相控阵超声在管道环焊缝检测上的应用

相控阵超声在管道环焊缝检测上的应用

20世纪70年代以前，国外对煤气管道圈焊接螺钉的损伤试验一般采用辐射法，检测效率低，现场辐射保护。20世纪80年代开始采用超声自动探伤。最初的自动探伤,必须使斜探头沿管子轴向和周向作机械扫查,结构复杂且速度有限。20世纪90年代开始采用相控阵探头,可通过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,只需在管子周向作机械扫查,探伤速度倍增。1原则与封锁点1.1原理(1)电子扫查焊缝相控阵超声探伤是靠多压电元件相控阵探头的轴向电子扫描来改变声束路径,以此完成对焊缝整个断面的扫查,并靠探头在管子周向的机械扫查,完成焊缝全长乃至全体积的扫查(图1)。(2)超声波束扫查法相控阵探头的声场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,使超声波束对焊缝全断面作扫查。而且,通过控制各压电元件的激励时间,可使超声波产生偏转,因而对声束各向异性的钢材,很容易得到任意折射角(图2)。1.2全焊缝断裂器声程一是楔内声程较长。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;为提高探伤灵敏度和信噪比,就要设法减少超声波衰减,并尽量减少无用杂波。二是楔内声程多变。相控阵探头在电子扫描过程中,楔内声程各不相同,声场变化较大,应设法获得与普通探头相似的声场。2斜楔和压缩器的选择2.1超声衰减系数和声速温度系数的测试方法考虑到相控阵探头斜楔中的声程距离要比普通探头长,故超声衰减也较大。为使探头灵敏度不致损失太大,就要选择斜楔声衰减较小,斜楔/钢界面损失较小的材料。另外考虑到温度引起的声速变化会影响声束折射角,要选择声速随温度变化较小的材料。为此,在采用新技术前,对三种用作斜楔的材料,即丙烯酸树脂、聚酰亚胺和聚苯乙烯,就其超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10mm厚平板,水浸法由两次底波之比即B1/B2求出衰减系数。此时,超声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,求出5MHz时的数值。另外,还将斜楔材料浸入恒温水槽中,通过改变水温,用脉冲重叠法测定声速,然后将水温与声速的关系作一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声束折射角的调整JISZ3060—1994规定,探测有声学各向异性>1.02的材料时,探头折射角应为60°或65°。用斜楔角度不同的聚苯乙烯做探头,可使发射声束具有不同的入射角,对于角度给定的斜楔,用电子方法使各通道间有+10ns的延迟,也可使发射声束有不同的入射角。用以上两种方法改变超声入射角,从而改变超声折射角,所得测试结果见表2。由此可知,在阵列探头的各组合压电元件之间设置一定的时间延迟进行触发,可使入射声波改变角度。因此控制各压电元件之间的延迟时间,就可在不改变探头斜楔角度的情况下,控制声束折射角。另外从表2实测结果得知,当斜楔角度为39°时,设定声束偏向延迟时间为-10～+10ns/ch(ch为通道),可得声束折射角为59.3°～66.2°。此范围可满足JISZ标准,为此将相控阵探头的斜楔角度定为39°。关于相控阵探头的斜楔形状,曾制作了宽度、角度、V形槽、阻尼块形状等各不相同的多种斜楔,对其信噪比S/N及前沿距离L0作了测试比较,确定了图3所示的最佳形状,此时前沿距离L0=15mm。2.3电压、信噪比测试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,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,因此有不能自由选择配置间距的问题。而高分子薄膜产生的横波较少,在一块高分子压电薄膜上附上分离式电极,很容易做成阵列式探头,配置间距可自由选择。上述两种压电材料都用5MHz频率测试。为提高高分子薄膜的灵敏度,特采用耦合系数高的共聚物(PVDF-TrFE),并使用直列共振式阻抗匹配电路。陶瓷和高分子材料探头使超声波垂直入射于玻璃试块,然后用光弹显像法观察所生成的超声波束,可见高分子压电材料所产生的纵波,其超声脉冲空间宽度较小,且横波也少。对相控阵探头来说,为避免楔内各种杂波的干扰,采用高分子薄膜既能使楔内纵波的超声脉冲空间宽度减小,又能减少楔内无用横波的产生,这对提高信噪比十分有利。按图4a所示方法对上述两种压电材料的性能进行测试(图4b为俯视图),将相控阵探头固定在对比试块上,用电子方法对阵列进行顺序扫描,使超声波束探出试块底面ϕ4mm×4mm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(1.09～1.10)的钢管(API5LX-65750A,T=19mm)上切割下来做成的。