超聲相控陣檢測用試塊及其應用

丁 兵，金 磊

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000)

超聲相控陣檢測用試塊及其應用

丁 兵1，金 磊2

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，煙臺 264000)

介紹了超聲相控陣檢測用的校準試塊、參考試塊和模擬試塊，國內(nèi)外相關標準及規(guī)范對相控陣檢測所用試塊的不同要求以及各試塊的基本特點和主要功能,以為同行提供參考。

相控陣；試塊；校準；反射體

超聲相控陣技術起源于醫(yī)學超聲，至今已有40多年的發(fā)展歷史。最初，由于系統(tǒng)的復雜性、固體中波動傳播的復雜性及成本費用高等原因，其在工業(yè)無損檢測中的應用受到限制。然而，隨著電子技術和計算機技術的不斷革新，超聲相控陣技術開始逐漸應用于工業(yè)無損檢測領域。近年來，得益于數(shù)字電子和數(shù)字信號處理(DSP)技術的推陳出新，超聲相控陣技術在工業(yè)領域的應用發(fā)展尤為迅速。正如常規(guī)超聲檢測需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測也需要各種類型的試塊，其主要包括校準試塊、參考試塊和模擬試塊等。

筆者介紹了超聲相控陣檢測用的校準試塊、參考試塊和模擬試塊，國內(nèi)外相關標準及規(guī)范對相控陣檢測所用試塊的不同要求以及各試塊的基本特點和主要功能,以為同行提供參考。

1 方法論述

1.1 超聲相控陣檢測基本原理 超聲相控陣檢測技術使用不同形狀的多陣元換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的延遲時間，改變聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點的相位關系，來實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，從而實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦;然后,采用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現(xiàn)圖像成像。目前使用最多的是一維線形陣列探頭，其壓電晶片沿直線排列，聚焦聲場為片狀，能夠得到缺欠的二維圖像，在工業(yè)中得到了廣泛應用。

超聲相控陣檢測分類主要有：線性掃查、扇形掃查、深度聚焦等。① 線性掃查：在不同的時間激發(fā)不同的晶片組。對不同的晶片組而言，聚焦法則相同，高頻電脈沖多路傳輸從而形成電子掃查。② 扇形掃查：通過探頭的波束偏轉來控制。使用相同的晶片組，組內(nèi)不同晶片激發(fā)的時間不同，從而產(chǎn)生不同角度的波束偏轉。③ 波束聚焦：需要采用對稱的聚焦法則，聚焦只能在近場，如果焦距選擇大于近場長度，將無聚焦效果。

1.2 試塊分類

為了保證檢測結果的準確性、再現(xiàn)性和重復性，與一般的測量過程一樣，需要用一個具有已知固定特性的試樣或試塊對檢測系統(tǒng)進行校準。

試塊和設備、探頭一樣，是超聲檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，其按一定用途設計并包含了具有簡單幾何形狀的人工反射體。

超聲檢測用試塊通常分為標準試塊(校準試塊)，對比試塊(參考試塊)和模擬試塊(演示試塊)。

標準試塊是指具有規(guī)定的化學成分、表面粗糙度、熱處理及幾何形狀的材料塊。其主要用于檢測系統(tǒng)性能的校準和評定。

參考試塊是指與被檢工件聲學性能相同或相似，含有意義明確參考反射體的試塊。其主要用于檢測系統(tǒng)的幅度和(或)時間分度的調(diào)節(jié)，以將檢出的不連續(xù)信號與已知反射體所產(chǎn)生的信號相比較。

模擬試塊是指材料、熱處理工藝以及加工工藝與被檢工件基本相同，含有加工工藝產(chǎn)生的特定缺欠的試塊。其主要用于評價檢測工藝的有效性和檢測結果的可靠性。

1.3 試塊基本要求 標準試塊由權威機構制定，包括國際組織和國家相關機構。標準試塊具有規(guī)定的材料、形式、表面狀態(tài)、幾何形狀與尺寸，具體要求由權威機構統(tǒng)一規(guī)定或相關標準界定。試塊的平行度、垂直度、光潔度和尺寸精度都要符合一定的要求。標準試塊主要用于校準超聲波檢測設備，評定設備、探頭及其組合性能，也可用于調(diào)節(jié)儀器的參數(shù)，如檢測靈敏度和檢測范圍。

