超声相控阵检测教材 第八章 现场实际应用 - 图文

第八章现场实际应用

现场实际应用的实质就是超声检测工艺的执行及验证。超声检测工艺就是检测前对检测条件的选择，这必然要涉及到检测设备、探头及试块等。相控阵设备也是如此。超声相控阵设备分为便携式超声相控阵设备和全自动超声相控阵设备两种。因此，相控阵的检测工艺也是按这两种类型的设备进行介绍。 8.1便携式超声相控阵检测 8.1.1相控阵设备的选择

在进行相控阵检测时，首先检测选取的相控阵设备应满足以下要求：

◆水平线性误差小

◆垂直线性好，衰减器精度高。

◆对于检测大型工件，选择灵敏度余量高、信噪比高、功率大的设备。 ◆选择盲区小、分辨力好的设备。

◆选择重量轻、抗干扰能力强、性能稳定、检测结果重复性好的设备。 相控阵设备除了满足常规超声设备的要求外，重点从以下几方面选择：

◆穿透能力：穿透能力取决于脉冲电压。脉冲电压高穿透能力强，脉冲电压低穿透能力弱。根据被检工件的厚度选择穿透能力。工件薄的，选择脉冲电压低的设备；工件厚的，选择脉冲电压高的。目前，市场上普遍流行的相控阵设备脉冲电压有80V（单向）、150V（单向）等。

◆分辨力：相控阵设备属于成像设备，因此，要求成像质量必须好，分辨力必须高。分辨力低，成像质量差，成像质量差，进而影响缺陷定量。因为成像质量差，能将两个相邻且独立的缺陷连在一起，进而使缺陷放大。 ◆图像显示：

相控阵设备是成像设备，对成像显示方式主要有两种类型： 1）按声程显示成像 2）按真实几何结构成像。

按真实几何结构成像显示优点：图像显示直观、易懂，数据分析容易，很容易让人接受。见图8-1所示。

（a）按声程显示成像

（b）按真实几何结构成像 图8-1 成像显示方式

◆抗干扰能力

便携式设备适用范围广，环境复杂。因此要选择抗干扰能力强、性能稳定及检测结果重复性好的相控阵设备。 8.1.2探头的选择 1、基本术语 1）相控阵探头晶片

相控阵探头的晶片由压电复合材料制作。压电复合材料的探头信噪比比一般压电陶瓷探头高10dB～30dB。是将一块整体压电复合材料的晶片切割成无数微小的晶片（如图8-2所示），每个晶片能单独激发。

图8-2 一维线性相控阵探头参数术语

A—主动孔径

W—晶片宽度（也叫被动孔径） e—阵元晶片长度 g—阵元晶片之间距离 P—e+g

t—晶片厚度（高度） 2）声束

相控阵声束的三个重要的术语： ◆主瓣(M) ◆旁瓣(S) ◆柵瓣(G)

图8-3 典型的线性相控阵声束指向性图（8晶片线性相控阵探头，偏转角为30°） 2、探头参数

相控阵探头参数的选择主要从以下几方面考虑： ◆频率 ◆阵元间距 ◆阵元宽度 ◆阵元数量

◆偏转角 1）频率 频率的影响：

（1）频率高，灵敏度高。

由于波的绕射，使超声波检测灵敏度约为λ/2，因此提高频率，有利于发现更小的缺陷。 （2）频率高，主瓣宽度小。

频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。 （3）频率高，聚焦效果好。

频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位。 （4）频率高，近场长度大。 （5）频率高，衰减大。 2）阵元间距 阵元间距影响： （1）影响主瓣和栅瓣

阵元间距越大，主瓣宽度越窄，但是间距变大，会出现栅瓣（如图8-4所示），所以有一个极限值（0.1mm），小于这个值则不会出现栅瓣。 （2）对旁瓣影响不大

旁瓣随着阵元间距的增大而变化不大，这说明阵元间距对旁瓣影响不大。

图8-4 不同阵元间距的声束指向性

3）阵元宽度 阵元宽度影响：

（1）阵元宽度大，声压值高，检测灵敏度高。

（2）阵元宽度对栅瓣位置没有影响，且对主瓣宽度和旁瓣影响不大。

旁瓣有所降低，但最大旁瓣高度基本不变。随着阵元宽度变大，主瓣高度降低，又因为最大旁瓣高度不变，相当于旁瓣级升高。所以，在满足其它要求不变的情况下，应尽量选择宽度小的阵元。

也就是说，阵元宽度变大，旁瓣级也升高，但是最大旁瓣高度基本不变。 4）阵元数量

（1）阵元数对旁瓣的影响

阵元晶片数增多，旁瓣级减小，如图8-5所示。

图8-5 阵元数与旁瓣的关系

由图8-5可知，当N从0增大时，旁瓣急剧减小；当N＞16并继续增大时，旁瓣趋于-13.5dB的极限值。可见，N对旁瓣的抑制作用非常明显，当设计相控阵探头对旁瓣有严格要求时，应首先考虑增加阵元数N。 （2）阵元数对主瓣的影响

阵元数的增加不但可以减小主瓣宽度，还可以降低旁瓣。如图8-6和图8-7所示。

图8-6 不同阵元数的指向性图8-7 阵元数与主瓣宽度的关系

由图可得，当N＞32时，阵元数的增加对主瓣宽度和旁瓣都影响不大。所以阵元数取32以上即可。

（3）阵元数增多，主动孔径（A）变大，也就是晶片尺寸变大，超声波能量大（也就是声压值高），检测灵敏度高。

（4）阵元数增多，聚焦效果好，见图8-8所示。

图8-8 晶片数不同，聚焦效果不同

5）偏转角

偏转角影响主瓣和栅瓣。

偏转角也就是扇形扫查中角度范围。

线性相控阵探头偏转角在一定范围内时,探头可获得较好的指向性.随着偏转角的增大,主瓣变宽（如图8-9所示），声束能量降低，所以在进行扇形扫查时要做角度增益补偿。 偏转角继续增大时,主瓣角宽度继续增大,而且会产生栅瓣。栅瓣的出现也与楔块的角度有关。

