基于超聲相控陣技術(shù)的水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測

伍衛(wèi)平，范欽紅，韓志剛，李東風(fēng)（.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南鄭州，450044；.鄭州辰維科技股份有限公司，河南鄭州，45000）

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基于超聲相控陣技術(shù)的水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測

伍衛(wèi)平1，范欽紅2，韓志剛1，李東風(fēng)1
（1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南鄭州，450044；2.鄭州辰維科技股份有限公司，河南鄭州，450001）

介紹了基于超聲相控陣技術(shù)的水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測的工藝設(shè)計和工程應(yīng)用。結(jié)合水工金屬結(jié)構(gòu)板厚較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、可接近性差等特點，采用仿真軟件ESBeam Tool進(jìn)行檢測工藝設(shè)計，達(dá)到較高的檢測效率和檢測可靠性，并將檢測工藝應(yīng)用到壓力鋼管對接焊縫和鋼岔管月牙肋組合焊縫的檢測中，取得了較理想的結(jié)果，具有積極的推廣價值和廣泛的應(yīng)用前景。

水工金屬結(jié)構(gòu)；安全檢測；超聲相控陣；扇形掃描；復(fù)雜幾何焊縫

0　引言

超聲相控陣技術(shù)（PAUT）是水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測技術(shù)領(lǐng)域新的發(fā)展方向，超聲相控陣的基本原理是通過軟件控制換能器中每個壓電元件發(fā)射和接收時間的延遲，控制波束的方向和聚焦深度，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的多方位成像掃描，精確檢測結(jié)構(gòu)的損傷部位，并評判損傷的嚴(yán)重程度。

超聲相控陣技術(shù)具有許多傳統(tǒng)超聲檢測方法無法比擬的優(yōu)點，其中最顯著的特點是可以靈活而有效控制聲束指向，通過相位控制可以快速偏轉(zhuǎn)或移動聲束實現(xiàn)掃查，無需復(fù)雜的機(jī)械掃查裝置，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行精確檢測［1-2］。水利水電行業(yè)內(nèi)部分關(guān)鍵受力和承載水工金屬結(jié)構(gòu)因其厚度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及可接近性受限，常規(guī)超聲波檢測技術(shù)已經(jīng)很難滿足結(jié)構(gòu)安全檢測的要求。超聲相控陣技術(shù)在國內(nèi)水利水電行業(yè)的應(yīng)用處于剛剛起步和摸索應(yīng)用階段，具有積極的推廣價值和廣泛的應(yīng)用前景。筆者從水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫超聲相控陣檢測的工藝設(shè)計和工程應(yīng)用來介紹該技術(shù)。

1　超聲相控陣技術(shù)的基本原理和特點

超聲相控陣成像技術(shù)是通過控制換能器陣列中各陣元的激勵（或接收）脈沖的規(guī)則和時序（時間延遲），改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來自）物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系，使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波累加形成一個新的波陣面，在效果上相當(dāng)于改變了換能器的空間排列形式，從而能夠改變換能器陣列所輻射的波束指向和聚焦特性；再將各陣元接受信號進(jìn)行合成，結(jié)果以適當(dāng)形式顯示，完成聲成像。簡而言之，相控陣是通過控制每個壓電元件的發(fā)射和接收脈沖信號的時間延遲，進(jìn)而控制波束的方向，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的多方位掃描［3-4］。

相控陣陣元的延遲時間可動態(tài)改變，所以使用超聲相控陣檢測主要是利用它的聲束角度可控和可動態(tài)聚焦兩大特點。合理通過軟件控制聲束焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，提高分辨率、信噪比、缺陷檢出率和檢測可靠性。圖1為聲束聚焦原理圖。

圖1　聲束聚焦原理圖（垂直入射聚焦和傾斜入射聚焦）Fig.1 Beam focusing principle for normal（left）and angled incidences（right）

計算機(jī)控制的相控陣聲束掃描模式主要分為三種：電子掃描（E-Scan）、扇形掃描（S-Scan）、深度聚焦（DF）。圖2為三種掃描模式的示意圖。

圖2　相控陣聲束掃描的三種模式（電子掃描、扇形掃描、深度聚焦）Fig.2 Three models of phased array beam scan（E-scan，S-scan and Depth Focusing）

