管道环缝相控阵超声探伤技术的应用—国外超声检测动态

超声相控阵检测技术

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第 4第 9卷期1002年 9月

无损检测N DT

Vn . 1 No. 12 9Sep 20 ( 2 1

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述}

管道环缝相控阵超声探伤技术的应用国外超声检测动态李衍 242) 1 0 8’.

一…

(锡华光锅炉公司，锡无无

一

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一

摘

要：介绍 2世纪末国外相控阵超声挥伤高被术在管道环焊缝检测上的成功应用。通过多 O

压电元件相控阵探头纵向电子扫挂和对管子的周向机械扫查，对管道环焊缝作快速检验。为保可

证相控阵探头在主要特性上等效于普通斜探头，聚苯乙烯作楔块材料，高分子聚合物作换能器用用材料，用曲面声透镜改善探头在管子轴向和周向的声束特性。并 关键词：声检验；控阵探头；超相管道；缝焊中图分类号： G1 5 2 T 1. 8文献标识码： A文章编号：0 06 5 (0 2 0— 3 60 10 6 6 2 0 )90 8—5

APPLI CATI N O OF PHAS ED ARRAY TECHNoLoGY、 I PECTI 1O NS oN oF

THE RTH ELDS I PI GI W N PELI￣:TREND NF OF UL1 RAS NI TESTI 1 O C NG ABROAD

Ll Ya l l

( u i a u n olrC .Lt. W x Hu g a gB i o e d,W u i 10 8 Chn ) x 4 2, ia 2Ab ta t sr c:Ov re ss ce s u p l a ino lr s ncp a e ra e h oo yt s e t g t ecr u e e il e s a u c s f l p i t fu ta o i h s d a ry tc n lg O i p ci h ic mf rnt a c o n n awe d n p p l e s d s r b d By e e t i a c n i g i x a ie t n o h i e a d m e h n c l c n i g i i l s i i ei s wa e c i e . n lc rc ls a n n a i ld r c i ft e p p n c a i a a n n n cr n o sc mf r n i ld r c i n,a g r h we d c

u d b n p c e a i l . I wa h wn t a s n o y t r n s we g t— u e e ta ie to it l o l e i s e t d r p d y t s s o h t u i g p l s y e e a d e ma e i l i h p y r a r ns u e t r l d c r e d e a n a o s i e swa h e n f pl t fe— ra,h g l m e s ta d c r ma e a n u v d we g sa c u tcl n s t ek y p i to p ia i n e f c o i a o a c o t e e s f r p a e r a y t m. i n s o h s d a r y s s e v

Ke w￣' s U 1r s n c t s i;Ph s d a r y p o e y d: ta o i e t ng a e r a r b;P p l e i ei;W ed n l

2 0世纪 7 0年代前，外对煤气管道环焊缝的国无损检测一般都采用射线照相，伤效率低，有现探还场射线防护问题。 2纪 8 0世 0年代开始采用超声自 动探伤。最初的自动探伤，须使斜探头沿管子轴必向和周向作机械扫查，构复杂且速度有限。结 2纪 9 0世 0年代开始采用相控阵探头，通过可

束路径，以此完成对焊缝整个断面的扫查，靠探头并在管子周向的机械扫查，成焊缝全长乃至全体积 完的扫查 ( 1。图 )

( )顺次触发+定时触发 2

相控阵探头的声场

电子扫描实现高速探伤。特别是采用多压电元件沿管子轴向顺序排列的相控阵探头，需在管子周向只作机械扫查，伤速度倍增一 探 - r -。

1原理和攻关点1 1原理 .图 I相控阵超声探伤示意图

()电子扫描+机械扫查 1

相控阵超声探伤是

I .斜楔5 .电子扫描

2 .超声波束6 .单元间距 1 .焊缝 O

3 .入射角7 .换能器

4 .折射角8 .单元宽度

靠多压电元件相控阵探头的轴向电子扫描来改变声收稿日期： 0 1 1— 3 2 0—20

9 .机械扫查3 86

I .激励 I道单元 I通 1 .激励 3通道单元 3

1 .激励 2通道单元 2

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是靠触发一系列顺序排列的压电元件合成的，即用电子方法依次激励压电元件，超声波束对焊缝全使