可见在实际检测中，必须把偏转角度确定在一个合理的范围，才能获得可靠的检测效果。

图8-9 扇形扫描动态图（偏转角）

? 相控阵探头参数选择总结：

表8-1 检测焊接接头时相控阵探头参数选择推荐表

工件厚度（㎜） 相控阵探头 主动孔径（㎜） 一次激发的晶片数（个） 16 16 32 8 8 16 标称频率（MHz） 7.5 5/4 5/4 8～15 >15～80 >80～150 8.1.3参考试块的选择

参考试块用于检测校准的试块。例如JB/T4730.3-2005中的CSK-ⅡA及CSK-ⅢA试块。RB-3试块也是用于校准的参考试块。这些试块仅能适用于检测工件厚度小于等于100mm的焊缝，工件厚度大于100mm的焊缝要另行设计试块。 8.1.4 DAC曲线的制作

DAC曲线制作与常规超声检测制作DAC曲线一致。

距离—波幅曲线制作：调节“增益”，使第一个反射体的最大波高达到满屏高度的80%（误差为±5%），该波高为基准波高；然后保持灵敏度不变，依次探测其他反射体，找到最大反射波高；将不同的深度及其对应的最大波高连接起来，即可成为距离—波幅曲线。 制作完DAC曲线后，再进行扇形范围内的角度补偿。得到扇形角度范围内的一系列DAC曲线。

? DAC曲线需要注意以下几点：

（1）制作DAC曲线时，一般选择扇形扫查范围内的中间角度制作DAC曲线。

（2）最大声程处反射体波高不得低于满屏高度的20%。低于此值应分开制作DAC曲线。即按一次波和二次波分开制作。

例如检测工件厚度为30mm的焊缝，检测采用一次波和二次波检测。因此制作DAC曲线时必须达到60mm深孔的位置，也就是说60mm深孔的波高不得低于满屏高度的20%。如果低于20%，则按一波和二次波分开制作DAC曲线。如果不分开制作，用一次波灵敏度检测，对二次波检测范围灵敏度不够，会漏检。如果用二次波灵敏度检测，对于一次波检测范围灵敏度过高，成像质量极差，定量偏差很大。

（3）如果采用聚焦声束检测，只有在焦柱长度范围内对应的深度范围应用DAC曲线是有效的。

8.1.5扇形扫查角度范围的选择 扇形角度范围选择原则：

（1）扇扫起始角度必须大于第一临界角对应的折射角。

根据折射定律计算第一临界角?1。例如楔块声速为2337m/s，，钢中纵波声速为5950m/s，钢中横波声速为3230m/s 。?1=23.1°，再计算出折射角β，β=32.8°。所以扇扫起始角度大于32.8°。

（2）扇扫角度范围不要过大，过大会出现栅瓣，产生鬼影。

（3）扇形角度范围一般为38°-70°。大于70°受温度影响严重。特殊情况也可设置为35°-80°。图8-10是楔块材料为有机玻璃计算出来的角度。 （4）扇形角度范围一般要根据检测对象来确定：

◆扇形角度范围选择可根据设备中的理论计算软件来设置，通过演示看是否合理，见图11所示。

◆理论软件中焊缝宽度参数的输入，要在实际焊缝上测量后再输入。

图8-10 有机玻璃/钢界面上的声压往复透射率

楔块材料为有机玻璃。当?L=27.6°(?Ⅰ)-57.7°(?Ⅱ)时，钢中只有折射横波，无折射纵波。折射横波的往复透射率最高不超过30%，这时对应的?L=30°，βS=37°。

图8-11 计算扇形角度范围及探头距离的软件

◆如果可以在被检焊缝两侧扫查，角度范围要小些。因为范围太大，角度增益补偿大。影像重叠部分大。图8-12的设置角度范围太大，重叠部分也大，造成图像叠加，就不如图8-13设置。但是这两种设置不如按一次波和二次波分开设置合理，见图8-14所示。

图8-12 扇形角度范围为35 °-80 ° 图8-13 扇形角度范围为35 °-75 °

（a）一次波扇形角度范围为50 °-75 ° （b）二次波扇形角度范围为35 °-55 °

图8-14 将一次波和二次波分开设置

◆由于结构原因，只能在单侧检测，角度范围要大些，要尽可能保证焊缝全覆盖，如图8-15所示。

图8-15扇形角度范围为35 °-80 °

8.1.6探头前端距焊缝边缘的距离

探头前端距焊缝边缘的距离（L）设置很关键，它决定检测覆盖范围，还要考虑探头是否上焊缝、也就是说线性扫查是否可行的，换句话说就是采用几次波检测的问题。要根据理论软件计算来设置，如图8-16所示。

图8-16 L参数示意图

8.1.7扫查方式

用相控阵探头对焊缝进行检测时，无需象普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可实现快速检测，检测效率非常高，如图8-17所示。

图8-17 PA探头平行于焊缝方向扫查

8.1.8工艺参数设置及缺陷分析 1、T=3.5mm的试板 1）预制根部未焊透

根部未焊透规格：77㎜×2㎜×1.5㎜

图8-18 预制根部未焊透

2）采用相控阵检测 （1）PA探头参数

7.5MHz、32晶片的相控阵探头，p=0.5mm、e=0.4mm、g=0.1mm。 （2）采用Ф2x20mm横通孔试块制作DAC曲线。 （3）采用三次波和四次波分开设置进行检测。 （4）PA探头前端距焊缝边缘的距离为10mm。 （5）检测结果

根部未焊透检测结果：长度76.9mm、深度2.4mm、幅度大于130%，位于Ⅲ区，判为Ⅲ级。

（a）采用三次波和四次波检测图

（b）未焊透缺陷 图8-19 根部未焊透检测结果

3）RT检测结果

未焊透缺陷在RT底片上显示长度为65㎜，见图8-20所示。

图8-20未焊透缺陷在RT底片上显示

4）解剖验证

解剖验证未焊透自身高度为1.3㎜，见图8-21所示。

图8-21解剖未焊透自身高度为1.3㎜

2、T=19mm的试板

1）预制根部裂纹及坡口未熔合

（a）预埋缺陷位置

①根部裂纹规格：85㎜×0.3㎜×3.0㎜②坡口未熔合规格：50㎜×3.5㎜×4.3㎜

（b）预埋缺陷布置图 图8-22预埋缺陷图

2）PA检测结果 1）PA探头参数

4MHz、32晶片的相控阵探头，p=0.5mm、e=0.4mm、g=0.1mm。 （2）采用Ф2x20mm横通孔试块制作DAC曲线。 （3）采用一、二次波进行检测。 （4）扇形角度范围（40°-70°）

