小徑薄壁管的缺陷檢出率及準確率是非常有必要的。3.2檢測標準本次畢業(yè)設計論文檢測標準節(jié)選至安徽津利能源科技發(fā)展有限責任公司企業(yè)標準（保密）。1本章適用于壁厚大于或等于6mm、外徑為32mm-159mm或壁厚為6mm-8mm（不含8mm）、外徑大于或等于159mm的承壓設備管子和壓力管道環(huán)向?qū)咏宇^的相控陣超聲檢測。2對比試塊見圖2.3及表2.2.。3相控陣探頭的選擇見表2.1。4掃描類型4.1管壁厚度為6mm~8mm(不含8mm)的對接接頭。a)線性掃查時，采用三次波、二次波或四次波分開設置的扇形掃描或電子掃描進行檢測。b)鋸齒形掃查時，應采用扇形掃描進行檢測。4.2管壁厚度大于等于8mm的對接接頭應采用扇形掃描進行檢測。4.3距離-波幅曲線的靈敏度選擇4.3.1不同管壁厚度的距離-波幅曲線靈敏度的選擇應符合表3.1的規(guī)定。表3.1距離-波幅曲線的靈敏度管壁厚度，mm評定線定量線判廢線6~8Φ2×30-16dBΦ2×30-10dBΦ2×30-4dB≥8Ф2×30–14dBФ2×30–8dBФ2×30–2dB4.3.2檢測時應測定聲能傳輸損失差，并根據(jù)實測結(jié)果對檢測靈敏度作補償，補償量應計入距離-波幅曲線。5缺陷定量缺陷長度應按式(1)計算：I=L×(R-H)/R……(1)式中：L——探頭左右移動距離，mm；R——管子外徑，mm；H——缺陷距外表面深度，mm。6承壓設備管子和壓力管道環(huán)向?qū)咏宇^的質(zhì)量評定6.1凡判定為裂紋、坡口未熔合、未焊透及密集性的缺陷顯示，評為Ⅲ級。6.2凡在判廢線(含判廢線)以上的缺陷顯示，評為Ⅲ級。6.3凡在定量線(不含定量線)以下的缺陷顯示，評為Ⅰ級。6.4對于定量線以上、判廢線(不含判廢線)以下的缺陷顯示一般應按照6.4.1的規(guī)定進行評級。6.4.1質(zhì)量分級方法a)缺陷長度按實測值計。b)質(zhì)量分級按表3.2的規(guī)定進行。表3.2對接接頭質(zhì)量分級等級反射波幅（所在區(qū)域）埋藏缺陷長度根部開口缺陷長度單個缺陷長度L單個缺陷長度L缺陷累計長度ⅠⅡ≤T/3，最小為5，最大為30≤T/3，最小為5長度小于或等于焊縫周長的10%，且小于30ⅡⅡ≤2T/3，最小為6，最大為402T/3，最小為6長度小于或等于焊縫周長的15%，且小于40ⅢⅡ超過Ⅱ級者注:1.當允許的缺陷累計長度小于該級別允許的單個缺陷長度時，以允許的單個缺陷指示長度為準。2.板厚不同時，取薄板側(cè)厚度。3.密集性缺陷是在掃描靈敏度下熒光屏有效聲程范圍內(nèi)存在2個或2個以上的缺陷反射信號。3.3檢測設備以色列SONOTRONNDT公司根據(jù)不同用戶檢測需求，開發(fā)出了ISONIC超聲相控陣檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軟件功能非常強大，可對市場中多種常見的工件進行真實結(jié)構描繪。該系統(tǒng)軟件包含二十多種專用檢測功能，見下圖3.1所示。在本文中將主要對其中焊縫高級檢測功能進行一個概括的說明，其他軟件功能在此不進行贅述。圖3.1ISONIC2009相控陣檢測設備 焊縫高級檢測：主要應用于平板對接焊縫及管道環(huán)焊縫檢測基于對焊縫規(guī)格的快速制定（包括焊縫高度、寬度、上/下余高、坡口結(jié)構尺寸、熱影響區(qū)、探頭相對放置位置等信息的快速設定與模擬），可實現(xiàn)對工件厚度的設置，快速設定探頭激發(fā)與接收單元的陣列孔徑、入射角度、聚焦深度、掃查角度范圍、掃查角度步進、一次波與多次反射波（可根據(jù)工件厚度設置并顯示在工件中傳播的多次信號與成像）等檢測參數(shù)。對檢測中探頭與工件的耦合情況進行實時監(jiān)控?？稍趻呙鑸D上實時顯示任意位置的對應A超信號波形與信息（包括角度、聲程、波幅、深度、當量等）。