毕业论文-小径薄壁管的超声相控阵检测

PAGE毕业设计（论文）题目：小径薄壁管的超声相控阵检测学院：测试与光电工程学院专业名称：测控技术与仪器班级学号：学生姓名：指导教师：二O一五年六月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名：日期：导师签名：日期：小径薄壁管的超声相控阵检测摘要：小径薄壁管是电站锅炉广泛应用的一种材料，随着电力机组不断增多，小径薄壁管的数量也在急剧增加，探伤工作越来越繁重。常规超声波探伤，由于小径薄壁管曲率大，声波耦合困难，其反射面声能损失较大，壁厚薄，探头的前沿长度对检验的影响大，因而，对小径薄壁管对接接头中的危害性缺陷较难判定，管子排列密集等现场工况也影响了常规超声波在小径薄壁管检测中的应用。因此，如何高效准确的检测出小径薄壁管缺陷是保证机组安全运行的关键。本文采用相控阵检测方法对小径薄壁管环焊缝进行焊缝精细扫查，同时利用实时成像原理对焊缝坡口进行设置，还原焊缝真实情况并对检测结果进行3D成像，最后使用配套编码器对焊缝扫查进行数据分析从而对缺陷进行定位定量。根据中国特种设备研究院企业标准本文采用GD-2试块制作DAC曲线并利用半圆试块进行角度增益补偿，以此为基准对小径薄壁管进行焊缝缺陷扫查。同时采用DR成像技术检测方法进行对比实验，发现相控阵检测与之相比具有明显优势，不仅操作简便，且缺陷检出率高，同时在缺陷的定位定量上能够通过实时3D成像等技术较好呈现，为缺陷的定性带来很大的方便。关键词：小径薄壁管，相控阵，实时成像，DR成像指导老师签名：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:目录1绪论 11.1引言 11.2课题研究背景及意义 21.2.1选题的依据及意义 21.2.2国内外研究现状 21.3课题研究主要内容 32相控阵检测原理及应用 42.1相控阵超声波探伤原理及成像方式 42.2相控阵超声波探伤的应用 52.2.1相控阵超声波小径管探伤的困难 52.2.2相控阵超声波探伤条件的选择 52.2.3小径薄壁管相控阵超声波探伤的应用 73小径薄壁管的检测方法实施 83.1检测目的 83.2检测准备 83.3检测工件 103.4检测步骤 113.5检测工件 113.5.1基本参数设置 113.5.2DAC曲线制作 153.5.3角度增益补偿曲线制作 163.5.4理论模拟图像设置 183.5.5扫查 194检测结果及对比分析 224.1相控阵及DR检测结果 224.23D图示 345结论及展望 355.1检测结论 355.2工作展望 35参考文献 36致谢 37南昌航空大学2015届学士学位论文PAGE38小径薄壁管的超声相控阵检测1.绪论至今超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官进行成像，而大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收[1,2]。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限，因此，早期相控阵仪器多用于高端工业，如核工业、管道、航空航天等。近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。随着压电复合材料、纳秒级脉冲信号可控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测领域[3,4]。1.1引言目前，在役油气管道、小径薄壁管探伤存在以下几个问题：焊缝中裂纹、未融合等面积型缺陷检出率低，检测工序多、工效低、劳动量大，难以保证工程进度。很多小径管在安装过程中，管子密集排列，处于困难位置，给射线探伤带来很大难度。且射线防护难点大,与其它工种不能交叉作业、成本大、材料消耗高。