表 1斜楔材料的声学特性测试结果 l

断面作扫查。而且，过控制各压电元件的激励时通间，可使超声波产生偏转，而对声束各向异性的钢因材，容易得到任意折射角 ( 2。很图 )波前注： )频率为 5 1 MHz水温为 2℃。, O

一口压口占电口占口元口口件——

> 10 . 2的材料时，头折射角应为 6。 6。探 O或 5。 用斜楔角度不同的聚苯乙烯做探头，使发射可声束具有不同的入射角，于角度给定的斜楔，电对用子方法使各通道间有+ 1 n 0 s的延迟，可使发射声也束有不同的入射角。用以上两种方法改变超声入射角，而改变超声折射角，得测试结果见表 2由从所。此可知，阵列探头的各组合压电元件之间设置一在定的时间延迟进行触发，使入射声波改变角度。可 因此控制各压电元件之间的延迟时间，可在不改就

8()直激励 a垂

\

图 2相控阵探头形成的声场显不

1 2攻关点 .一

是楔内声程较长。相控阵探头是由多压电元

件组成，要靠发射的一二次波覆盖整个焊缝断面，其斜楔声程较长；提高探伤灵敏度和信噪比，为就要设法减少超声波衰减，尽量减少无用杂波。二是楔 并内声程多变。相控阵探头在电子扫描过程中，内楔

变探头斜楔角度的情况下，制声束折射角。另外控从表 2实测结果得知，斜楔角度为 3。,定声当 9时设

声程各不相同，声场变化较大，应设法获得与普通探头相似的声场。

束偏向延迟时间为一 1~+ 1n/ h(h为通道 ) O 0 sc c,可得声束折射角为 5.。 6.。 9 3~ 6 2。此范围可满足 JSZ标准，此将相控阵探头的斜楔角度定为 3。 l为 9。

2斜楔和压电元件的选择21斜楔材料的选择 .

表 2三种斜楔角探头和不同延迟时间所得声束折射角的测试值

考虑到相控阵探头斜楔中的声程距离要比普通探头长

,超声衰减也较大。为使探头灵敏度不致 故

急爹3 83 8

乏56 7 .6 3 O.

损失太大，就要选择斜楔声衰减较小，楔/界面斜钢损失较小的材料。另外考虑到温度引起的声速变化会影响声束折射角，选择声速随温度变化较小的要材料[。为此，采用新技术前，三种用作斜楔的 2]在对材料，丙烯酸树脂、酰亚胺和聚苯乙烯，其超 即聚就声衰减系数和声速的温度系数作了实验研究。 用与斜楔相同材料的 1mm厚平板，浸法由 0水两次底波之比即 B/求出衰减系数。此时，声 l超

一 l OO

3 94 0

+l O一 l O

6 . 626l 8 _

3 8 3 93 9

+ 1 0一 l OO

63 3 . 5 3 9.62 5 .

4 0 4 0

0 + 1 0

6. 46 67 3 .

关于相控阵探头的斜楔形状，曾制作了宽度、角度、形槽、尼块形状等各不相同的多种斜楔， V阻对其信噪比 S N及前沿距离 L/ 0作了测试比较，定确了图 3示的最佳形状，时前沿距离 L一 1 mm。所此 o 52 3压电材料的选择 .

波的扩散衰减和界面反射损失由计算值作修正，并通过底波频谱解析，出 5求 MHz的数值。另外，时 还将斜楔材料浸入恒温水槽中，过改变水温，脉通用冲重叠法测定声速，后将水温与声速的关系作一然

相控阵探头的压电材料可考虑用陶瓷晶片和高分子薄膜。通常，陶瓷晶片灵敏度高于高分子薄膜，

次近似处理时的梯度作为声速的温度系数。用上述方法测试结果见表 1。可见聚苯乙烯的衰减系数和声速温度系数均比其它材料小。因此， 相控阵探头的斜楔材料宜采用聚苯乙烯。2 2斜楔角度和形状的选择 .