對檢測結(jié)果可實現(xiàn)三維成像（對工件的三視圖顯示模式）和3D成像（對工件進行立體顯示模式，可實現(xiàn)工件立體圖的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)等功能）。對檢測后的缺陷可進行自動評定并生成缺陷信息列表。3.4檢測工件本次實驗中采用Z34-T4.0、Z40-T6.5、Z60-T8.0三根鋼管進行相控陣檢測以及DR檢測，并且使用GD-2試塊進行DAC曲線制作及半圓試塊作角度補償。工件示意圖如下圖3.2～圖3.4所示。 圖3.2Z34-T4.0工件圖3.3Z40-T6.5工件圖3.4Z60-T8.0工件3.5檢測步驟 3.5.1基本參數(shù)設置 (1)探頭及楔塊參數(shù)設置：其中邊距2.05mm,角度39°，楔塊聲速2337m/s。其余參數(shù)見圖3.5所示。圖3.5探頭及楔塊參數(shù)(2)檢測參數(shù)設置：基礎參數(shù)見圖3.6所示、激發(fā)參數(shù)見圖3.7所示、接收參數(shù)見圖3.8所示、閘門A設置見圖3.9所示、測量參數(shù)見圖3.10所示、激發(fā)設置見圖3.11所示、接收設置見圖3.12所示。圖3.6基礎參數(shù)圖3.7激發(fā)參數(shù)圖3.8接收參數(shù)圖3.9閘門A設置圖3.10測量參數(shù)圖3.11激發(fā)設置圖3.12接收設置3.5.2DAC曲線制作本次示例以檢測Z57-T4.0的小徑管為例，依據(jù)JB/T4730標準要求，選擇GD-2為標準試塊。選取5mm、9mm、24mm孔為記錄點進行曲線制作。制作方法如下：(1)將相控陣探頭放到GD-2試塊上，找到深度為5mm孔的最大反射回波，調(diào)節(jié)增益，將反射波高調(diào)節(jié)為屏幕滿屏高80%5%，調(diào)節(jié)閘門A的門位，用閘門套住反射回波，記錄點1。(2)將相控陣探頭放到GD-2試塊上，找到深度為9mm孔的最大反射回波，調(diào)節(jié)閘門A的門位，用閘門套住反射回波，記錄點2。(3)將相控陣探頭放到GD-2試塊上，找到深度為24mm孔的最大反射回波，調(diào)節(jié)閘門A的門位，用閘門套住反射回波，記錄點3。(4)所有點記錄完后，點擊左鍵或右鍵將DAC/TCG/DGS調(diào)節(jié)為DAC。曲線制作完成。見圖3.13所示。記下此時的DAC起始靈敏度，即增益值。圖3.13DAC曲線制作3.5.3角度增益補償曲線制作 角度增益補償制作步驟(1)制作角度增益補償曲線時，一般選用半圓試塊（見圖3.14所示）或者其他具有不同深度的橫通孔的試塊制作角度增益補償曲線。圖3.14半圓試塊(2)“厚度修正”選擇開啟，聚焦深度位置根據(jù)檢測具體情況設置，一般按照實際檢測工藝進行設置。(3)將相控陣探頭放置在所選試塊上（本次示例選用半圓試塊）找到基準入射角度（本次示例選用的基準入射角度為55°）的反射體回波，調(diào)節(jié)增益確定基準波高，使得反射體的基準波高為滿屏的70%、80%或90%均可，基準波高可由檢測人員自己確定（本次示例選用基準入射角度為55°下找到的反射體的回波為80%作為基準波高）。點擊I進入掃查設置界面。(4)進入“掃查設置”界面后點擊“單一角度增益修正”菜單的“編輯”進入角度增益補償修正界面，將入射角度調(diào)節(jié)為基準入射角度（本次示例選用55°作為基準入射角度），增益修正此時為0。點擊選擇制作角度增益補償?shù)慕嵌炔竭M，可調(diào)步進有0.1°、0.2°、0.5°、1°、2°、5°，一共6種可調(diào)步進。選擇的步進將在入射角度的左上角顯示，本次示例選擇的角度步進為0.5°。(5)通過左右鍵調(diào)節(jié)入射角度，在試塊上移動探頭，找到每個入射角度對應的反射體的最大回波，通過調(diào)節(jié)增益修正，將每個最大回波調(diào)節(jié)至80%的滿屏高度。入射角度的范圍為所選的扇形掃查角度范圍，一般為35°～75°。