而采用常规超声波探伤或TOFD探伤，由于小径管曲率大，声波耦合困难，其反射面声能损失较大，壁厚薄，探头的前沿长度对检验的影响大，因而，对小径管对接接头中的危害性缺陷较难判定，且管子排列密集等现场工况也影响了常规超声波在小径管检测中的应用。为此，国内很多专业技术人员根据常规技术出现的问题，尝试使用国内外最新的检测技术研究成果，并越来越体现出新技术应用的优越性[5]。相控阵超声检测技术就是当今国内最新的检测专业技术，利用精密复杂的相控阵和功能强大的软件来控制超声波声束，使其覆盖被检测材料，并生成被检材料的内部结构图像。与常规的检测技术相比较，相控阵检测技术是通过控制各个独立阵元的延时，可生成不同指向性的超声波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需或少移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查，且可检测复杂形状的物体，且相控阵探头小巧、灵活，适用于现场工况需求[6,7]。这种技术无辐射、无污染，能够适应多工种立体交叉作业现场，且解决因采用射线检测而造成其他人员全部需要安全避让等问题。1.2课题研究背景及意义1.2.1选题的依据及意义：小径薄壁管[8]检验参数有别于大口径管和平板，有以下特点：(l)通常有很多被检焊缝；(2)管子之间往往空间有限；(3)通常不能移动管件；(4)检测对象大多是管-管对接焊缝；(5)有些管焊缝有有限接近空间；(6)有时焊缝位于弯管部位；(7)管径、壁厚、材质、规格多种多样；(8)规范可能要求或不要求检测横向缺陷。实际检测操作中，对小径薄壁管作超声检测有以下几个问题：(l)要求使用外形较小的阵列和扫查器；(2)超声波束在管壁厚度内有明显散焦现象，最好能用曲面阵列或矩阵聚焦，但该技术尚未市售；(3)需用抽真空耦合；(4)要根据不同管径、壁厚分别配置；(5)对缺陷在垂直面上定量测高不太准确；(6)若按ASME规范[9,10]，要求对每种管径、壁厚都制作校验试管。与此同时，常规超声检测也存在着主观性强（对操作者依赖性很大），扫查结果无记录，一般检测速度较慢等缺陷。对此，于2003年面世的便携式相控阵仪器经不断改正后特适用于焊缝检测，取代了射线照相。用相控阵进行在役检测，不会中断生产过程，而且缺陷检出率高，也不会像射线照相有环境保护问题，高效合算。1.2.2国内外研究现状国内超声检测技术的主要研究领域可以分为检测方法研究和设备研发。在设备研发方面主要为数字化超声波探伤仪、TOFD超声检测系统、超声成像系统和磁致伸缩超声导波检测系统；在检测方法和技术方面，主要为自动超声检测技术、超声成像检测技术、人工智能技术、TOFD超声检测技术和超声导波检测技术。2000年以来，国内研究机构和高校主要侧重于超声相控阵技术。例如清华大学的施克仁教授和鲍晓宇博士、电子测试技术国防科技重点实验室利用数字波形相位延时技术，设计实现了多通道相控阵超声检测实验系统，达到了很高的发射延时分辨率。中国石油天然气管道科学院联合上海电气自动化设计研究所等单位，通过对超声波相位控制和电子方法，实现了超声波声束聚焦、偏转。与国外同类产品相比，增加了横向裂纹的扫描检测、三维动态缺陷显示功能。近年来，国内科研机构开始侧重于研究数字化多通道超声检测技术，并结合自动化控制技术，用于中小型管道类、曲面类构件的无损检测。例如，南京航空航天大学的芮华、徐大专把传统的超声波无损检测技术和先进的虚拟仪器、数字信号处理、嵌入式操作系统等技术相结合，研制了一种新型满足了自动化探伤中高重复频(>1kbps)和实时报警等关键性能的要求的数字化超声波自动探伤系统[11]。国内研究的总体现状是，大多局限于声场理论的探讨和国外已有产品的仿制，缺少新的检测技术、检测方法以及检测系统设计方面的研究。换能器的研制上没有创新，为了达到聚焦和偏转的目的通常只考虑数字延时，几乎都未考虑强度控制。国内外超声相控阵的检测仪器价格昂贵，无法实现可控强度聚焦和偏转。国外公司如GE检测科技、R/DTECH、西门子、IMASONIC等已推出商业化便携式超声相控阵检测设备和大型超声相控阵检测系统例如GEPhosphorXS型相控阵超声探伤仪可以一次同时多角度检测，可随意切换常规超声和相控阵模式。