但探伤时易产生不需要的横波，为抑制这种波型，就要对晶片尺寸比进行限制，此有不能自由选择配因置间距的问题。而高分子薄膜产生的横波较少，在块高分子压电薄膜上附上分离式电极，容易做很成阵列式探头，置间距可自由选择【。配 3]一

JSZ3 6一 1 9规定，测有声学各向异性 I OO 4 9探

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1 rm)切割下来做成的。 9 a上 对陶瓷晶片和高分子薄膜两种探头作灵敏度和信噪比测试比较时，察了 A型和 B型两种显示图观形。从 B型显示图可见，陶瓷晶片时，楔底面用斜

阻一\ \

阻 v形尼槽块射点界面回波斜楔角度mm

回波会出现在闸门内成为噪声，而用高分子薄膜时，

就没有陶瓷晶片的那种噪声，整个电子扫描过程在中，得到良好的信噪比。表 3列出了压电材料种可类、寸、敏度及信噪比的试验结果。由此表可尺灵

见，分子薄膜所得信噪比 ( 2 d要比陶瓷晶片高+ 5 B)高出 7 1d~ 5 B。而相对灵敏度，分子薄膜虽不如高

探头前粘距离

陶瓷晶片，只要在基板上采用阻抗匹配电路，可但也达到与陶瓷晶片大致相同的水平。表 3相控阵探头探伤时的相对灵敏度与信噪比试验结果换能器材料

图 3相控阵探头斜楔的最佳形状

上述两种压电材料都用 5 Hz频率测试。为 M提高高分子薄膜的灵敏度，采用耦合系数高的共特

聚物 ( VD - E l)并使用直列共振式阻抗匹配 P FTF C,{]电路。

换能器单元换能器宽度相对灵敏度信噪比间距/ mm分子高

陶瓷和高分子材料探头使超声波垂直入射于玻璃试块，后用光弹显像法观察所生成的超声波束，然 可见高分子压电材料所产生的纵波，超声脉冲空其间宽度较小，横波也少。对相控阵探头来说，且为避免楔内各种杂波的干扰，用高分子薄膜既能使楔采内纵波的超声脉冲空间宽度减小，能减少楔内无又用横波的产生，对提高信噪比十分有利。这按图 4 a所示方法对上述两种压电材料的性能进行测试 ( 4图 b为俯视图)将相控阵探头固定在对，比试块上，电子方法对阵列进行顺序扫描，超声用使

ir Tr ll

d B

d B

聚口

物j

注： )用基板阻抗匹配电路。 I

根据以上试验结果，相控阵探头的换能器确对定选用配置

间距 1 2 mm、 2 mm,板有阻抗匹 .5宽 2基一一 配电路的高分子压电薄膜。8 8 O

波束探出试块底面 4 mm X4 mm的柱孔，比较两种探头的灵敏度和信噪比。对比试块是从有声速各向异性 ( _ 9 1 i )钢管 ( I5 X- 57 0丁一 10~ _ 0的 AP L 6 5 A,激励压电元件描

3相控阵探头声场的最佳化+++

3 I探头受激单元数 .

相控阵探头中的受激单元数，系到管轴方向关的压电元件尺寸 (置压电元件中心距×受激单元配数 )对形成的声场影响很大。,

外壁

f—一一

管轴方向的声场如图 4所示，过电子扫描全 a通

』 1内壁柱孔 ( 4x ) 4

/比块试m m

过程，测上述试样中内外壁 4探 mmX 4 mm人工缺

陷，由其回波高度的测定求得。假定焊缝宽度为 2 mm, 5缺陷中心至探头前端距离 L一 1 . mm, 25则在探头离焊缝最近的情况下，探测到处于焊缝中要心线的缺陷，内壁缺陷要用一次波，对外壁缺陷对而