(6)所有角度都修正完之后，點擊“保存”，將制作好的角度增益補償曲線保存起來，以便下次類似檢測直接調(diào)用。見圖3.15所示。(7)保存角度增益補償曲線后，點擊“完成”，退出角度修正界面。圖3.15角度增益補償曲線3.5.4理論模擬圖像設置 (1)在掃查設置界面，點擊點擊“幾何尺寸”菜單的“編輯”，進入“焊縫參數(shù)”設置界面，輸入焊縫的幾何參數(shù)。焊縫寬度、表面余高、根部寬度、根部余高。見圖3.16所示。\圖3.16焊縫參數(shù)設置(2)點擊“坡口”，可進行焊縫真實坡口設置。見圖3.17所示。設置完成后點擊應用，此時坡口圖標點亮。圖3.17坡口設置(3)點擊“完成”，退出焊縫參數(shù)設置界面。3.5.5掃查 (1)耦合監(jiān)控設置①點擊“I”進入掃查設置界面，點擊耦合中的“激活”，進入到耦合監(jiān)控設置界面。見圖3.18所示。圖3.18耦合監(jiān)控②在耦合監(jiān)控界面，找到試塊的底波，將開啟閘門套住底波，調(diào)節(jié)增益使得底波的回波高度達到滿屏高度的80%。見圖3.19所示。點擊“應用”，回到角度增益補償修正界面。此時耦合監(jiān)控為激活狀態(tài)，激活的圖標變亮。圖3.19耦合監(jiān)控底波(2)扇形掃查范圍及探頭位置設置①在掃查設置界面，進行檢測扇形掃查范圍設置。②通過左右鍵調(diào)節(jié)檢測所需的最小角度、最大角度及角度步進。角度步進有0.2°、0.5°、1°、2°和5°共五種選項。檢測所需的最大最小角度的選擇主要依據(jù)能否全部覆蓋或者最大程度覆蓋檢測焊縫區(qū)域的宗旨來進行調(diào)節(jié)，在滿足覆蓋要求的前提下，一次波聲束與二次波聲束的重疊部分盡可能的少。角度步進越小聲束覆蓋焊縫區(qū)域越密集，但同時檢測數(shù)據(jù)量越大，采集速度及保存速度越慢（建議在檢測中選擇0.5°的角度步進足以滿足檢測要求）。③在焊縫參數(shù)設置界面，通過左右鍵調(diào)節(jié)“探頭位置”。通過探頭位置的調(diào)節(jié)，可以在示意圖中看出已設定的扇形掃查范圍是否滿足聲束覆蓋要求，從而找到適合的探頭位置。在探頭位置滿足聲束覆蓋范圍時，探頭位置越小越好，以減少聲波的衰減。焊縫掃查①焊縫參數(shù)設置完成后，在掃查設置界面點擊下一步，進入扇形掃描界面，激活閘門，設置門位、門寬及門高。超過閘門高度，并在閘門覆蓋范圍內(nèi)的檢測信息將會進行成像顯示。但閘門外的信息（A超信號）都將被100%記錄，只是不做成像。見圖3.20所示。圖3.20焊縫掃查設置②扇形掃描界面的增益為掃查靈敏度。根據(jù)工件表面狀態(tài)，掃查靈敏度一般在起始靈敏度之上進行補償。補償?shù)姆秶话愀鶕?jù)相關檢測標準要求進行補償。③點擊“掃查”進入C掃描界面進行檢測。見圖3.21所示。圖3.21焊縫掃查④在C掃描界面設置掃查長度、選擇記錄方式為編碼器。⑤進入到C掃描界面，選擇已校準好的編碼器，查看耦合狀態(tài)。⑥點擊“開始”，進行掃查。掃查結(jié)束后，點擊“停止”，將會生成掃查結(jié)果。見圖3.22所示。圖3.22焊縫結(jié)果圖示4.檢測結(jié)果及對比 4.1相控陣及DR檢測結(jié)果 ?Z34-T4.0（一）坡口示意圖圖4.1坡口示意圖（二）預制缺陷尺寸及測試結(jié)果1、1#根部未焊透缺陷（1）預制缺陷尺寸長度18mm、深度2.5mm、自身高度1.5mm圖4.2預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果（a）1#根部未焊透缺陷主視圖1#根部未焊透缺陷：深度3.9mm、長度17.7mm、幅度92.4%（b）PA檢測結(jié)果圖4.3PA檢測根部未焊透缺陷②DR檢測結(jié)果DR檢測根部未焊透長度為15.49mm圖4.4DR檢測結(jié)果2、氣孔缺陷（1）預制缺陷尺寸2#氣孔缺陷：深