上述三種掃描模式，在任何一個截面位置均不需要超聲換能器做聲束步進(jìn)軸方向的機(jī)械運動，只需要通過軟件來控制各陣元的激發(fā)順序和延時，達(dá)到聲束的快速移動或偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對當(dāng)前截面的掃描。為了提高聲束的偏轉(zhuǎn)能力，通常采用物理的斜鍥塊來輔助。

常規(guī)超聲檢測常采用圖3中左圖所示的光柵式掃查；而超聲相控陣焊縫檢測和腐蝕檢測常采用如圖3中右圖所示的單軸直線掃查，用位置編碼器沿掃查軸來標(biāo)定數(shù)據(jù)搜索位置，檢測數(shù)據(jù)自動記錄，其速度要比等效的常規(guī)超聲檢測——“光柵式”掃查快一個數(shù)量級。

圖3　光柵式掃查（左）和等效的直線掃查（右）模式示意圖Fig.3 Raste scan pattern（left）and equivalent linear scan pattern（right）

根據(jù)超聲聲程相關(guān)于掃查參數(shù)（掃查軸或進(jìn)位軸）在不同平面上的圖像顯示，相控陣超聲掃查圖像主要可以分為A顯示、B顯示、C顯示、D顯示、S顯示等?？梢詫⒑缚p坡口形狀疊加到掃描圖像中顯示，根據(jù)缺陷位于焊縫中的位置、反射回波的信號特征（如上升/下降快慢、持續(xù)的時間等）、焊縫坡口型式和焊接工藝等信息，較準(zhǔn)確地判斷缺陷的性質(zhì)，檢測結(jié)果信息更豐富，結(jié)果更為直觀。

2　水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫超聲相控陣檢測中的工藝設(shè)計

水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測中，焊接質(zhì)量的檢測是至關(guān)重要的一部分。為了防止漏檢，采用超聲相控陣扇形掃描來對焊縫斷面進(jìn)行檢測，必須實現(xiàn)焊縫體積的聲束全覆蓋，且有合適的角度利于各種不同取向的缺陷的檢出，需要先通過計算機(jī)仿真，進(jìn)行檢測工藝的設(shè)計［5-6］，提高檢測的效率并保障檢測結(jié)果的可靠性。

在水工金屬結(jié)構(gòu)中，壓力鋼管制作縱縫和安裝環(huán)焊縫、月牙肋板與瓦片的組合焊縫、鋼閘門焊縫等結(jié)構(gòu)檢測，采用Olympus NDT公司的OmniScan SX PA型相控陣設(shè)備，其具有常規(guī)UT、TOFD（單通道）和16∶64 PR相控陣性能（單通道），在性能和便攜性方面達(dá)成了一個很好的平衡，軟件具有多種豐富的成像顯示和豐富的讀數(shù)顯示，主機(jī)具有探頭自動識別功能，數(shù)字化頻率為400 MHz，脈沖發(fā)生器/接收器的孔徑為16陣元，晶片數(shù)量為64晶片，聚焦法則數(shù)量最大可達(dá)到256個。采用的探頭為一維線性陣列5L64-38.4×10-A2-P-2.5-OM，探頭中心頻率為5 MHz，陣元間距為0.6 mm，陣元數(shù)為64，主動窗的長度為38.4 mm，從動窗的長度為10 mm；選擇的楔塊為SA2-N55S-IHC，楔塊角度為36°，鋼中折射角為55°；選擇可以夾持相控陣探頭和位置編碼器的手動掃查架，采用單軸直線編碼掃查的方式記錄數(shù)據(jù)，編碼器的分辨率為12.8 steps/mm，掃查分辨率設(shè)置為1 mm。