使用相控阵模式时，PhosphorXS的扇形扫描功能大大提高了缺陷检测能力，只需要进行一次扫查，就能覆盖大面积的检测区域，大大提高了检测工作的效率。操作人员无需更换探头或楔块，就能方便地利用一个探头达到多个角度和聚焦深度。数字式超声波检测仪器的发展速度极为迅速，其探伤效率和探伤速率都有质的飞跃。在超声相控阵成像检测仪器设备方面，国内有多家公司在对超声相控阵检测设备进行研究，如广州多浦乐电子科技有限公司、汕头超声研究所、武汉中科创新技术股份有限公司。同时国外以色列SONOTRONNDT公司、加拿大R/DTECH公司、美国GE公司、日本OLYMPUS公司、英国SONATEST公司、英国TechnologyDesign公司等致力研发相控阵检测系统设备，并且已经在各行各业无损检测领域得到了成功地应用。1.3课题研究主要内容理论学习的目的是最终应用于实际应用，是为了更好的理解和掌握无损检测的理论及应用知识，能正确地调整和使用仪器来对工件进行有效的检测。针对目前小径薄壁管在役检测的实际情况，通过对不同壁厚不同管径的若干根钢管进行相控阵检测，快速而准确的找出焊缝缺陷，并通过3D实时成像[12]对缺陷进行精确定位定量。之后进行DR成像对比实验，对同一缺陷的检出率及准确率进行对比，通过分析与比较实验结果优化其检测方法，从而为工业生产及无损检测的应用提供更好的检测方法与规范，使得对于小径薄壁管的检测更加规范合理并取得更好的检测效果。2相控阵检测原理及应用2.1相控阵超声波探伤原理及成像方式相控阵超声检测技术是一种多声束扫描成像技术，它所采用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路激励下以可控的相位激发出超声，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加，形成不同的声束[13]。相控阵超声探头由晶片阵列组成，各声束相位可控，可用软件控制聚焦焦点，不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域。通过优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，使得相控阵超声在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。相控阵检测工作原理图及成像显示方式见下图2.1、2.2所示。技术原理：图2.1相控阵多晶片探头检测工作原理示意图成像方式：图2.2相控阵检测成像显示方式2.2小径薄壁管相控阵超声波探伤的应用2.2.1相控阵超声波小径管探伤的困难(l)壁厚的影响小径管管壁薄、焊缝宽，当壁厚小于8mm时，一次波探伤检测小径管焊缝根部角度较大，声束严重散射，使得回波游动范围大，且一次波声程短，容易在近场区内检测，给缺陷的定量和定位带来很大的困难，影响检测的可靠性。(2)曲率半径影响小径管曲率半径小，探头检测接触面小，曲面耦合声能损失大；超声横波在小径管内表面反射，发散严重，探伤灵敏度低，对缺陷判定带来很多困难。(3)现场工况影响很多小径管在安装过程中，管子排列密集，外径、壁厚、材质等规格参数跨度范围较大，且存在不等厚、角接对接等特殊焊接方式，给检测带来困难。综上所述，用相超声波探伤方法对小径管焊缝的检验存在很大的困难，必须采用专用的探伤工艺、探头和仪器。2.2.2相控阵超声波探伤条件的选择(1)探伤仪的选择小径管曲率半径小，壁薄，超声波探伤时杂波较多，为了便于判伤，要求探伤仪应具有较高的分辨力和较窄的始脉冲宽度，探伤仪一次激发的晶片数量不得低于16个晶片，同时要有耦合监控功能和多次波独立设置与显示功能，对于角接、T型和不等厚等特殊类型焊缝为了缺陷显示更直观、定量更准确，最好选择带有工件结构仿真软件的探伤仪[14,15]。(2)探头的选择①楔块楔块的曲率应与被检管件的形状相吻合。