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,观察了A型和B型两种显示图形。从B型显示图可见,用陶瓷晶片时,斜楔底面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,在整个电子扫描过程中,可得到良好的信噪比。表3列出了压电材料种类、尺寸、灵敏度及信噪比的试验结果。由此表可见,高分子薄膜所得信噪比(+25dB)要比陶瓷晶片高出7～15dB。而相对灵敏度,高分子薄膜虽不如陶瓷晶片,但只要在基板上采用阻抗匹配电路,也可达到与陶瓷晶片大致相同的水平。根据以上试验结果,对相控阵探头的换能器确定选用配置间距1.25mm、宽22mm,基板有阻抗匹配电路的高分子压电薄膜。3相控制矩阵检测声场的最佳特性3.1缺陷波场及波形相控阵探头中的受激单元数,关系到管轴方向的压电元件尺寸(配置压电元件中心距×受激单元数),对形成的声场影响很大。管轴方向的声场如图4a所示,通过电子扫描全过程,探测上述试样中内外壁ϕ4mm×4mm人工缺陷,由其回波高度的测定求得。假定焊缝宽度为25mm,缺陷中心至探头前端距离L=12.5mm,则在探头离焊缝最近的情况下,要探测到处于焊缝中心线的缺陷,对内壁缺陷要用一次波,而对外壁缺陷要用二次波。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19mm的焊缝作一跨距范围内的电子扫描,在探头中配置了64个单元。普通探头的频率为5MHz,晶片尺寸10mm×10mm,在标准试块上测出的折射角为62.5°(在试样管上测出的折射角为70°)。普通探头的缺陷波高度,根据A2试块ϕ4mm×4mm柱孔作出的DAC曲线进行修正。管子轴向(探头纵向)声场可依靠受激单元数进行控制。受激单元数为8,12,16时管轴方向上的声束扫查波形见图5。由图5可知,内壁缺陷用16个单元探,外壁缺陷用12个单元探,所得结果与普通探头接近。但从实用观点来看,按不同的斜楔声程距离改变受激单元数时,探伤速度会受到影响。为此决定,不论斜楔声程距离如何,受激单元数始终如一,即采用12单元。但触发单元为12时,与普通探头相比,对内壁缺陷就有管子轴向(-12dB)声束宽度较大的问题(图5a)。管子周向(探头横向)声场:当触发单元为12时,按图5所示要领,再测试管子周向的缺陷扫查波形(图6)。由图6可见,探测内壁缺陷时,缺陷波包络图形与普通探头相仿;而探测外壁缺陷时,缺陷波包络图形即探头声束宽度要大些,对缺陷定性、定量不利。3.2声透镜效果对比由于相控阵探头在管子周向的声束宽度比普通探头的大,就必须用声透镜的原理克服这一缺点。所谓声透镜,就是使探头斜楔的探伤接触面呈凹面状(图7),从而使管子周向的超声波产生聚焦,以减小声束宽度。用声透镜时,按图5所示测定管子轴向和周向的声束扫查图形,可得图8所示结果。由图8b,c可见,经声透镜改进后,与普通探头相比,对内壁缺陷管周方向的声束宽度要小些,而对外壁缺陷管周方向的声束宽度大致相同。另外,不用声透镜时,对内壁缺陷管轴方向的声束宽度要大些(图5a),但用声透镜时(图8a),可得到与普通探头相同的声场。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,声透镜在管子周向的聚束,不仅对管子周向声场,而且对管子轴向声场均有影响,即可得到与普通探头相似的扫查波形。因此,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。4自动检测和管道环论文的应用4.1耦合监测装置将相控阵超声探伤技术用于煤气管道环焊缝(API5LX-65750AT19mm)的自动检测。所用相控阵探头机械扫查装置的结构要点如下:(1)探头对置为缩短探伤时间,在被检焊缝两侧各置一个探伤探头,同时进行探伤。(2)耦合监测另设一对耦合校正探头,也置于焊缝两侧,用穿透法对耦合剂的供给和晶片接触状态进行监测。(3)数据取样为正确测定5MHz超声回波峰值,A/D变换取样为100M帧/s,波高分辨力为64dB/256=0.25dB,可收集所有A扫描波形。4.2探伤法2用相控阵探头机械扫查器在试样管上探测人工缺陷(外壁ϕ4mm×4mm柱孔),所得结果与普通单斜探头手工探伤法的比较见图9。可见,相控阵探伤法与普通探伤法一样可对缺陷作同等程度的评价。5超声波探伤工艺为使相控阵探伤技术在管道环焊缝自动检测上进行有效应用,相控阵探头的构成要素和控制方法及检测装置是关键。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,探测ϕ4mm×4mm人工缺陷时,信噪比可达2