結(jié)合采用的硬件設(shè)備，采用Eclipse Scientific公司的基于聲線示蹤原理的仿真軟件ESBeam Tool［7］來進(jìn)行檢測工藝的設(shè)計，確定探頭放置的位置（包括可接近的檢測面、楔塊前端離開焊縫中心的位置，即步進(jìn)偏移）、聚焦法則（波型、激發(fā)/接收陣元序列、聚焦聲束的角度范圍、角度步進(jìn)、聚焦深度）的設(shè)置，實現(xiàn)聲束對焊縫體積的全覆蓋和合適的角度，達(dá)到盡可能高的檢測效率（盡可能少的檢測工作量）和檢測可靠性。

與此同時，需要考慮探頭的物理近場區(qū)的大小，聚焦深度須在物理近場區(qū)以內(nèi)，聚焦法則角度范圍不得超出聲束偏轉(zhuǎn)能力范圍。

平板對接焊縫，根據(jù)板的厚度不同，決定扇形掃查組的設(shè)計：比較薄的板，可以只進(jìn)行單組扇形掃查的審計；比較厚的組，需要進(jìn)行多組扇形掃查的設(shè)計。

圖4的中厚板平板對接焊縫中，雖然在單側(cè)進(jìn)行一次掃查即可實現(xiàn)聲束對焊縫體積的全覆蓋，但是左側(cè)探頭（PA Probe1）沒有合適的角度可以檢測右側(cè)坡口附近與坡口走勢接近的缺陷，需要在另一側(cè)再進(jìn)行一次掃查，從而提高缺陷檢出率，防止漏檢。圖4是一種較合理的、可作參考的工藝設(shè)計，但不是唯一的設(shè)計。

圖4　平板對接焊縫聲束覆蓋范圍模擬Fig.4 Beam coverage simulation in plate butt-welds

對于T型焊縫，在腹板側(cè)和翼板側(cè)都可接近的工件，在翼板上用垂直入射的縱波聲束進(jìn)行電子線性掃查（E-Scan），在腹板兩側(cè)進(jìn)行扇形掃查（SScan）。當(dāng)腹板只有單側(cè)可接近時，可以選擇在腹板單側(cè)進(jìn)行掃查，設(shè)置多個步進(jìn)偏移；或者在設(shè)備具有多組設(shè)置功能時，采用單個步進(jìn)偏移但是設(shè)置多組不同的扇形掃查（各組選擇不同的陣元序列），保證聲束對焊縫體積的全覆蓋和合適的角度。圖5 是2種較合理的、可作參考的工藝設(shè)計，但不是唯一的設(shè)計。

圖5　T型焊縫聲束覆蓋范圍模擬Fig.5 Beam coverage simulation in T-welds

3　超聲相控陣技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測中的應(yīng)用

筆者結(jié)合在厄瓜多爾共和國索普拉多拉水電站（SOPLADORA）壓力鋼管和鋼岔管焊縫超聲相控陣檢測的工程經(jīng)歷，來闡述該技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測中的應(yīng)用情況。

3.1在中厚板對接焊縫檢測中的應(yīng)用

索普拉多拉水電站壓力鋼管制造所用材料是中國廠家生產(chǎn)的WDB620牌號鋼材，焊接方法為氣體保護(hù)焊和手工電弧焊。下平段管節(jié)板厚為42mm，內(nèi)徑為4.7 m，由于管徑大，縱焊縫和環(huán)焊縫近似于平板對接焊縫。

采用扇形掃查，橫波角度偏轉(zhuǎn)范圍為40°～70°，角度分辨率為0.5°，聚焦深度為50 mm，步進(jìn)偏移為50 mm。在一條環(huán)焊縫中發(fā)現(xiàn)如圖6所示的缺陷，從S掃描顯示中可以得到缺陷最高波的波幅、最高波所對應(yīng)的聚焦法則（聲束角度）、缺陷的深度（由二次反射波發(fā)現(xiàn)）、缺陷在焊縫截面上偏離焊縫中心的距離、缺陷離楔塊前端的距離、缺陷自身高度等定量和定位信息，通過對應(yīng)的C掃描成像數(shù)據(jù)，可以測量出缺陷的長度為74 mm。