度h=1.0mm、d=1.5mm；3#氣孔缺陷：深度h=1.0mm、d=2mm圖4.5預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果（a）氣孔采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波器處理2#氣孔缺陷測量結(jié)果：深度1.4mm、長度1.3mm、幅度26.6%（b）2#氣孔檢測結(jié)果經(jīng)過處理3#氣孔缺陷測量結(jié)果：3#氣孔缺陷：深度1.5mm、長度2.4mm、幅度31.1%（c）3#氣孔檢測結(jié)果圖4.6PA檢測氣孔缺陷②DR檢測結(jié)果DR檢測結(jié)果見圖4.4所示。2#氣孔Φ1.5×1，3#氣孔Φ1.9×1。?Z40-T6.5（一）坡口示意圖圖4.7坡口示意圖（二）預制缺陷尺寸及測試結(jié)果1、1#根部裂紋缺陷（1）預制缺陷尺寸長度22mm、深度5.0mm、自身高度1.5mm圖4.8預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果（a）1#根部裂紋缺陷主視圖根部裂紋缺陷：深度5.7mm、長度24.3mm、幅度69.5%（b）PA檢測結(jié)果圖4.9PA檢測根部裂紋缺陷②DR檢測結(jié)果DR檢測根部裂紋長度為20.03mm圖4.10DR檢測結(jié)果2、坡口未熔合及氣孔缺陷（1）預制缺陷尺寸長度15mm、深度h=1.5mm、自身高度d=2mm(a)3#坡口未熔合2#氣孔缺陷：深度h=1.5mm、d=2mm；4#氣孔缺陷：深度h=1.0mm、d=3mm(b)2#氣孔和4#氣孔缺陷圖4.11預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果（a）坡口未熔合和氣孔采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理2#氣孔缺陷測量結(jié)果：深度3.6mm、長度3.5mm、幅度27%（b）2#氣孔檢測結(jié)果經(jīng)過處理3#坡口未熔合缺陷測量結(jié)果：深度3.5mm、長度14.2mm、幅度44.6%（c）3#坡口未熔合檢測結(jié)果經(jīng)過處理4#氣孔缺陷測量結(jié)果：深度3.5mm、長度3.0mm、幅度29.4%（d）4#氣孔檢測結(jié)果圖4.12PA檢測坡口未熔合和氣孔缺陷②DR檢測結(jié)果3#坡口未熔合DR檢測結(jié)果為長度12.47mm，見圖4.12所示。2#氣孔DR檢測結(jié)果為Φ1.6×1，4#氣孔DR檢測結(jié)果為Φ2.8×1，見圖4.13所示。圖4.13氣孔缺陷DR檢測結(jié)果?Z60-T8.0（一）坡口示意圖圖4.14坡口示意圖（二）預制缺陷尺寸及測試結(jié)果1、1#根部裂紋缺陷（1）預制缺陷尺寸長度32mm、深度6.5mm、自身高度1.5mm圖4.15預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果采集的原始數(shù)據(jù)1#根部裂紋缺陷：深度7.3mm、長度35.2mm、幅度>130%（b）PA檢測結(jié)果圖4.16PA檢測根部裂紋缺陷②DR檢測結(jié)果DR檢測根部裂紋長度為29.88mm圖4.17DR檢測結(jié)果2、坡口未熔合及氣孔缺陷（1）預制缺陷尺寸長度18mm、深度2.5mm、自身高度2mm(a)3#坡口未熔合2#氣孔缺陷：深度1.5mm、Φ2mm；4#氣孔缺陷：深度1.5mm、Φ3mm(b)2#氣孔和4#氣孔缺陷圖4.18預制缺陷尺寸圖（2）測試結(jié)果①相控陣檢測結(jié)果經(jīng)過處理2#氣孔缺陷測量結(jié)果：深度3.4mm、長度2.8mm、幅度24.1%（b）2#氣孔檢測結(jié)果經(jīng)過處理3#坡口未熔合缺陷測量結(jié)果：深度5.2mm、長度20mm、幅度>130%（c）3#坡口未熔合檢測結(jié)果經(jīng)過處理4#氣孔缺陷測量結(jié)果：深度4.0mm、長度3.2mm、幅度57.1%（d）4#氣孔檢測結(jié)果圖4.19PA檢測坡口未熔合和氣孔缺陷②DR檢測結(jié)果3#坡口未熔合DR檢測結(jié)果為長度15.78mm。