（5）PA探头前端距焊缝边缘的距离为15mm。 （6）PA检测结果

PA检测发现一个裂纹和一个坡口未熔合。裂纹长度为85㎜，坡口未熔合的长度为48㎜，见图8-23所示。

（a）PA检测图

（b）根部裂纹

（c）坡口未熔合 图8-23 PA检测结果

3）TOFD检测结果

TOFD检测结果见图8-24所示。 （1）根部裂纹

采用TOFD测量根部裂纹的深度为17.7㎜，自身高度为2.3㎜，长度为82㎜。

（2）坡口未熔合

采用TOFD测量坡口未熔合的深度为6.1㎜，高度为4.9㎜，长度为47.5㎜。

图8-24 TOFD检测结果

4) RT检测结果

（1）根部裂纹缺陷在RT底片上显示长度为79㎜，见图8-25所示。

图8-25根部裂纹缺陷在RT底片上显示

（2）坡口未熔合缺陷在RT底片上显示长度为25㎜，见图8-26所示。

图8-26坡口未熔合缺陷在RT底片上显示

5）解剖验证

（1）解剖验证根部裂纹自身高度为2.5㎜，见图8-27所示。

图8-27解剖根部裂纹自身高度为2.5㎜

（2）解剖验证坡口未熔合自身高度为4.5㎜，见图8-28所示。

图8-28解剖坡口未熔合自身高度为4.5㎜

3、T=14㎜的试板 1）预制中间裂纹

中间裂纹规格：65㎜×0.3㎜×3.5㎜

图8-29预埋中间裂纹示意图

2）PA检测

PA检测发现中间裂纹，其长度为67.4㎜，深度为7.8㎜，幅度为DAC+15.7dB，位于Ⅲ区，评为Ⅲ级，见图8-30所示。

（a）PA检测图

（b）中间裂纹 图8-30中间裂纹检测结果

3）TOFD检测

TOFD检测发现中间裂纹，该缺陷深度为6.4㎜，自身高度为2.5㎜，长度为63㎜，见图8-31。

图8-31 TOFD检测中间裂纹

4）RT检测

中间裂纹缺陷在RT底片上显示长度为58㎜，见图8-32所示。

图8-32 中间裂纹在RT底片上显示

5）解剖验证

解剖验证中间裂纹自身高度为2.5㎜，见图8-33所示。

图8-33解剖中间裂纹自身高度为2.5㎜

4、角焊缝

T=14㎜的单X型坡口与T=19㎜的板焊成的T型角焊缝检测 1）预制根部未焊透与坡口未熔合

根部未焊透的规格：45㎜×2.0㎜×2.0㎜；坡口未熔合的规格：25㎜×3.5㎜×2.9㎜

图8-34 T-X型角焊缝预制缺陷图

2）实物图

图8-35 T-X型角焊缝实物图

3）PA检测

PA检测发现中间未焊透和坡口未熔合缺陷。中间未焊透缺陷长度为17.9㎜，深度为8.4㎜，自身高度为2.2㎜，幅度大于130%，位于Ⅲ区，评为Ⅲ级。坡口未熔合缺陷长度为18㎜，深度为2.1㎜，自身高度为3.2㎜，幅度DAC+2.8dB，位于Ⅲ区，评为Ⅲ级。见图8-36所示。

（a）中间未焊透

（b）坡口未熔合

图8-36 T-X型角焊缝PA检测结果

8.2 全自动超声相控阵检测

8.2.1为什么采用全自动超声相控阵检测

超声TOFD（Time of Flight Diffraction）技术即超声波衍射时差技术，自1975年在英国问世以来，便受到人们的普遍重视并应用于焊缝的检测。近年来，超声TOFD检测在我国石化、电力及特种设备等行业已经开始应用，并得到认可。TOFD技术的优势是测量缺陷的自身高度，为断裂力学“工程临界分析法” (ECA)的评判提供关键的指标，但在实际应用中也暴露出TOFD技术的不足，即： （1）TOFD存在盲区

TOFD在工件上下表面存在盲区。 （2）TOFD检测效率低

TOFD扫查有两种方式，一种是非平行扫查，另一种是平行扫查。平行扫查效率极低，但定量精度高，一般不采用此扫查方式，仅在实验室或对某一缺陷精确定量和定位时采用。非平行扫查速度快，但不能判定缺陷在焊缝的哪一侧，给定位增加难度，有时需要进行多次扫查来确定缺陷的位置，致使检测效率降低。检测中常采用非平行扫查方式。 （3）TOFD缺陷的评定

众所周知，TOFD技术不是基于幅度法进行检测的，检出率远高于其他检测方法（例如手动超声波检测、机械超声波检测及射线检测等）这是总所周知的事实。不论是大缺陷还是小缺陷都能检出，这给缺陷评定增加难度，控制不好返修率相当高，甚至出现有的缺陷返修后看不见的现象。

因此，必须采用合理的方法与TOFD技术联合使用才能体现出TOFD技术的特点，也就是说采用幅度法与非幅法组合技术检测环向对接接头，有着十分重要的意义。具体说就是采用相控阵技术与TOFD技术组合应用检测环向对接接头。 8.2.2组合方式

组合检测技术中的幅度法是以超声相控阵检测技术为主。幅度法和非幅度法组合有两种方式，即：

（1）相控阵技术中的线形扫描与TOFD组合，就是我们常说的全自动超声相控阵检测技术（以下简称PA-AUT）。该组合方式用于检测壁厚为6～60㎜的环向对接接头，主要用于检测管道环向对接接头。