圖6　缺陷的A掃及S掃顯示Fig.6 A-scan and S-scan of the defect

3.2在復(fù)雜結(jié)構(gòu)及檢測部位受限的水工金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

索普拉多拉水電站項目的岔管為內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型，采用非對稱Y形布置，通過2個岔管分為3個支管對水輪機(jī)供水。材料是中國廠家生產(chǎn)的WDB620牌號鋼材，焊接方法為氣體保護(hù)焊；月牙肋板的厚度為128 mm，與其焊接的瓦片厚度為52 mm。

圖7為月牙肋板與瓦片組合焊縫結(jié)構(gòu)示意圖。肋板外緣與主支管/支管外緣相貫線是橢圓曲線的一部分，相貫線上各處的曲率不相等，瓦片與肋板間的角度漸變，因此從頂部到腰線再到底部，焊縫坡口角度也是漸變的，只有在頂部和底部及附近的一個較小的焊縫長度區(qū)間上，焊縫近似接近T型；到達(dá)腰線部位，瓦片與肋板間的角度達(dá)到最小。由于結(jié)構(gòu)的限制，無法在肋板端頭（類似于翼板部位）放置探頭進(jìn)行0°聲束垂直入射的電子掃描，只能將探頭布置在瓦片（類似于腹板部位）上進(jìn)行橫波扇形掃查。以圖中的X軸將每側(cè)組合焊縫分為上、下兩對稱的部分，對稱部位的焊縫結(jié)構(gòu)一致，可以采用相同的檢測工藝；在上（下）半部分的焊縫長度區(qū)間，不同的部位檢測的工藝均不相同。為了實現(xiàn)聲束對焊縫體積的全覆蓋和盡量提高檢測效率，可以將上（下）半部分的焊縫分成若干小段，每一小段內(nèi)將焊縫結(jié)構(gòu)理解為近似一致，采用相同的檢測工藝，進(jìn)行單軸直線編碼掃查。在腰線及附近的部位，由于肋板與瓦片在外側(cè)的夾角過小，探頭/楔塊與焊縫的可接近性受影響，且岔管外壁與引水隧洞壁間空間狹小，只能在內(nèi)側(cè)瓦片上布置探頭進(jìn)行多種不同設(shè)置的扇形掃查，來替代內(nèi)側(cè)和外側(cè)瓦片上均布置探頭；其他部位可以實現(xiàn)瓦片內(nèi)、外布置探頭進(jìn)行扇形掃查［8］。

圖7月牙肋板及與瓦片組合焊縫的示意圖Fig.7 Diagram of the crescent rib and the combined welds

圖8為左側(cè)組合焊縫頂部及底部區(qū)域的掃查工藝設(shè)計，采用扇形掃查，橫波角度偏轉(zhuǎn)范圍為40° ～70°，角度分辨率為0.5°，聚焦深度為50 mm。步進(jìn)偏移分別為30 mm、80 mm。

在組合焊縫頂部附近的某區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了如圖9所示的缺陷，從S掃描顯示中可以讀出該缺陷大量的定量和定位信息。該缺陷是通過30 mm的步進(jìn)偏移進(jìn)行掃查時被一次反射波發(fā)現(xiàn)，通過對應(yīng)的C掃描成像數(shù)據(jù)，可以測量出缺陷的長度為60 mm。

圖8　頂部及底部區(qū)域聲束覆蓋范圍模擬（采用30 mm、80 mm兩種步進(jìn)偏移分別在外側(cè)、內(nèi)側(cè)檢測）Fig.8 Beam coverage simulation in the top and bottom region （with index offset of 30 mm，80 mm inside and outside respectively）

圖9　缺陷的A掃及S掃顯示Fig.9 A-scan and S-scan of the defect

4　結(jié)語

超聲相控陣技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測中具有許多傳統(tǒng)超聲檢測方法無法比擬的優(yōu)點：