對比試塊是由有關部門按照具體的檢測對象以特定方法檢測時規(guī)定所用的試塊。對比試塊應選取與被檢材料相同或相近的材料制備。對比試塊制作所用材料的透聲性、聲速和聲阻抗應與受檢工件相同或相近。不銹鋼、鎳基合金或鈷基合金等一般應采用與被檢工件相同的材料制作；鈦合金擠壓件應采用與受檢工件材料相近的擠壓件制作。制作對比試塊前，用于制作試塊的坯料材料應先進行超聲波檢測，試塊材質(zhì)應均勻，內(nèi)部雜質(zhì)少，其內(nèi)部不得含有影響試塊正常使用的缺欠。對比試塊參考反射體的類型、尺寸和分布，應根據(jù)工件中可能缺欠的種類和位置，以及靈敏度設置需求來設計。對比試塊的主要用途是調(diào)節(jié)儀器的參數(shù)、繪制距離-波幅曲線及通過所檢出的不連續(xù)信號與已知反射體所產(chǎn)生的信號相比較來評定缺欠。

模擬試塊材料、尺寸及加工方法與被檢工件相同，含有加工過程的特定缺欠或在以往檢測過程中發(fā)現(xiàn)的存在自然缺欠的工件。模擬試塊一般用于檢測方法的研究，無損檢測人員技能培訓和考核，驗證檢測系統(tǒng)的檢測能力和檢測工藝的演示及有效性評價。

1.4 ISO標準試塊 ISO 2400:2012《無損檢測 超聲檢測 1號校準試塊 》標準規(guī)定了超聲檢測1號校準試塊(國際焊接學會IIW試塊)，形狀及尺寸如圖1所示。ISO 19675:2017《無損檢測 超聲檢測 相控陣(PAUT)校準試塊》標準規(guī)定了超聲相控陣檢測(PAUT)校準試塊，形狀及尺寸如圖2所示。兩種試塊的應用對比見表1。超聲相控陣檢測校準試塊的附加功能見表2。

圖1 超聲檢測1號校準試塊尺寸

圖2 超聲相控陣檢測校準試塊尺寸

1.5 ISO參考試塊

表1 超聲相控陣檢測校準試塊與超聲檢測1號校準試塊的應用對比

表2 超聲相控陣檢測校準試塊的附加功能

ISO 13588：2012《焊縫無損檢測 超聲檢測自動相控陣技術的應用》中規(guī)定了不同的檢驗等級使用不同的參考試塊。檢測等級A級、B級和C級分別對應使用參考試塊A、參考試塊B和參考試塊C。參考試塊的作用包括檢測范圍和靈敏度(TCG)設置、程序的演示及有效性評定。對于板厚介于6～25 mm之間的試塊，至少需要3個反射體。對于板厚大于25 mm的試塊，至少需要5個反射體。典型的反射體包括橫通孔，刻槽和平底孔。

參考試塊A有3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫通孔，如圖3所示。

圖3 參考試塊A結構示意

圖4 參考試塊B結構示意

圖5 參考試塊C結構示意

參考試塊B有：① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫孔；② 表面槽；③ 表面下4 mm有一個直徑2 mm長度30 mm的橫孔，如圖4所示。

參考試塊C有：① 3個不同長度的同一直徑(與板厚相關)的橫孔；② 表面槽：2個近表面槽(槽1和槽2)，2個遠表面槽(槽3和槽4)，模擬焊縫坡口成像的槽5，如果規(guī)范有要求，還應有槽6和槽7兩個表面橫向槽；③ 表面下4 mm有一個直徑2 mm長度30 mm的橫孔，如圖5所示。

檢測等級D級除了B級和C級試塊的要求外，還要求增加反射體。同時要求使用同等母材、按照同樣焊接布局、焊接材料和焊接方法制作特定的試塊。

1.6 GB/T 32563中試塊

GB/T 32563《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》中包括兩類試塊：校準試塊和模擬試塊。校準試塊(CSK-IA、CSK-IIA、CSK-IIIA或功能類似試塊)用于聲速、楔塊延時、ACG、TCG的校準，也可用于靈敏度校準。當用于靈敏度校準時，推薦采用CSK-IIA試塊。模擬試塊用于檢測靈敏度校準，驗證檢測工藝的有效性。模擬試塊應與實際工件相近和相似，在檢測區(qū)域設置直徑2 mm、長度40 mm的橫孔以及其他機械加工的模擬缺欠和焊接自然缺欠。在附件B中，該標準給出了用于定位精度測試的試塊。