（2）相控阵技术中的扇形扫描与TOFD组合，就是厚壁焊缝全自动超声相控阵检测技术（以下简称BIG-PA-AUT）。该组合方式用于检测壁厚为6～200㎜的环向对接接头，主要用于检测

锅炉、压力容器及管道等环向对接接头。 8.2.3管道全自动超声相控阵检测（PA-AUT） 8.2.3.1 AUT的概念

所谓全自动超声波检测就是将焊缝沿厚度方向分成若干区，每个区用一对或两对聚焦探头（声束）检测，同时还采用非聚焦探头（声束）检测，因此要求检测系统是多通道；检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描及超声衍射波时差法（TOFD）三种显示方式；扫查器在管道环向采用自动扫查和自动声耦合，对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测，并自动将检测结果和声耦合显示在图像上。 8.2.3.2检测原理 （1）采用分区法检测 ①分区法的概念

分区法是指将焊缝沿厚度方向分成若干个区；每个区用一对或两对聚焦探头（声束）检测，同时还采用非聚焦探头（声束）检测；扫查器在管道环向扫查一周，即可对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测。 ②区域划分

区域划分就是将被检焊缝按检测的要求分成若干个区。焊缝的区域划分根据焊缝的坡口参数及焊接填充次数进行，不同厚度的焊缝填充次数是不一样的，因此分区也是不一样的。图8-37是典型的焊缝分区，该分区是焊接分区，与检测分区可能不一样，但有时也可能相同。

图8-37 焊缝焊接分区及缺欠简图

分区的原则是根据检测标准、规范而定，一般来讲每个区高度为1㎜～3mm，分区高度越细越好，缺欠定量越精确。

分区高度也不易过大，过大易漏检，也不易太小，太小调试困难，一般最小为1mm，最大为3mm，也可大于3mm，根据检测需要而定。图8-38是焊缝的检测分区。

图8-38 厚度为14.6mm焊缝的检测分区

③典型的分区法检测探头配置

图8-39是管道环焊缝检测实例。壁厚为12.6mm，采用自动气体保护焊焊接。

图8-39 全自动多探头超声波声束分布示意图

图8-39的示意图为全自动多探头超声波检测系统声束布置图，而全自动相控阵超声波检测系统仅用两个探头就能实现声束分布，而不是多个探头，如图8-40所示。

图8-40 全自动相控阵超声波声束分布示意图

（2）采用三种扫描方法

采用A扫描（即带状图）、B扫描和TOFD三种方法检测。其中带状图采用聚焦探头（声束）检测，B扫描和TOFD采用非聚焦探头（声束）检测。

①带状图是由A扫描横波聚焦声束形成的。主要负责检测焊缝坡口面上的面积型缺欠，如坡口未熔合等。

这里谈到带状图就得涉及到线形扫描。见图8-41、图8-42所示。

图8-41 焊缝单侧线形扫描图(AUT中带状图的原理)

图8-42 带状图对应的检测分区

②B扫描就是体积通道，也叫图形通道，由横波非聚焦声束形成的。它主要负责检测焊缝盖面、填充区及根部等区域的体积型缺陷，如气孔等，如图8-43所示。

（a）横波非聚焦声束检测根部缺欠

(b) 横波非聚焦声束检测填充区及盖面区缺欠

(c)横波非聚焦声束检测区域整体组合图

图8-43 B扫描检测区域图

③TOFD是由纵波非聚焦声束形成的。它主要负责检测盲区以外的体积型和面积型缺欠，如气孔、未熔合等，如图8-44所示。

图8-44 TOFD检测区域图

8.2.3.3 显示记录

标准的输出显示记录包括双门带状图通道（又叫A扫描通道）、图形通道或体积通道（又叫B扫描通道）、TOFD通道、耦合通道、编码器扫查的位置及标记缺欠显示，见图8-45和图8-46所示。

图8-45全自动多探头超声检测显示图

图8-46 PA-AUT焊缝的输出显示记录图

8.2.3.4 扫查方式

全自动超声波采用线形扫查对管道环向焊缝进行检测。线形扫查就是探头距焊缝边缘一

定距离沿焊缝方向做平行于焊缝的直线运动。采用两个探头在焊缝单面双侧同时进行扫查。如图8-47所示。

图8-47 AUT的线性扫查方式

8.2.3.5AUT检测设备

AUT检测设备分为两种设备，即全自动多探头超声波检测系统(见图8-48)和全自动相控阵超声波检测系统（见图8-49）。

在AUT概念中“每个区用一对或两对聚焦探头（声束）检测，同时还采用非聚焦探头（声束）检测”。这就话中的“探头”指的是多探头系统，“声束”指的是相控阵系统。 检测采用分区法，所以要求AUT系统是多通道的，否则无法满足检测要求。

图8-48全自动多探头超声波检测系统的扫查器及探头盘

图8-49 ISONIC PA-AUT系统简图

8.2.3.6探头

PA-AUT检测采用分区法，需要设备具有足够多的通道，这就要求相控阵探头具有足够多的晶片数。目前PA-AUT检测使用的相控阵探头晶片数一般为60晶片和64晶片。就能满足壁厚为6mm-50mm焊缝的检测要求。探头频率一般采用5MHz和7.5MHz。 线形相控阵探头其它性能指标与便携式超声相控阵设备中的相控阵探头一样。 8.2.3.7 试块

全自动超声波检测试块与常规手动超声波检测试块不同之处就是全自动超声波检测试块按焊缝的坡口型式、焊层厚度及可能产生的缺欠类型设计的。全自动超声波试块上人工反射体的布置就是完整的坡口型式。 （1）试块的材料

试块的材料应是被检管道的一段，也可以用规格相同声学性能相似的材料制成。试块的材料在Φ2mm平底孔灵敏度检测时，不得出现大于Φ2mm平底孔回波幅度1/4的缺欠信号。 （2）分区原则

根据焊缝坡口参数及焊接层数来分区，每个区高度一般为2mm～3mm，在坡口熔合线上设置两个对称的人工反射体来调节灵敏度和缺欠定位。该反射体为主反射体，采用聚焦探头检测。