2#氣孔DR檢測結(jié)果為Φ2.4×1，4#氣孔DR檢測結(jié)果為Φ2.4×1。見圖4.17所示。4.23D圖示點擊“3D顯示”菜單，選擇全部，即可把俯視圖、側(cè)視圖和端視圖合成為一個完整的三維圖像。見圖4.20所示。圖4.203D圖示5.結(jié)論及展望5.1檢測結(jié)論(1)相控陣技術利用相控陣超聲能形成多個角度的聲束檢測焊縫。(2)檢測結(jié)果采用三維形式顯示，直觀易懂，有助于缺陷分析定性。保存的數(shù)據(jù)以動態(tài)形式回放。(3)采用編碼器記錄掃查位置，檢測結(jié)果實時顯示。檢測效率高。(4)相控陣超聲檢測技術受人為因素影響小。降低漏檢及誤評的幾率。(5)相控陣超聲檢測相對常規(guī)超聲檢測優(yōu)點，圖像直觀、有記錄，可以聚焦，檢出率高，覆蓋范圍大。(6)相控陣超聲檢測和射線檢測相比具有如下優(yōu)點：①射線檢測存在死角，對面積型危害性大的缺陷不敏感，易漏檢。相控陣超聲檢測對面積狀危險性缺陷檢出率明顯高于射線檢測。②尤其在密集分布的小徑管檢測中明顯優(yōu)于射線檢測，可以檢測到射線檢測不到的部位。③對人體無輻射，不需要隔離防護，可以和其他工種同時進行作業(yè)。④檢測速度快，檢測效率高。⑤耗材消耗成本低，環(huán)保（無底片沖洗，避免了定影液、顯影液處理等）。5.2展望相控陣檢測利用波動物理學相位調(diào)整原理，通過改變一系列超聲脈沖的發(fā)射時間，使陣列中的每個晶片生成的單個波前交匯在一起，形成聲束前沿。相控陣技術優(yōu)于常規(guī)技術之處在于它可以使用單個探頭組件中的多個晶片使聲束進行偏轉(zhuǎn)、聚焦和掃查。利用通常被成為"S掃查"(扇形掃查)的聲束偏轉(zhuǎn)，可以適當?shù)慕嵌壬杀粰z測工件的圖像，極大的簡化了檢測幾何形狀復雜的工件的過程。此外，在檢測空間有限，不能方便地進行機械掃查的情況下，探頭的狹小地面及其無需被移動即可以不同角度發(fā)射聲束的能力更有助于檢測這類形狀復雜的工件。電子聚焦可在會出現(xiàn)缺陷的位置優(yōu)化聲束的形狀和大小，從而可以進一步提高檢出率。與常規(guī)UT相比，相控陣檢測速度要快上10倍，這一點是相控陣的一個主要優(yōu)勢。現(xiàn)階段，相控陣技術無論在便攜式的設備上，還是大型的液浸系統(tǒng)中都已經(jīng)有了成熟的應用，我相信未來相控陣必然會取代常規(guī)UT成為超聲波檢測的主要方法。現(xiàn)在存在的問題就是基于相控陣的檢測技術至今沒有一個成熟的標準，對于缺陷的評定，檢測方法的規(guī)范都還有待發(fā)展。參考文獻[1]沈建忠.超聲無損檢測的進展.無損檢測,1998,20(2):31-35.[2]鐘志民.超聲相控陣技術的發(fā)展與應用[J].無損檢測,2002,24(2):69-71.[3]S.Chatillon.SinulationanddatareconstructionforNDTphasedarray.Ultrasonic,2006(44):951-955.[4]劉貴民.無損檢測技術.北京：國防工業(yè)出版社，2010:6.[5]張光義.相控陣雷達的技術特點及關鍵技術.電子科技導報,1996,7:2-4.[6]孫寶中,沈建中.合成孔徑聚焦超聲成像（一）[J].應用聲學,1993,12(6):11-16.[7]萬敏，王海濤.超聲相控陣聲束控制特性分析.無損檢測,2009:859-861.[8]R/DTech.IntroductiontoPhasedArrayUltrasonicTechnologyAppli