楔块边缘与被检工件接触面的间隙x大于0.5mm时，应采用曲面楔块。②探头参数选择探头楔块加工成曲面后，探头边缘声束会产生散射，晶片尺寸愈大，散射愈严重。为了减少这种散射的不利影响，同时为了减小探头前沿长度，压电晶片尺寸不宜太大，且最好选择自聚焦相控阵探头。目前小径管焊缝探伤，探头参数选择可参考下表2.1。表2.1探头参数选择管壁厚度/mm主动孔径/mm标称频率/MHz6-156-107.5-10＞157-154-7.5注1：在满足能穿透的情况下，尽可能选择主动孔径小的探头。注2：为了提高图像质量，电子扫描在满足穿透的情况下，应选择主动孔径小的探头。(3)扫描类型①管壁厚度为＜8mm的对接接头：线性扫查时，采用三次波、二次波或四次波分开设置的扇形扫描进行检测。②管壁厚度≥8mm的对接接头：应采用扇形扫描进行检测。(4)试块对比试块的曲率应与被检管径相同或相近，其曲率半径之差不应大于被检管径的10%。采用的对比试块型号为GD-1、GD-2、GD-3、GD-4，其形状和尺寸应分别符合下图2.3和表2.2所示：图2.3GD试块小径管对接焊缝中，根部缺陷是比较常见而且又危险的缺陷，为了对焊缝根部未焊透、内凹等缺陷的判断和定量，可以设计制作根部缺陷当量对比试块。表2.2试块的选取试块型号试块圆弧曲率半径试块型号试块圆弧曲率半径R1R2R1R2GD-11822GD-34050GD-22632GD-460722.2.3小径管相控阵超声波探伤的应用 相控阵超声检测技术虽然相对于传统的检测手段有着多种优势，但是目前尚没有相关的国家标准，无法在工程上得以应用。2014年2月，津利科技结合六安项目现场实际检测条件的基础上，积极组织技术力量编制了《钢制承压设备焊接接头相控阵超声检测》企业标准。此次相控阵超声检测企业标准的获准发布，意味着在工程上应用相控阵检测技术有了国家认可的依据。图2.4小径薄壁管在役检测相控阵超声检测技术在六安电厂应用属于电力行业的首次大面积应用（见图2.4所示）。开工时，为了保证检测效果，在现场对100道各种不同规格管件的焊缝分别采用相控阵、射线和超声进行100%检测并进行了对比分析。在100道焊口中有10只焊口不合格，通过对比分析发现相控阵检测发现不合格焊口10只，其中面积型缺陷4例、体积型缺陷6例；射线检测发现不合格焊口9只，其中面积型缺陷2例、体积型缺陷7例；常规超声检测发现不合格焊口4只，其中点状缺陷1例、条状缺陷3例。相控阵超声检测的合格率为90%，射线检测的合格率为91%，常规超声检测的合格率为96%。3.检测方法实施 3.1检测目的在实际检测中，小径薄壁管多处于在役状态，广泛用于电站锅炉、管道等。管子排列紧密，结构复杂，且焊缝接口多处于弯管部位，这给检测带来了很大的困难。因而，使用合适的检测方法提高小径薄壁管的缺陷检出率及准确率是非常有必要的。3.2检测标准本次毕业设计论文检测标准节选至安徽津利能源科技发展有限责任公司企业标准（保密）。1本章适用于壁厚大于或等于6mm、外径为32mm-159mm或壁厚为6mm-8mm（不含8mm）、外径大于或等于159mm的承压设备管子和压力管道环向对接接头的相控阵超声检测。2对比试块见图2.3及表2.2.。3相控阵探头的选择见表2.1。4扫描类型4.1管壁厚度为6mm~8mm(不含8mm)的对接接头。a)线性扫查时，采用三次波、二次波或四次波分开设置的扇形扫描或电子扫描进行检测。b)锯齿形扫查时，应采用扇形扫描进行检测。4.2管壁厚度大于等于8mm的对接接头应采用扇形扫描进行检测。4.3距离-波幅曲线的灵敏度选择4.3.1不同管壁厚度的距离-波幅曲线灵敏度的选择应符合表3.1的规定。表3.1距离-波幅曲线的灵敏度管壁厚度，mm评定线定量线判废线6~8Φ2×30-16dBΦ2×30-10dBΦ2×30-4dB≥8Ф2×30–14dBФ2×30–8dBФ2×30–2dB4.3.2检测时应测定声能传输损失差，并根据实测结果对检测灵敏度作补偿，补偿量应计入距离-波幅曲线。