（3）人工反射体的设置

①在坡口面上设置人工反射体直径为2～3mm的平底孔。平底孔轴线应垂直于坡口面且在坡口面长度方向等分；见图8-50（c）、(d)。

②在外表面的熔合线上设置方型槽，其深为1mm、宽为2mm、槽长为10～20mm。也可在根焊区设槽，长度为10～20mm，其深度和角度应与被检焊缝根部坡口形式一致；见图8-50（a）、(c)。

③在焊缝中心线上设置一个直径为2mm的通孔或制作一个宽1mm、长5mm的通槽，该孔或槽轴线应与焊缝截面中心线相重合且垂直于管壁；见图8-50（e）

④必要时，可在钝边处设一个平底孔，其轴线垂直于钝边并与钝边中心重合。见图8-50（b）。 ⑤除上述规定的反射体外，还可以增加体积通道反射体、TDFD验证反射体，也可增加横向缺欠等附加反射体，但不得与规定的反射体相抵触。见图8-50（f）。

图8-50 AUT试块一侧人工反射体简图

图8-51 AUT试块的实物图

8.2.3.8 检测标准

目前AUT检测主要有以下几个： 国内标准：

SY/T6755-2009 在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头检测 SY/T0327-2003 石油天然气钢质管道对接环焊缝全自动超声波检测 Q/SY XQ6-2002 西气东输管道工程管道对接环焊缝全自动超声波检测

国外标准：

API1104、ASTM E1961、DNV2000。 8.2.3.9检测设置

根据检测标准进行设置。现对检测设置作简要介绍。

要实现在管子上移动一周完成整条焊缝中各个分区的检测，应进行系统设置和动态调试。 （1）系统设置

①对被检焊缝进行分区。 ②探头位置和基准灵敏度的设置 (a)确定探头位置

◆检测前理论计算出选择探头参数、数量及距焊缝中心线距离。并将探头排在扫查器中。见图8-52所示。

◆移动扫查器，分别调整探头（声束）的位置，使每个探头（声束）对应的反射体信号均达到峰值，即为该探头的位置。

◆在试块上完好部位调节TOFD发射探头和接收探头的位置，使其声束轴线交点位于2/3壁厚，即为TOFD探头的位置。

图8-52探头参数选择

（b）基准灵敏度的设置

◆将每个探头（声束）的峰值信号调整到满屏高度的80%（误差为±5%），即为该探头（声束）的基准灵敏度。

◆将TOFD直通波的幅度调整到满屏高度的40%～90%，而噪声电平低于满屏高度的5%～10%，即为TOFD探头的基准灵敏度.

③闸门及扫查灵敏度设置

（a）熔合区的设置（即带状图的设置）。

闸门的起点在坡口前至少3mm，闸门终点至少超过焊缝中心线1mm；扫查灵敏度为基准灵敏度。

图8-53 熔合区闸门的设置

（b）填充区（含盖面区、热焊区）、根焊区的设置（即体积通道的设置）。

填充区：闸门的起点在探头侧坡口前至少3mm，闸门的长度至少覆盖探头对侧的坡口面（或盖面区）。填充区扫查灵敏度应在熔合区基准灵敏度的基础上再提高约8dB～14dB，但灵敏度的提高要适当，不得影响准确评定。

根焊区：闸门的起点在坡口前至少3mm，闸门的长度至少覆盖根焊区，但闸门的范围

不要过长，否则伪缺欠波进入闸门范围内，给评定带来困难。扫查灵敏度一般在Φ1.5mm～Φ2mm平底孔反射波80%满屏高度基础上再提高约4dB～14dB，但灵敏度提高要适当，不得影响准确评定。

（a）填充区体积通道设置

（b）根焊区体积通道设置 图8-54体积通道设置

（c）TOFD通道的设置。

在试块上完好部位设置TOFD闸门。闸门的起点设在直通波前面，闸门的终点应滞后底面反射波。闸门的长度至少等于被检工件的壁厚。若检测需要，闸门的长度可将底面变型横波包括在内。

闸门的起点提前直通波多少μs，闸门的终点应滞后底面反射波多少μs，要根据具体情况而定。有时大于或等于1μs，有时小于1μs，根据实践一般为0.5μs。但要注意必须保证不漏检，也就是说闸门的长度至少等于被检工件的壁厚。有时为了分析缺欠，闸门的长度也可将底面变型横波包括在内。 ④闸门电平的设置

闸门电平不低于满屏高度的20%，超过此幅度的信号应按验收标准评定。 ⑤记录的设置

记录的设置实际上就是生成视图。每个通道的输出信号均有显示，对于试块上每个反射体，应在焊缝中心线两侧对称显示，也可用图像（B扫描、TOFD）显示。 ⑥耦合监视通道的设置

在试块完好部位调试耦合监视通道。最好在被检工件上调试。 ⑦扫查速度的设置

全自动超声波扫查速度是可以调节的，最大速度为100㎜/s，根据具体检测情况来调节扫查速度。一般扫查速度设置为80 ㎜/s，也有设置为100 ㎜/s. 圆周扫查速度应按下式计算： Vc≤Wc·PRF/3

式中：Vc ——圆周扫查速度，（mm/s）；

Wc ——探头在检测有效距离处的最窄声束宽度（用半波高度法测量）,(mm)； PRF ——探头的有效脉冲重复频率,(Hz)。 （2）动态调试

系统经过调试设置，确定系统参数后，应使用与现场检测相同的扫查速度对参考试块进行总体扫查，即动态调试。 动态调试应符合下列规定： ①灵敏度的调试：

(a)每个主反射体的峰值信号达到满幅度的80%。 (b) TOFD 的直通波幅度应为满幅度的40%～90%。 ②显示记录的调试

扫查过程中参考试块上主反射体的波幅达到满屏高度80%时，其两侧邻近反射体的显示波幅的变化范围为6dB～24dB，当未达到此值时应重新确定探头位置或替换探头重新调试。

