相控阵检测技术在厚壁压力容器管道检测中的应用

【摘要】编制了厚壁压力容器管道相控阵检测的检测工艺，并对不同厚度的压力容器管道进行检测，将相控阵检测发现的缺陷与射线检测结果进行对比。结果显示相控阵检测的缺陷检出率不亚于射线检测。本文提出利用TOFD检测、相控阵检测两种检测新技术进行管道检测的方式，能够大大提高厚壁压力容器管道缺陷的检出率。

【关键词】相控阵检测；管道；射线检测；厚壁

目前，厚壁管道的常规无损检测方法主要有超声波法、射线照相法、磁粉检测法和渗透检测法等，但常规无损检测方法工作过程中工作量巨大，效率低下，可靠性低，成本高，很难实现快速、可靠、全面的厚壁管道检测。因此，迫切需要一种更为有效的检测手段。近年来，超声相控阵无损检测技术以其快速、灵活、可进行复杂检测、阵列尺寸小、机械可靠性强、方向难以辨别的缺陷可检测性增强等特点，在无损检测中得到了越来越多的应用。

本文通过制定多种检测工艺对不同厚度的厚壁压力管道进行现场检测，并将检测结果与射线检测结果进行对比，研究相控阵检测技术在厚壁压力容器管道上的检出率，最终制定一套能提高厚壁压力容器管道的缺陷检出率的检测方案。

1、相控阵的原理及特点

相控阵的基本概念来自于相控阵雷达技术，超声相控阵换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个阵元，一般是由多个阵元组成的一维或二维阵列。通过电子系统控制换能器阵列中的各个阵元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式显示，从而实现材料的无损检测，如图1所示。

相控阵超声检测技术属于脉冲反射法检测范畴，但是在声场特性、检测应用、信号处理与成像、性能和功能等许多方面，相控阵与常规脉冲反射法有很大的不同。

相控阵超声使用的探头是由若干压电晶片组成阵列换能器，通过电子系统控制阵列中的各个晶片按照一定的延时法则发射和接受超声波，从而实现声束扫描、偏转与聚焦等功能。如图2所示。

利用扫描特性，相控阵技术可以在探头不移动的情况下实现对被检测区域的扫查：利用偏转特性，相控阵技术不仅可以在探头不移动的情况下实现对被检区域的扫查，而且声束能够以多种角度入射到缺陷上，从而提高缺陷检出率；利用聚焦特性，相控阵技术可以提高声场信号强度、回波信号幅度和信噪比，从而提高缺陷检出率，以及缺陷深度、长度的测量精度。相控阵的扫查方式包括电子扫描和机械扫查。电子扫描分为扇形扫描、线扫描等，机械扫查分为沿线扫查和手动锯齿扫查，检测过程中电子扫描和机械扫查是可以结合并同时进行的。

相控阵检测系统是高性能的数字化仪器，能够实现检测全过程信号的记录。通过对信号进行处理，系统能生成和显示不同方向投影的高质量的图像。

2、检测工艺

2.1、设备与试块

ISONIC2010，以色列SONOTRONNDT公司生产的一款便携式多功能超声波相控阵成像检测系统。选择相控阵便携A型试块和CSK-ⅢA试块。这两块试块主要用于校准檢测系统的灵敏度。

2.2 被检工件状况

被检管道有四种厚度，分别为32mm、40mm、50mm、64mm。焊缝均为V型坡口，对焊缝检测时均要求对焊缝两边母材进行打磨，将管道表面的污垢、铁屑和飞溅等影响探头耦合和移动的不良因素通过打磨去除，其表面粗糙度Ra值应小于或等于6.3μm，打磨的宽度随母材厚度的不同也有所不同。保留余高的焊缝，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等应进行适当的修磨，并做圆滑过度以免影响检测结果的评定。

2.3 扫查方式的选择

为了能够在提高检测效率的同时，保证一次检测能覆盖到整个焊缝，扫查方式选择扇形沿线编码扫查。相控阵扫查方向如图3所示，环焊缝扫查点以0点为起点，每条焊缝分两次扫查，第一次从0°经90°扫查至180°，第二次从0°经270°扫查至180°，两次扫查重叠搭接长度为50mm。

2.4、检测系统参数的选择

管道焊缝检测时探头摆放方法如图4所示，探头与焊缝保持一定的距离采用扇形沿线编码扫查，通过一次波和二次波一次性记录整个焊缝相控阵检测图像。

本文参照ISO 13588-2010《Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology》编制检测工艺，检测技术等级：A级。对检测系统灵敏度调整，采用CSKⅢA试块和相控阵便携A型试块制作DAC曲线的方式进行校准，检测系统参数如表1所示。

扫查时DAC曲线判废线不应超过满屏的100%，为得到较大的动态范围，可将判废线设置为满屏高度的90～100%。检测横向缺陷时，应将各线灵敏度均提高6dB。

依照工艺设置检测系统，将探头摆放到要求位置，沿设计的路径进行扫查。最大扫查速度不应超过25mm/s。

3、检测结果分析

对管道进行扫查后，经由ISONIC PA Office软件对图谱进行分析，标记好缺陷，然后生成检测报告，图4为50mm厚压力容器管道相控阵S扫检测结果，由于采用真实几何位置的成像方式，一次波和二次波的成像既可以分别显示，也可以叠加显示，易于缺陷的判读，可直观的看出缺陷的位置。其长度、埋深和自身高度等信息可方便的进行测量。表2为四种不同厚度的管道扫查后的缺陷测量数据。

为验证相控阵检测的准确性，采用射线检测对上述工件进行探伤，射线检测结果如表3所示。其结果与相控阵检测结果能够对应。

以往在厚壁压力容器管道检测中，主要使用射线与常规超声进行检测。由于射线检测效率低，且具有辐射危害，目前我们主要采用TOFD（超声衍射时差法）检测技术、常规超声检测与表面检测方法进行管道检测。相控阵检测较常规超声缺陷检出率高，声束覆盖区域大，其亦能够弥补TOFD检测盲区的检测，且检测结果直观。故本论文提出一项全新的检测模式，在对厚壁压力容器管道检测时，先采用TOFD检测，而后采用相控阵进行检测及验收，这种同时运用两种检测新技术的检测模式能够大大提高厚壁压力容器管道缺陷的检出率。

4、结论

参照ISO 13588-2010编制了厚壁压力容器管道相控阵检测的检测工艺，并按照工艺分别对不同厚度的压力容器管道进行检测，将相控阵检测发现的缺陷与射线检测结果进行对比。

1）相控阵检测的缺陷检出率不亚于射线检测；

2）TOFD（超声衍射时差法）检测技术、常规超声检测与表面检测方法进行管道检测的方式可由TOFD检测、相控阵检测替代，同时运用两种检测新技术的检测模式能够大大提高厚壁压力容器管道缺陷的检出率。

参考文献：

[1]李衍.超声相控阵技术 第二部分 扫查模式和图像显示[J].无损探伤，2007，31（6）：33-38.

[2]李衍.管道环焊缝相控阵超声探伤技术的应用[J].无损检测，2002，24（9）：386-390.

[3]ISO 13588-2010. ：Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of （semi-） automated phased array technology [S].

作者简介：

王培宁（1973年4月-），男，本科，助理工程师。主要从事特种设备及静设备管理、无损检测、焊接及管道专业管理