()纵向 ar一—_激励压电元件

一

一

柱

疸机械扫查对比试块

mm

要用二次波。

相控阵探头的斜楔和压电元件使用第 2节所述最佳参数。为对板厚 1mm的焊缝作一跨距范围 9内的电子扫描，探头中配置了 6在 4个单元。 普通探头的频率为 5 Hz晶片尺寸 1 mm X M, 0

( )周向 b图 4相控阵探头探测人工缺陷示意图

3 88

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1mm,标准试块上测出的折射角为 6 .。在试 0在 2 5(样管上测出的折射角为 7。。普通探头的缺陷波 0)高度，据 A2试块 4根 mm×4 mm柱孔作出的 DAC曲线进行修正。∞q

\

惶一 鲻一回一

管子轴向 (头纵向)场可依靠受激单元数进 探声行控制。受激单元数为 8 1,6时管轴方向上的声，2 1

蜷一

束扫查波形见图 5。由图 5可知，内壁缺陷用 1个 6单元探，壁缺陷用 1外 2个单

元探，得结果与普通 所探头接近。∞q

离缺陷中心线的扫查距离/ mm

( )管子内壁如m nX4 a a a m n柱孔

\

惶一 鲻一回一

一

离缺陷中心线的扫查距离/ mm

( )管子外壁如m n m n柱孔 b a X4 a ()管子内壁如mmX4 a a m n柱孔图 6管子周向探测时回波高度与探测距离的关系 ( L一1 . rm) 25 a

( )管子外壁 6 mm￣4 a b 1 m n柱孔图 5管子轴向探测时缺陷波高度与受激

图 7探头斜楔底面做成圆弧状 (透镜 )声

以减小声束宽度。用声透镜时，图 5所示测定管按子轴向和周向的声束扫查图形，得图 8所示结果。可

单元数的关系 ( 1 . rm) L一 2 5 a

但从实用观点来看，不同的斜楔声程距离改按变受激单元数时，伤速度会受到影响。为此决定，探 不论斜楔声程距离如何，激单元数始终如一，采受即用 1元。但触发单元为 1 2单 2时，与普通探头相比，

由图 8,可见，声透镜改进后， bC经与普通探头相比， 对内壁缺陷管周方向的声束宽度要小些，对外壁而

对内壁缺陷就有管子轴向 ( 1 d )束宽度较大一 2B声的问题 ( 5 )图 a。

缺陷管周方向的声束宽度大致相同。另外，不用声透镜时，内壁缺陷管轴方向的声束宽度要大些 ( 对图 5 )但用声透镜时 ( 8 )可得到与普通探头相同 a,图 a,的声场。斜楔探伤接触面设置曲率后，除声场变化外，尚未见有其它影响。由以上试验结果可知，透镜在管子周向的聚声束，仅对管子周向声场，且对管子轴向声场均有不而影响，可得到与普通探头相似的扫查波形。因此，即 声透镜法可谓对管子周向和轴向声场进行控制的有效方法。

管子周向 (头横向 )场：探声当触发单元为 1 2时， 按图 5所示要领，测试管子周向的缺陷扫查波形再 ( 6。由图 6可见，测内壁缺陷时，陷波包络图图 )探缺形与普通探头相仿；探测外壁缺陷时，陷波包络而缺

图形即探头声束宽度要大些，对缺陷定性、定量不利。32探头声透镜 .

由于相控阵探头在管子周

向的声束宽度比普通探头的大，必须用声透镜的原理克服这一缺点。就

4在管道环焊缝自动检测中的应用[ 5]4 1适用装置 .