5缺陷定量缺陷长度应按式(1)计算：I=L×(R-H)/R……(1)式中：L——探头左右移动距离，mm；R——管子外径，mm；H——缺陷距外表面深度，mm。6承压设备管子和压力管道环向对接接头的质量评定6.1凡判定为裂纹、坡口未熔合、未焊透及密集性的缺陷显示，评为Ⅲ级。6.2凡在判废线(含判废线)以上的缺陷显示，评为Ⅲ级。6.3凡在定量线(不含定量线)以下的缺陷显示，评为Ⅰ级。6.4对于定量线以上、判废线(不含判废线)以下的缺陷显示一般应按照6.4.1的规定进行评级。6.4.1质量分级方法a)缺陷长度按实测值计。b)质量分级按表3.2的规定进行。表3.2对接接头质量分级等级反射波幅（所在区域）埋藏缺陷长度根部开口缺陷长度单个缺陷长度L单个缺陷长度L缺陷累计长度ⅠⅡ≤T/3，最小为5，最大为30≤T/3，最小为5长度小于或等于焊缝周长的10%，且小于30ⅡⅡ≤2T/3，最小为6，最大为402T/3，最小为6长度小于或等于焊缝周长的15%，且小于40ⅢⅡ超过Ⅱ级者注:1.当允许的缺陷累计长度小于该级别允许的单个缺陷长度时，以允许的单个缺陷指示长度为准。2.板厚不同时，取薄板侧厚度。3.密集性缺陷是在扫描灵敏度下荧光屏有效声程范围内存在2个或2个以上的缺陷反射信号。3.3检测设备以色列SONOTRONNDT公司根据不同用户检测需求，开发出了ISONIC超声相控阵检测系统。该系统的软件功能非常强大，可对市场中多种常见的工件进行真实结构描绘。该系统软件包含二十多种专用检测功能，见下图3.1所示。在本文中将主要对其中焊缝高级检测功能进行一个概括的说明，其他软件功能在此不进行赘述。图3.1ISONIC2009相控阵检测设备 焊缝高级检测：主要应用于平板对接焊缝及管道环焊缝检测基于对焊缝规格的快速制定（包括焊缝高度、宽度、上/下余高、坡口结构尺寸、热影响区、探头相对放置位置等信息的快速设定与模拟），可实现对工件厚度的设置，快速设定探头激发与接收单元的阵列孔径、入射角度、聚焦深度、扫查角度范围、扫查角度步进、一次波与多次反射波（可根据工件厚度设置并显示在工件中传播的多次信号与成像）等检测参数。对检测中探头与工件的耦合情况进行实时监控。可在扫描图上实时显示任意位置的对应A超信号波形与信息（包括角度、声程、波幅、深度、当量等）。对检测结果可实现三维成像（对工件的三视图显示模式）和3D成像（对工件进行立体显示模式，可实现工件立体图的缩放、移动、旋转等功能）。对检测后的缺陷可进行自动评定并生成缺陷信息列表。3.4检测工件本次实验中采用Z34-T4.0、Z40-T6.5、Z60-T8.0三根钢管进行相控阵检测以及DR检测，并且使用GD-2试块进行DAC曲线制作及半圆试块作角度补偿。工件示意图如下图3.2～图3.4所示。 图3.2Z34-T4.0工件图3.3Z40-T6.5工件图3.4Z60-T8.0工件3.5检测步骤 3.5.1基本参数设置 (1)探头及楔块参数设置：其中边距2.05mm,角度39°，楔块声速2337m/s。其余参数见图3.5所示。图3.5探头及楔块参数(2)检测参数设置：基础参数见图3.6所示、激发参数见图3.7所示、接收参数见图3.8所示、闸门A设置见图3.9所示、测量参数见图3.10所示、激发设置见图3.11所示、接收设置见图3.12所示。图3.6基础参数图3.7激发参数图3.8接收参数图3.9闸门A设置图3.10测量参数图3.11激发设置图3.12接收设置3.5.2DAC曲线制作本次示例以检测Z57-T4.0的小径管为例，依据JB/T4730标准要求，选择GD-2为标准试块。选取5mm、9mm、24mm孔为记录点进行曲线制作。制作方法如下：(1)将相控阵探头放到GD-2试块上，找到深度为5mm孔的最大反射回波，调节增益，将反射波高调节为屏幕满屏高80%5%，调节闸门A的门位，用闸门套住反射回波，记录点1。(2)将相控阵探头放到GD-2试块上，找到深度为9mm孔的最大反射回波，调节闸门A的门位，用闸门套住反射回波，记录点2。