图8-55 合格的校准图

③耦合监视通道的调试

在参考试块上进行总体扫查，耦合监视通道应保证在耦合状态良好时，扫查记录上无耦合不良显示，否则应重新调试。 ④编码器位置的调试

记录反射体间的编码位置相对于实际圆周位置的误差为±2mm，记录反射体的编码位置相对于扫查起点的实际圆周位置的误差为±10mm. 8.2.3.10 现场检测校验 （1）灵敏度校验

①检测前应采用参考试块进行校验，每个主反射体的波幅应为满屏高度的80%（误差为±5%），TOFD直通波的幅度应为满屏高度的40%～90%。

②在检测过程中每隔2小时或扫查完10道焊缝之后（以时间短者为准）以及检测工作结束后，采用参考试块进行校验。每个主反射体的波幅应在满屏高度的70%～99%之间；若主反射体的信号低于满屏高度的70%，应对其检查的焊缝重新检测；若主反射体的信号高于满屏高度的99%，应对其检测结果重新评定。TOFD直通波的波高应在满屏高度的40%～90%之间，否则重新检测。 （2）耦合监视通道校验

在检测过程中，记录系统的耦合监视通道显示不良区域超过缺欠最小允许长度时，应对耦合不良区域进行处理，重新检测。

（3）温差的校验

系统设置前应测量被检工件声速。当试块的温度与被检管件的温度差变化超过±10℃时，整个系统应重新调试。 （4）编码器的校验

编码器应每月校验一次，编码器显示的编码位置应与管子焊缝上的位置相对应，其误差为±10mm，否则应重新校准编码器。 8.2.3.11 PA-AUT工艺设置示例 (1)被检工件概况

①工程名称：XQ长输管道。 ②规格：1016×14.6㎜。 ③材质：X70。

④坡口型式及参数，见图8-56所示。 ⑤检测部位：环向对接接头。 ⑥检测阶段：焊后。 ⑦焊接方法：自动焊。 ⑧表面状态：打磨。

图8-56 CRC型坡口参数及分区

（2）检测器材

①检测设备： PA-AUT检测设备。

②探头型号：两个频率为7.5MHz 、60晶片线形相控阵探头。5㎜、70°TOFD声束一组。

③试块型号：CRC型试块。 ④耦合剂：水。 （3）检测技术要求

①检测标准：SY/T0327-2003。 ②检测比例：100%。 （4）检测工艺参数 ①检测方法

采用相控阵技术的脉冲反射技术+TOFD技术，即A-扫描（带状图）、B-扫描（体积通道）及TOFD技术。也就是分区法+TOFD法。相控阵技术中的脉冲反射法采用线性扫描。 ②波的类型：横波、纵波。 ③接触方式：直接接触。

图8-57线形扫查方式

④扫查方式

采用线形扫查方式。线形扫查就是探头距焊缝边缘一定距离沿焊缝方向做平行于焊缝的直线运动，见图8-57所示。

探头距焊缝边缘的距离根据具体的检测对象而定。本检测工艺探头前端距焊缝边缘距离为17㎜。 ⑤检测面

两个PA探头同时在单面双侧进行扫查。 ⑥扫描线的调节：按声程1：1。 ⑦设置参数

（a） 带状图设置：

根焊区采用53°横波检测，自收自发模式。 钝边区采用70°横波检测，自收自发模式。 热焊区采用45°横波检测，自收自发模式。

填充1、2区采用40°横波发射，68°横波接收检测，一发一收模式。 填充3区采用50°横波检测，自收自发模式。

闸门的起点在坡口前5mm，闸门终点至少超过焊缝中心线2mm 。 扫查灵敏度为将Φ2㎜平底孔最大反射波高调整到满屏高度的80%。

（b）体积通道设置：

体积1、2通道采用45°横波检测，自收自发模式。 根部体积通道采用55°横波检测，自收自发模式。 闸门长度设置为25mm。

扫查灵敏度为在Φ1.5㎜平底孔基准灵敏度(80%满屏高度)的基础上再提高约8dB。 （c）TOFD通道设置：

采用70°纵波检测，一发一收模式。

闸门范围起点设在直通波前0.5μs ，闸门的终点应滞后底面反射波0.5μs 。 ⑧闸门电平的设置

闸门电平不低于满屏高度的20%，超过此幅度的信号应按验收标准评定。 ⑨耦合监视通道的设置

在被检工件上或AUT试块上调试耦合监视通道。将最大波调整到满屏高度的80%，在此基础上提高6dB，即为耦合监视通道的灵敏度。 ⑩扫查速度的设置为80 mm/s 。 8.2.3.12 检测数据分析 （1）根部未熔合 ①检测方法

采用AUT、TOFD、MUT和RT四种方法检测，最后通过解剖验证。见图8-58 a-e所示. ②检测结果

由解剖图可见，该根部未熔合缺陷实测自身高度为1.5㎜，宽度0.3㎜。TOFD检测未发现此缺陷。AUT检测在A扫描和B扫描中有未熔合缺陷显示，测量其长度为30㎜，深度18.3㎜，自身高度2.84㎜。MUT检测结果为缺陷长度28㎜，深度19.8㎜，幅度高于定量线16dB。射线检测测得其显示长度为35㎜。

图8-58 根部未熔合检测结果

③检测结果分析

(a) AUT（A扫描和B扫描）、MUT和RT三种检测方法均能检测出根部未熔合缺陷。 (b) TOFD技术的独特优势是测量缺陷自身高度。而根部未熔合缺陷未能在TOFD通道显示。这是因为TOFD技术在工件的上下表面存在盲区，因此需要超声脉冲反射法进行弥补。 (c) 从AUT中A扫描和B扫描图像看，在RD、H1D、MAPD、VOL1D和MAPU通道均显示该陷，可估判该缺陷为根部未熔合。

(d) 在TOFD技术中该缺陷没有被显示，按TOFD标准评定为合格。但在MUT中该缺陷处于Ⅲ区，按JB/T4730.3-2005评定为Ⅲ级；在AUT中幅度为79.2%，按SY/T0327-2003评定为不合格。由此可见，对该缺陷的评定幅度法比非幅度法合理。

