小口徑薄壁管環(huán)焊縫用橫向曲面相控陣超聲探傷技術

小口徑薄壁管環(huán)焊縫用橫向曲面相控陣超聲探傷技術

1縫超聲自動檢測過去，小口徑實質膜厚帶的閉合孔通常采用輻射法進行損傷。射線照相有明顯局限性:有安全和環(huán)保問題,要延長生產流程,要耗用膠片和藥液,還有對面狀缺陷檢出率低的固有弱點。有些規(guī)程允許對此類焊縫做手工超聲檢測,但檢測結果缺乏客觀性記錄,檢測可靠性在很大程度上取決于操作者的經驗和水平。最近,由于便攜式相控陣智能化超聲設備的出現(xiàn),小徑管焊縫超聲自動檢測(AUT)也能在工業(yè)上得到實用,已能提供可靠的、并可追蹤的檢測結果。ASMEB31.3規(guī)范案例179和181的出現(xiàn),已允許小徑管環(huán)焊縫采用超聲自動檢測。規(guī)范案例181特別要求對缺陷精確測長和定量,這對小徑管無疑是一項難度很高的要求,因為超聲波進入管壁后會產生波束擴散。從而導致缺陷測長或定量值過大,以致返修率偏高。相控陣能使超聲波束在管子軸向作用面內聚焦,因而對缺陷壁厚方向的尺寸能較好地定量。但是,迄今為止,只有超聲矩陣陣列探頭才能使波束在管子周向曲面內聚焦,盡管其聚焦能力有限。采用矩陣和曲面陣列探頭都能解決軸向和周向的聚焦問題。但矩陣陣列制作成本高,操作復雜。為此,一開始就確立小徑管曲面相控陣超聲檢測建模方式:要求只采用兩種橫向曲率,就基本上能覆蓋多種小徑管,而與管壁厚度無關。制作了半徑較大的橫向曲面陣列,用它對設置在小徑薄壁管中已知形狀尺寸的反射體作了探測和定量試驗,并與常用的非聚焦標準(平面)陣列作了比較。早先,相控曲面陣列也曾用于直徑較大的管道管子的檢測。這里介紹有關試驗結果,實驗證明:相控曲面陣列的缺陷定量準確度明顯提高。曲面陣列的操作無需添加特殊硬件或軟件。2分辨率控制矩陣建模2.1試驗1,采用相控陣接頭仿真采用相控陣仿真軟件(PASS)程序將各種超聲波束模式化。探頭及相關參數如下:頻率5MHz;帶寬70%;有效面積:10mm2;楔塊:SA1-N45S;波束角度:橫波45°;管徑:從50mm開始;壁厚5mm;管材:碳鋼(縱波聲速:5800m/s,橫波聲速:3230m/s);探頭主動軸(縱向)平行于管軸;焦深:5mm和10mm(管子內外壁)。注意:當前使用的相控陣仿真軟件還不能仿真二次波(1.0S波)聲場,作用到管子外壁的聲場是計算出來的,忽略了管子內壁反射,只考慮超聲波在金屬材料中的總聲程。試驗所用相控陣探頭有以下三種:①矩陣探頭:16×8陣元;②橫向曲面線陣列探頭:16陣元,曲面沿從動軸(橫向),曲面半徑22mm;③平面線陣列探頭(5L16-A1):16陣元。2.2曲面線陣列接頭的仿真圖1表示三種相控陣探頭的仿真試驗顯像結果,示出了在波束傳播方向上的波束輪廓(前視圖和俯視圖)。將圖中3a～3d相控陣顯像與1a～1d或2a～2d相控陣顯像進行比較,特征一目了然:用平面線陣列探頭產生的波束聚焦狀態(tài)明顯劣于用矩陣陣列探頭或橫向曲面陣列探頭產生的波束。有關圖1說明,詳見表1。采用矩陣探頭與具有最佳曲率半徑的線陣列探頭相比,并無明顯優(yōu)點。這可能是因為壁厚薄的緣故。若焊縫余高未磨平,則超聲波束入射點離焊縫中心線偏遠,因而不得不使用多次聲程波探測。但若要求波束具有偏轉能力,則矩陣陣列有獨特優(yōu)勢。隨后,用10MHz陣列對四種直徑25mm、30mm、50mm和75mm作了仿真試驗。