(3)将相控阵探头放到GD-2试块上，找到深度为24mm孔的最大反射回波，调节闸门A的门位，用闸门套住反射回波，记录点3。(4)所有点记录完后，点击左键或右键将DAC/TCG/DGS调节为DAC。曲线制作完成。见图3.13所示。记下此时的DAC起始灵敏度，即增益值。图3.13DAC曲线制作3.5.3角度增益补偿曲线制作 角度增益补偿制作步骤(1)制作角度增益补偿曲线时，一般选用半圆试块（见图3.14所示）或者其他具有不同深度的横通孔的试块制作角度增益补偿曲线。图3.14半圆试块(2)“厚度修正”选择开启，聚焦深度位置根据检测具体情况设置，一般按照实际检测工艺进行设置。(3)将相控阵探头放置在所选试块上（本次示例选用半圆试块）找到基准入射角度（本次示例选用的基准入射角度为55°）的反射体回波，调节增益确定基准波高，使得反射体的基准波高为满屏的70%、80%或90%均可，基准波高可由检测人员自己确定（本次示例选用基准入射角度为55°下找到的反射体的回波为80%作为基准波高）。点击I进入扫查设置界面。(4)进入“扫查设置”界面后点击“单一角度增益修正”菜单的“编辑”进入角度增益补偿修正界面，将入射角度调节为基准入射角度（本次示例选用55°作为基准入射角度），增益修正此时为0。点击选择制作角度增益补偿的角度步进，可调步进有0.1°、0.2°、0.5°、1°、2°、5°，一共6种可调步进。选择的步进将在入射角度的左上角显示，本次示例选择的角度步进为0.5°。(5)通过左右键调节入射角度，在试块上移动探头，找到每个入射角度对应的反射体的最大回波，通过调节增益修正，将每个最大回波调节至80%的满屏高度。入射角度的范围为所选的扇形扫查角度范围，一般为35°～75°。(6)所有角度都修正完之后，点击“保存”，将制作好的角度增益补偿曲线保存起来，以便下次类似检测直接调用。见图3.15所示。(7)保存角度增益补偿曲线后，点击“完成”，退出角度修正界面。图3.15角度增益补偿曲线3.5.4理论模拟图像设置 (1)在扫查设置界面，点击点击“几何尺寸”菜单的“编辑”，进入“焊缝参数”设置界面，输入焊缝的几何参数。焊缝宽度、表面余高、根部宽度、根部余高。见图3.16所示。\图3.16焊缝参数设置(2)点击“坡口”，可进行焊缝真实坡口设置。见图3.17所示。设置完成后点击应用，此时坡口图标点亮。图3.17坡口设置(3)点击“完成”，退出焊缝参数设置界面。3.5.5扫查 (1)耦合监控设置①点击“I”进入扫查设置界面，点击耦合中的“激活”，进入到耦合监控设置界面。见图3.18所示。图3.18耦合监控②在耦合监控界面，找到试块的底波，将开启闸门套住底波，调节增益使得底波的回波高度达到满屏高度的80%。见图3.19所示。点击“应用”，回到角度增益补偿修正界面。此时耦合监控为激活状态，激活的图标变亮。图3.19耦合监控底波(2)扇形扫查范围及探头位置设置①在扫查设置界面，进行检测扇形扫查范围设置。②通过左右键调节检测所需的最小角度、最大角度及角度步进。角度步进有0.2°、0.5°、1°、2°和5°共五种选项。检测所需的最大最小角度的选择主要依据能否全部覆盖或者最大程度覆盖检测焊缝区域的宗旨来进行调节，在满足覆盖要求的前提下，一次波声束与二次波声束的重叠部分尽可能的少。角度步进越小声束覆盖焊缝区域越密集，但同时检测数据量越大，采集速度及保存速度越慢（建议在检测中选择0.5°的角度步进足以满足检测要求）。③在焊缝参数设置界面，通过左右键调节“探头位置”。通过探头位置的调节，可以在示意图中看出已设定的扇形扫查范围是否满足声束覆盖要求，从而找到适合的探头位置。在探头位置满足声束覆盖范围时，探头位置越小越好，以减少声波的衰减。焊缝扫查①焊缝参数设置完成后，在扫查设置界面点击下一步，进入扇形扫描界面，激活闸门，设置门位、门宽及门高。超过闸门高度，并在闸门覆盖范围内的检测信息将会进行成像显示。但闸门外的信息（A超信号）都将被100%记录，只是不做成像。见图3.20所示。图3.20焊缝扫查设置②扇形扫描界面的增益为扫查灵敏度。