所谓声透镜，是使探头斜楔的探伤接触面呈就凹面状 ( 7,而使管子周向的超声波产生聚焦，图 )从

将相控阵超声探伤技术用于煤气管道环焊缝

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入射点与缺陷间距离/ mm一

离缺陷中心线的扫查距离/ m a r一。

离缺陷中心线的扫查距离/ m a r一 D --

望 厚\一 f日 l

一

相控阵探头 (内壁缺陷 )一相控阵探头 l壁缺陷 )外 普通探头 (内壁缺陷 )—普通探头 (壁缺陷 )一外

相控阵探头普通探头

相控阵探头普通探头

( )管子内、 a外壁￣ mm￣4 4 mm柱孔的纵向扫查波形

( )管子内壁￣mmX4 b 4 mm柱孔的周向扫查波形

( )管子外壁￣ mm￣4 c 4 mm柱孔的周向扫查波形

图 8带声透镜的相控阵探头与普通探头探测人工缺陷时的扫查波形图比较

( API I一 57 0 9 6 5 A T1 mm)自动检测。所用相 5X的控阵探头机械扫查装置的结构要点如下： ( )探头对置为缩短探伤时间，被检焊缝 1在两侧各置一个探伤探头，时进行探伤。同 ( )耦合监测另设一对耦合校正探头，置 2也于焊缝两侧，穿透法对耦合剂的供给和晶片接触用状态进行监测。

圉 望 _厚\ f\罔一 l探头斜楔材质用超声衰减和声速温度变化较小

的聚苯乙烯。高分子压电材料能确保信噪比优于陶瓷晶片，测￣mm× 4探 4 mm人工缺陷时，噪比可信达 2 d以上。 5B

用电子方法使超声波在斜楔内产生偏向，控可

制探伤用的声束折射角；声学特性有各向异性的对钢材，注意折射角。应

( )数据取样 3

为正确测定 5 Hz声回波峰 M超

控制换能器的激励单元数，可控制管轴方向就的声

场。适于整个电子扫描过程用的激励单元数为 1(轴方向的尺寸为 1 5 2管 _2 mm× 1单元 )一 2(1 mm ) 5。

值， D变换取样为 l O帧/,高分辨力为 A/ OM s波6 d/ 5—0 2 d可收集所有 A扫描波形。 4 B 2 6 . 5 B, 4 2与常规探伤法的比较 .

用相控阵探头机械扫查器在试样管上探测人工缺陷 (壁￣mmX4外 4 mm柱T )所得结果与普通单斜 L,探头手工探伤法的比较见图 9。可见，控阵探伤法相与普通探伤法一样可对缺陷作同等程度的评价。

用声透镜可控制管周方向的声场。声透镜对管周方向的声束聚焦作用，管轴方向也有影响，通对故过声透镜，周和管轴方向均可得到与普通探头一管样的声束扫查图形。参考文献：E i室田昭治，惑洋一， l藤藤井智，露子走查形超音波探等.俦基磋实骏挡土钢管探惕/ 逋用[]非破壤梭 、、 J.查， 9 6 3 ( A) 6 6 6 7 18,5 9:7- 7.

坠l .]内 r 1壁剖l r外 U( )相控阵探头 a

l—]壁 rr外 铡l _内 L_壁 j( )普通探头 b

[]福原熙明，田文乾， 2清松村民久，斜角探触子屈折等.角温度依存性[]非破壤梭查， 9 8 2 ( ) 8— J. 17,7 2:691 .

[]铃木修次，多博树 .距蘼分解能7/探触子[] 3本高， f J.非破壤梭查， 9 4 3 ( A) 1 8 5 . 18,3 2:5—1 9

图 9两种探头探测钢管外壁 mm mm柱孔结果比较 X4

[]伊逵和博，柬羲晃，田平八.鼋性圣用 0固体 4伊岛光、

5结论为使相控阵探伤技术在管道环焊缝自动检测上

内弹性波锟察[]非破壤梭查， 9 4 3 ( ) 5 3 J. 1 8, 3 7: 1—51 9.

进行有效应用，控阵探头的构成要素和控制方法相及检测装置是关键。

[]蔌原 5

明，坂

真澄，塬幸理， 又尊管【逋用亨钣等.二

弓 I二 7 7/方式超音波探俦技衍阴凳[]非破 J,, f J.壤梭查， 9 8 4 ( ) 4—5 . 1 9,7 1: 5 4

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