此時,因為對較薄壁厚需用多次聲程波探測,試驗證明壁厚不重要,所以使用聲程趨向于相當恒定。圖2(a)示出了曲面線陣列探頭的最佳仿真結果(說明詳見表2)。為供比較,圖2(b)示出了10MHz平面線陣列探頭的仿真結果(說明詳見表3)。顯然,與平面探頭相比,曲面陣列探頭在管子周向產生的超聲波束寬度較窄,接近于入射處的波束寬度。這樣,就減小了超聲波束在管子內外壁的固有擴散角。除非管徑小于25mm,一般管子外壁對曲面陣列探頭產生的波束形狀影響不大。對小于25mm的管徑,宜采用曲率半徑較小的曲面陣列探頭。綜上所述,曲率半徑40mm的曲面陣列探頭適用于管徑大于25mm的管子,而曲率半徑30mm的曲面陣列探頭適用于管徑小于25mm的管子。這兩種曲面陣列探頭能有效地覆蓋常用的各種小徑管環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測。3檢測條件和方法用曲面相控陣探頭對外徑為70mm和38mm的小徑管分別作了檢測。兩種管徑的試樣管及其人工反射體尺寸布置見圖3。注意:曲率半徑為40mm的曲面陣列適合于外徑為25mm和40mm的管子。加工了兩種曲面楔塊,以與被檢小管曲率吻合。用奧林巴斯全掃型MX相控陣設備(OlympusOmniScanMX)和典型的相控陣程序,對設有線槽和小孔的試樣管進行了掃查。對兩種探頭使用相同設置,但對曲面探頭增益值適當減小。檢測?70mm的小管,對通孔外壁端用2次波(1.0S波)探測,對通孔內壁端用3次波(1.5S波)探測,而對線切槽用2次波探測;檢測?38mm的小管,對通孔外壁端用4次波(2.0S波)探測,對通孔內壁端用3次波(1.5S波)探測。探測時,使相控陣探頭楔塊與反射體距離保持一定,因此探測線切槽的最佳波束角度是橫波53°。缺陷測長定量采用6dB降落法。圖4～圖6表示對?70mm小管的檢測結果,圖7表示對?38mm小管的檢測結果。兩種小管的檢測數據歸納在表4中。4分辨率控制與矩陣應用的討論4.1孔兩端孔口的c掃描圖像表4清楚地說明了用橫向曲面陣列探頭定量測長,明顯提高了缺陷的定量精確度。而且,與矩陣探頭相比,采用曲面陣列探頭既不復雜,費用也不高。用平面陣列探頭探測?38mm小管(圖7(a)和圖8(a))時,?1mm通孔兩端的C掃描圖像顯示出復雜形狀。這表明小管中的超聲波聲場并未聚焦,因為通孔一端起點狀反射體的作用,所以顯示了聲場的基本結構。與此相反,曲面陣列探頭(圖7(b)和圖8(b))則顯示出簡單圖像。線槽最好用電火花加工(EDM),符合ASMEB31.3規(guī)范案例181的驗收標準。若非電火花加工,槽長測定值會顯得不夠準確。由圖6可見,即使對非電火花加工線槽,用10MHz曲面陣列探頭因有聚焦效應,測出的長度,也比平面陣列探頭測長值小些。對?38mm小管,用平面陣列探頭和曲面陣列探頭探測,槽的C掃描圖像中間均顯示斷開(圖9(a)和圖9(b))。對此非電火花加工槽,槽的端部有可能在曲表面上呈復雜形狀,因而會影響超聲波束對其端角的捕捉。4.2探針內固結增強設計由于當前相控陣仿真軟件不能仿真薄壁管所必需的2次以上的聲程波界面,對給定的管徑范圍,探頭的曲率設計可能達不到最優(yōu)化。針對該問題,還必須采用功能更強大的軟件如CIVA軟件,來解決2次以上聲程波的界面跳躍問題。5仿真結果分析(1)建模和試驗均表明:橫向曲面相控陣的聚焦效應能明顯提高小口徑薄壁管環(huán)焊