根据工件表面状态，扫查灵敏度一般在起始灵敏度之上进行补偿。补偿的范围，一般根据相关检测标准要求进行补偿。③点击“扫查”进入C扫描界面进行检测。见图3.21所示。图3.21焊缝扫查④在C扫描界面设置扫查长度、选择记录方式为编码器。⑤进入到C扫描界面，选择已校准好的编码器，查看耦合状态。⑥点击“开始”，进行扫查。扫查结束后，点击“停止”，将会生成扫查结果。见图3.22所示。图3.22焊缝结果图示4.检测结果及对比 4.1相控阵及DR检测结果 »Z34-T4.0（一）坡口示意图图4.1坡口示意图（二）预制缺陷尺寸及测试结果1、1#根部未焊透缺陷（1）预制缺陷尺寸长度18mm、深度2.5mm、自身高度1.5mm图4.2预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果（a）1#根部未焊透缺陷主视图1#根部未焊透缺陷：深度3.9mm、长度17.7mm、幅度92.4%（b）PA检测结果图4.3PA检测根部未焊透缺陷②DR检测结果DR检测根部未焊透长度为15.49mm图4.4DR检测结果2、气孔缺陷（1）预制缺陷尺寸2#气孔缺陷：深度h=1.0mm、d=1.5mm；3#气孔缺陷：深度h=1.0mm、d=2mm图4.5预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果（a）气孔采集的原始数据经过滤波器处理2#气孔缺陷测量结果：深度1.4mm、长度1.3mm、幅度26.6%（b）2#气孔检测结果经过处理3#气孔缺陷测量结果：3#气孔缺陷：深度1.5mm、长度2.4mm、幅度31.1%（c）3#气孔检测结果图4.6PA检测气孔缺陷②DR检测结果DR检测结果见图4.4所示。2#气孔Φ1.5×1，3#气孔Φ1.9×1。»Z40-T6.5（一）坡口示意图图4.7坡口示意图（二）预制缺陷尺寸及测试结果1、1#根部裂纹缺陷（1）预制缺陷尺寸长度22mm、深度5.0mm、自身高度1.5mm图4.8预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果（a）1#根部裂纹缺陷主视图根部裂纹缺陷：深度5.7mm、长度24.3mm、幅度69.5%（b）PA检测结果图4.9PA检测根部裂纹缺陷②DR检测结果DR检测根部裂纹长度为20.03mm图4.10DR检测结果2、坡口未熔合及气孔缺陷（1）预制缺陷尺寸长度15mm、深度h=1.5mm、自身高度d=2mm(a)3#坡口未熔合2#气孔缺陷：深度h=1.5mm、d=2mm；4#气孔缺陷：深度h=1.0mm、d=3mm(b)2#气孔和4#气孔缺陷图4.11预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果（a）坡口未熔合和气孔采集的原始数据经过处理2#气孔缺陷测量结果：深度3.6mm、长度3.5mm、幅度27%（b）2#气孔检测结果经过处理3#坡口未熔合缺陷测量结果：深度3.5mm、长度14.2mm、幅度44.6%（c）3#坡口未熔合检测结果经过处理4#气孔缺陷测量结果：深度3.5mm、长度3.0mm、幅度29.4%（d）4#气孔检测结果图4.12PA检测坡口未熔合和气孔缺陷②DR检测结果3#坡口未熔合DR检测结果为长度12.47mm，见图4.12所示。2#气孔DR检测结果为Φ1.6×1，4#气孔DR检测结果为Φ2.8×1，见图4.13所示。