（1）檢測效率高。單軸直線扇形掃描替代光柵掃查，可以提高檢測速度和效率。

（2）使用靈活。相控陣探頭可以隨意控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度。另外，多種取向的缺陷檢測只需要采用同一個相控陣探頭，根據(jù)需要隨意設(shè)置各種掃查方式，進(jìn)而實現(xiàn)對工件中不同取向缺陷的檢測。不同的檢測模式之間可靈活變換，無需進(jìn)行任何機(jī)械變換或調(diào)整。

（3）不移動或盡量少移動探頭就可以掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個區(qū)域，成為解決可接近性差、空間位置受限問題的有限手段。

（4）通過軟件可以合理控制聲束焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，提高分辨率、信噪比、缺陷檢出率、檢測可靠性。

（5）PAUT檢測和定量能力優(yōu)于常規(guī)UT。特別是對幾何形狀復(fù)雜的工件，PAUT對缺陷成像顯得更有價值。通過成像可顯示聲波傳播方向；檢測數(shù)據(jù)自動記錄和實時回放，通過多種不同的掃描方式，檢測結(jié)果的各種不同圖像顯示及與被檢工件二維或三維圖上的組合顯示，PAUT對缺陷的檢測、解讀、判斷、評價能力遠(yuǎn)勝于常規(guī)UT。

利用Eclipse Scientific公司的ESBeam Tool軟件，根據(jù)工件的幾何結(jié)構(gòu)，對常見水工金屬結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行超聲相控陣檢測的工藝設(shè)計，實現(xiàn)焊縫體積的全覆蓋和考慮缺陷各種取向的合適角度范圍，提高檢測效率、降低漏檢率并保證檢測結(jié)果的可靠性。在厄瓜多爾共和國索普拉多拉水電站（SOPLADORA）壓力鋼管和鋼岔管焊縫超聲相控陣檢測的應(yīng)用中，該工藝取得了理想的效果。

［1］Robert GINZEL，Edward GINZEL.Automated Ultrasonic Inspection of Nozzle Welds using Phased-Array Ultrasonic Testing Part 1-Inside Access［P］.Sim NDT 2010，September 2010.

［2］Robert GINZEL，Edward GINZEL.Automated Ultrasonic Inspection of Nozzle Welds using Phased-Array Ultrasonic Testing Part 2-Outside Access［P］.Sim NDT 2010，September 2010.

［3］Olympus NDT.Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications-R/D Tech Guideline［M］.Olympus NDT，2007.

［4］Olympus NDT.Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications［M］.Olympus NDT，2007.

［5］李衍.焊縫超聲相控陣扇形掃查的覆蓋范圍［J］.中國特種設(shè)備安全，2011，35（6）：38-48.

［6］陸銘慧，程俊，邵紅亮，等.計算機(jī)輔助在TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測中的應(yīng)用［J］.焊接學(xué)報，2012，33（4）：45-48.

［7］Eclipse Scientific Products Inc.ESBeam Tool 6 User Manual，1st Edition［M］.Eclipse Scientific Products Inc.，2014.

［8］程俊.T、K、Y管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測關(guān)鍵問題研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

作者郵箱：wp.wu@163.com

Title:Weld inspection of hydraulic metal structure based on phased array ultrasonic technology//by

WU Wei-ping，F(xiàn)AN Qin-hong，HAN Zhi-gang and LI Dong-feng//National Center of Quality Inspection& Testing for Hydro Steel Structure，Ministry of Water Resources

The article described the process design and engineering application of weld inspection for hydraulic metal structural based on ultrasonic phased array technology.Considering the features of large thickness，complex structure and poor accessibility of the hydraulic metal structures，we took advantage of the simulation software of ESBeam Tool to carry out the design of testing process，which achieved high detection efficiency and reliability.And then the testing process was applied to the detection of buttweld of steel pressure piping and combined weld of steel bifurcated piping，an ideal result was reached. The design of testing process and application would have positive promotional value and comprehensive application prospects.

hydraulic metal structure；safety inspection；phased array ultrasonic testing（PAUT）；sectorial scan；complex geometry weld

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0055-05

2016-05-14

水利部綜合事業(yè)局拔尖人才培養(yǎng)專項資金研究項目

伍衛(wèi)平（1984-），男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事無損檢測及信號分析方面的工作。