(e) 从AUT检测看，一次扫查即可解决TOFD盲区和缺陷在焊缝哪一侧的问题，又能解决缺陷的评定和扫查速度快的问题。大大地提高了检测效率。 （2）表面开口裂纹 ①检测方法

采用AUT、TOFD、MUT和RT四种方法检测，最后通过解剖验证。见图8-59 a-d所示。坡口参数与图8-58 a相同。 ②检测结果

从解剖图可见，该表面开口裂纹缺陷实测自身高度为5.0㎜，宽度为0.1㎜。AUT检测在TOFD

通道和表面B扫描通道中有裂纹缺陷显示，测量其长度为33㎜，深度5.28㎜，自身高度4.6㎜。MUT方法测得其长度为30㎜，深度为0㎜，幅度高于定量线4.3dB。射线检测测得其显示长度为34㎜。 ③检测结果分析

(a) TOFD、 AUT、MUT和RT四种检测方法均能检测出表面开口裂纹缺陷。

图8-59 表面开口裂纹检测结果

(b)从解剖结果看，TOFD的直通波应该断开，但事实上并没有断开，仅在靠近直通波附近，有一条上下端点衍射信号没有分开的显示，说明TOFD技术可能存在“透声”问题。按TOFD显示评定该缺陷，不能判定为表面缺陷，只能定为内部缺陷，也不能分辨该缺陷在焊缝中的哪一侧。

(c)该缺陷不仅在AUT中的TOFD通道有显示，而且在表面B扫描通道也有显示（即在焊缝上下游端的VOL3U和VOL3D通道上有显示），说明该缺陷来源于焊缝中心线附近。在VOL3U和VOL3D通道上焊缝表面图像显示有明显的断开，说明该缺陷自身高度很大并且接近表面，再结合TOFD显示的深度，可估判该缺陷为表面开口裂纹。在AUT中测得该缺陷的幅度为76%。

(e)在MUT检测中该缺陷处于Ⅱ区，波幅很低。若探头角度选择不当和表面耦合不良，会使

该缺陷漏检。

(f)对该缺陷按NEN1822评定为合格的，按JB/T4730.10（报批稿，以下同）评定为Ⅱ级。按JB/T4730.3-2005评定为Ⅲ级，但从深度看该缺陷属于表面的，作外观检测便可发现是表面裂纹。SY/T0327-2003标准评定为不合格。

(g)综上所述，对该缺陷检测最佳方法是AUT检测。若按非幅度法对该缺陷的评定是允许的，但就其性质而言是绝对不允许的。由此可见，对该缺陷的评定幅度法更合理，非幅度法可能会产生误评的现象。

8.3 厚壁焊缝全自动超声相控阵检测（BIG-PA-AUT） 8.3.1 BIG-PA-AUT的概念

BIG-PA-AUT检测就是将焊缝沿厚度方向分成若干区，每个区用一对扇形扫查声束检测，且每个区均可制作DAC曲线，同时还采用TOFD检测，因此要求检测系统是多通道；检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描及TOFD三种显示方式；扫查器在焊缝环向扫查一周，即可对整个焊缝厚度方向的分区进行全面检测，并自动将检测结果和声耦合显示在图像上。 8.3.2为什么BIG-PA-AUT检测技术采用扇形扫查分区

大家都知道在特种设备行业检测焊缝采用的灵敏度是以距离-波幅曲线为基准的。距离-波幅曲线采用参考试块上的人工反射体制作。但是制作距离-波幅曲线有个原则规定，就是在检测的有效范围内要求制作距离-波幅曲线的每个深度的人工反射体幅度必须大于等于满幅度的20%，低于满幅度20%，必须分段制作曲线（即双曲线）。

对于模拟式超声波检测仪制作双曲线是很容易实现的（在荧光屏面板上画），但对于数字式智能超声波检测仪（或常规自动超声成像检测仪）实现不了的，因为数字式智能超声波检测仪（或常规自动超声成像检测仪）制作距离-波幅曲线的灵敏度是固定的、不能改变的，为了有效的解决此问题，采用扇形扫查分区是最佳方法，所以BIG-PA-AUT检测采用扇形扫查分区技术。

8.3.3BIG-PA-AUT检测技术的优点

(1)调试简单，易操作，采用不同角度声束检测缺陷。

(2)即能采用机械自动扫查，也能采用手动扫查。与管道PA-AUT采用的线形扫查方式相同。

(3)在焊缝上下游端采用扇形扫查进行分区设置，如图8-60所示。按照一次波检测中下部、二次波检测中上部的原则进行分区，每个区均能制作DAC曲线。

(4)采用幅度法与TOFD技术组合检测，并在同一个界面上显示。能综合分析评定缺陷。

(5)适用于壁厚为6㎜～200㎜的环向焊缝，但主要适用于检测壁厚为46㎜～200㎜的环向焊缝。在此范围内采用二次波检测就要求超声检测设备不仅具有很大的穿透能力，而且还要有高的采集速度。

图8-60 扇扫分区

(6)检测速度快，效率高，能实时分析检测结果。

例如JB/T4730.3-2005中的B级检测厚度为46㎜～200㎜的焊缝，其要求如下：

①母材厚度大于46㎜至120㎜时，一般用一种K值探头采用直射法（即一次波）在焊接接头的双面双侧进行检测，如受几何条件限制，也可在焊接接头的单面双侧采用两种K值探头进行。

②母材厚度大于120㎜至200㎜时，一般用两种K值探头采用直射法在焊接接头双面双侧进行检测。两种探头的折射角相差应不小于10°。

③按此规定需要进行多次扫查，检测速度相当慢，效率非常低。采用BIG-AUT检测系统一次扫查即可对整个对接接头进行全面检测，速度快，效率高。 8.3.4检测设备

厚壁焊缝全自动超声相控阵检测设备与管道焊缝全自动超声相控阵检测设备一样，就是ISONIC-PA-AUT设备，但是软件不同。

该系统不仅能进行扇扫分区检测，还能进行线性扫描和横向缺陷检测的功能等。 8.3.5探头

BIG-PA-AUT探头有两种，一种是TOFD探头，另一种是相控阵探头。 TOFD探头就是常规TOFD探头，而不是由相控阵形成。

相控阵探头与便携式超声相控阵设备中的探头一样. 8.3.6显示记录

输出显示记录包括A扫描、扇形扫描、TOFD、耦合监视通道及编码器记录的位置。如图8-61所示。

图8-61 BIG-PA-AUT显示记录

8.3.7检测标准

BIG-PA-AUT检测设备即有便携式超声相控阵设备功能，又有TOFD技术功能，所以其适用范围很广。例如JB/T4730.3-2005和JB/T4730.10标准，ASME标准。如果设计允许其它常规手动超声波检测标准与TOFD标准结合应用也适用于该设备。 8.3.8检测设置