图4.13气孔缺陷DR检测结果»Z60-T8.0（一）坡口示意图图4.14坡口示意图（二）预制缺陷尺寸及测试结果1、1#根部裂纹缺陷（1）预制缺陷尺寸长度32mm、深度6.5mm、自身高度1.5mm图4.15预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果采集的原始数据1#根部裂纹缺陷：深度7.3mm、长度35.2mm、幅度>130%（b）PA检测结果图4.16PA检测根部裂纹缺陷②DR检测结果DR检测根部裂纹长度为29.88mm图4.17DR检测结果2、坡口未熔合及气孔缺陷（1）预制缺陷尺寸长度18mm、深度2.5mm、自身高度2mm(a)3#坡口未熔合2#气孔缺陷：深度1.5mm、Φ2mm；4#气孔缺陷：深度1.5mm、Φ3mm(b)2#气孔和4#气孔缺陷图4.18预制缺陷尺寸图（2）测试结果①相控阵检测结果经过处理2#气孔缺陷测量结果：深度3.4mm、长度2.8mm、幅度24.1%（b）2#气孔检测结果经过处理3#坡口未熔合缺陷测量结果：深度5.2mm、长度20mm、幅度>130%（c）3#坡口未熔合检测结果经过处理4#气孔缺陷测量结果：深度4.0mm、长度3.2mm、幅度57.1%（d）4#气孔检测结果图4.19PA检测坡口未熔合和气孔缺陷②DR检测结果3#坡口未熔合DR检测结果为长度15.78mm。2#气孔DR检测结果为Φ2.4×1，4#气孔DR检测结果为Φ2.4×1。见图4.17所示。4.23D图示点击“3D显示”菜单，选择全部，即可把俯视图、侧视图和端视图合成为一个完整的三维图像。见图4.20所示。图4.203D图示5.结论及展望5.1检测结论(1)相控阵技术利用相控阵超声能形成多个角度的声束检测焊缝。(2)检测结果采用三维形式显示，直观易懂，有助于缺陷分析定性。保存的数据以动态形式回放。(3)采用编码器记录扫查位置，检测结果实时显示。检测效率高。(4)相控阵超声检测技术受人为因素影响小。降低漏检及误评的几率。(5)相控阵超声检测相对常规超声检测优点，图像直观、有记录，可以聚焦，检出率高，覆盖范围大。(6)相控阵超声检测和射线检测相比具有如下优点：①射线检测存在死角，对面积型危害性大的缺陷不敏感，易漏检。相控阵超声检测对面积状危险性缺陷检出率明显高于射线检测。②尤其在密集分布的小径管检测中明显优于射线检测，可以检测到射线检测不到的部位。③对人体无辐射，不需要隔离防护，可以和其他工种同时进行作业。④检测速度快，检测效率高。⑤耗材消耗成本低，环保（无底片冲洗，避免了定影液、显影液处理等）。5.2展望相控阵检测利用波动物理学相位调整原理，通过改变一系列超声脉冲的发射时间，使阵列中的每个晶片生成的单个波前交汇在一起，形成声束前沿。相控阵技术优于常规技术之处在于它可以使用单个探头组件中的多个晶片使声束进行偏转、聚焦和扫查。利用通常被成为"S扫查"(扇形扫查)的声束偏转，可以适当的角度生成被检测工件的图像，极大的简化了检测几何形状复杂的工件的过程。此外，在检测空间有限，不能方便地进行机械扫查的情况下，探头的狭小地面及其无需被移动即可以不同角度发射声束的能力更有助于检测这类形状复杂的工件。电子聚焦可在会出现缺陷的位置优化声束的形状和大小，从而可以进一步提高检出率。与常规UT相比，相控阵检测速度要快上10倍，这一点是相控阵的一个主要优势。现阶段，相控阵技术无论在便携式的设备上，还是大型的液浸系统中都已经有了成熟的应用，我相信未来相控阵必然会取代常规UT成为超声波检测的主要方法。现在存在的问题就是基于相控阵的检测技术至今没有一个成熟的标准，对于缺陷的评定，检测方法的规范都还有待发展。参考文献[1]沈建忠.超声无损检测的进展.无损检测,1998,20(2):31-35.[2]钟志民.超声相控阵技术的发展与应用[J].无损检测,2002,24(2):69-71.[3]S.Chatillon.SinulationanddatareconstructionforNDTphasedarray.Ultrasonic,2006(44):951-955.[4]刘贵民.无损检测技术.北京：国防工业出版社，2010:6.[5]张光义.相控阵雷达的技术特点及关键技术.电子科技导报,1996,7:2-4.[6]孙宝中,沈建中.合成孔径聚焦超声成像（一）[J].应用声学,1993,12(6):11-16.[7]万敏，王海涛.超声相控阵声束控制特性分析.无损检测,2009:859-861.[8]R/DTech.IntroductiontoPhasedArrayUltrasonicTechnologyAppli