BIG-PA-AUT检测既含有TOFD技术，又有相控阵技术，所以设置也是从这两个方面考虑的。 （1）TOFD设置

根据被检工件按照TOFD标准进行设置。 （2）相控阵设置

与便携式超声相控阵检测设置基本一致，所不同的是它们显示方式不同。采用理论软件进行设置。该设备主要应用在厚壁工件上检测，因此要注意以下几点：

①按一次波和二次波分开设置。处在不同的通道上。并能在同一个界面上显示。 ②分区设置时，要注意相邻分区间的重合覆盖。 ③扇形角度范围不要过大。 8.3.9应用示例及结果分析

现以检测132㎜厚的模拟缺陷试件为例分析介绍BIG-PA-AUT检测技术的应用。模拟缺陷试

件规格为1000㎜×650㎜×132㎜。分别采用BIG-PA-AUT、MUT及RT对该试件进行对比检测，以验证BIG-PA-AUT检测的先进性及可靠性。 (1)检测工艺参数设置 ①检测设备

采用以色列Sontron NDT公司生产的BIG-PA-AUT检测系统。 ②探头

◆采用2个线性相控阵探头，参数为5MHz、32个晶片，一次激发32晶片。 ◆3对TOFD探头，频率为5MHz和2.5MHz，直径为6㎜，折射角度为70°、60°和45°。 ③试块

采用CSK-ⅣA(Φ6.4)的试块，用其制作DAC曲线。采用R100半圆试块做扇形角度增益补偿。

④检测设置

（a）探头前端据焊缝中线的距离为170mm。

（b）在焊缝上下端各分两个区，即一次波检测区域为1区(即GROUP1），二次波检测区域为2区（即GROUP2）。

一次波检测中下部，扇形角范围56°～71°，二次波检测中上部，扇形角度范围38°～56°。

(c)采用CSK-ⅣA(Φ6.4)试块制作DAC曲线。 (d)灵敏度

灵敏度按JB/T4730.3-2005 B级。评定线灵敏度为DAC-16dB，定量线灵敏度DAC-10dB，判废线灵敏度DAC。

耦合补偿3dB。 ⑤扫查

扫查结果见图8-62所示。

图8-62检测结果图

（2）检测结果分析

现以模拟试件中下表面裂纹缺陷分析为例，检测结果见图8-63 a～d。 ①BIG-PA-AUT检测结果

在BIG-PA-AUT中的West-Group1通道、East-Group1通道和TOFD-132㎜-3通道中均有下表面裂纹缺陷的显示。

◆在West-Group1通道：测其长度为34㎜，深度为124.8㎜，幅度为DAC+13.7dB，处于Ⅲ区。

◆在TOFD-132㎜-3通道：测量其长度为24㎜，深度为118.6㎜。 ②MUT检测结果 ◆从正面检测

采用K1探头检测：测量其长度为25㎜、深度为128㎜、幅度为SL+2dB、位于Ⅱ区，评定为Ⅰ级。

采用K1.5探头检测：测量其长度为30㎜、深度为130㎜、幅度为SL+8dB、位于Ⅱ区，评定为Ⅰ级。

◆从反面检测

采用MUT从反面检测未发现该缺陷。因为该缺陷是表面开口缺陷，再加上焊缝余高的存在，故采用MUT检测不能扫查到该缺陷。

③RT检测结果

RT底片上显示其长度为35㎜。

规格：33㎜×0.3㎜×10㎜

（a）缺陷示意图

（b）BIG-PA-AUT检测结果

（c）MUT检测结果（正面检测）

（d）RT检测结果

图8-63 下表面裂纹缺陷检测结果

（2）检测结果分析

①BIG-PA-AUT、MUT及RT三种检测方法均检测出下表面裂纹缺陷。

②在BIG-PA-AUT中TOFD-132㎜-3通道上，该缺陷有一条亮线显示，底面反射波没有断开，故可判定该缺陷为内部缺陷，不是表面开口缺陷。

③在West-Group1通道和East-Group1通道上，该缺陷有显示，且显示都来至于焊缝下表面。在合成通道Overlap上显示为V形，故可判定为下表面开口型缺陷，见图8-64所示。在West-Group1通道测量该缺陷自身高度为14.3㎜，且距焊缝中心线为5.9㎜，说明该缺陷位于East探头侧。

图8-64 在Overlap通道上显示V形

④MUT检测采用双面四侧扫查，两种K值探头，共计检测8遍，劳动强度很大，检测效率很低。而BIG-PA-AUT采用扇形扫描进行检测，检测一遍即可完成整个焊缝的扫查。

⑤MUT采用K1.5探头检测该缺陷时幅度最大，处于Ⅱ区。而MG-AUT检测在62°声束时幅度最大，处于Ⅲ区。

⑥对TOFD-132㎜-3通道测量结果，按JB/T4730.10-2010评定为Ⅱ级。对West-Group1通道测量的结果，按JB/T4730.3-2005评定为Ⅲ级。对MUT测量结果，按JB/T4730.3-2005评定为Ⅰ级，但从深度看该缺陷属于表面的，作外观检查或表面检测便可发现是下表面裂纹。

⑦综上所述，仅按TOFD-132㎜-3通道对该缺陷的评定会造成误判，只有将West-Group1通道、East-Group1通道与TOFD-132㎜-3通道结合起来评定，才能判定该缺陷为下表面开口裂纹，不会造成误判和误评。由此可见，BIG-PA-AUT检测技术的优越性。

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