1.7 ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第五卷試塊及規(guī)范案例演示試塊要求

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第五卷：無損檢測》中的第四章主要講焊縫超聲檢測方法。其中提到兩類試塊：校準試塊和模擬演示試塊。校準試塊相當于前文所提到的參考試塊，主要用于設備線性、檢測范圍和靈敏度設置和驗證。在規(guī)范第五卷第四章強制性附錄Ⅸ中詳細規(guī)定了演示試塊的制作要求。包括材質(zhì)、厚度范圍、焊接接頭形式以及反射體種類、數(shù)量和尺寸的要求，并要求根據(jù)編制的超聲檢測程序要求對缺欠進行分類和定量。

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2235)和《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2816)闡述了使用超聲檢測代替射線檢測時的要求，其中規(guī)范案例2816適用于13 mm>厚度≥6 mm焊縫檢測，規(guī)范案例2235適用于厚度≥13 mm的焊縫檢測。演示試塊應該通過熱等靜壓方式處理和焊接。與其他標準不同，規(guī)范案例關注缺欠的高度以及缺欠高度與板厚的比值，并由此比值確定相應的可接受缺欠長度。規(guī)范案例并未指定反射體的類型，只是對缺欠尺寸有要求。規(guī)范案例沒有給出具體的定量方法，要求在檢測程序中做出規(guī)定，并按照此規(guī)定演示定量方法。用演示試板演示時，需要證實檢測覆蓋包括了整個焊縫體積和熱影響區(qū)或案例中指定的寬度范圍，另一目的是為了驗證檢測靈敏度和缺欠的發(fā)現(xiàn)和定量。

規(guī)范案例2816演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內(nèi)外表面各一個，一個內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行，表3給出了演示試塊缺欠類型和尺寸的要求。如果試塊可以翻轉，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。對于介于6～13 mm的板厚，可以用線性插值法計算缺欠尺寸。

表3 焊縫厚度6～13 mm的演示試板缺欠尺寸

規(guī)范案例2235演示試塊要求有焊縫且至少有三個缺欠，內(nèi)外表面各一個，一個內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉，則只需要一個表面缺欠和一個埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。該案例按照不同壁厚范圍(13～25 mm,25～300 mm以及大于300 mm)，給出了不同的演示試塊缺欠尺寸要求，見表4～表6。

表4 焊縫厚度13～25 mm的演示試塊缺欠尺寸

表5 焊縫厚度25～300 mm的演示試塊缺欠尺寸

注：焊縫厚度介于64～100 mm的可用插值計算。

表6 焊縫厚度大于300 mm的演示試塊缺欠尺寸

1.8 ASTM校準試塊

ASTM E 2491-2013《評估相控陣超聲波檢驗儀器和系統(tǒng)性能特性的標準指南》并未給出設備和系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，只是提供了評估的方法建議，具體性能要求由參與方共同決定。

在附錄中，列舉了一些性能的測試方法。

(1) 相控陣波束輪廓。第一塊試塊用橫孔測試相控陣探頭主動軸方向的波束輪廓，第二塊試塊使用階梯狀試塊上的豎孔并用編碼器監(jiān)測行走距離來測試被動軸方向的波束輪廓，如圖6所示。

圖6 相控陣波束輪廓評估示意

(2) 相控陣波束偏轉能力評估。波束偏轉能力評估包括兩方面的評估:固定聲程波束偏轉能力評估和單平面波束偏轉能力評估。固定聲程波束偏轉能力評估選用如圖7(a)所示的試塊，單平面波束偏轉能力評估選用如圖7(b)所示的試塊。

(3) 相控陣晶片活性評估。使用來自ⅡW試塊的25 mm反射評估晶片活性。

(4) 相控陣聚焦能力評估。使用圖6(a)所示的試塊評估聚焦算法的有效性，以確定工作有效范圍。

(5) 相控陣參數(shù)的計算機控制和數(shù)據(jù)顯示評估。使用圖7(a)所示的試塊，設置兩組聚焦法則，比較實際深度和角度的差別。

(6) 相控陣楔塊衰減和延遲補償。使用ⅡW試塊100 mm圓弧面補償楔塊延遲。使用ⅡW試塊100 mm圓弧面或者φ3 mm橫孔進行楔塊衰減補償。

圖7 相控陣波束偏轉能力評估

(7) 相控陣設備線性評估。使用圖8所示的相控陣設備線性試塊評估屏高線性。使用ⅡW試塊25 mm厚度評估波幅控制線性。使用ⅡW試塊25 mm厚度評估時基線性。

圖8 相控陣設備線性試塊

2 結語

超聲相控陣檢測試塊作為檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，對檢測結果的準確性和重復性有很大影響。試塊制作應符合相應標準或規(guī)范的要求，應明確試塊上反射體的具體意義和使用方式。只有依托這些試塊，正確使用這些試塊，并進行合理的相控陣檢測設置，保證相控陣檢測的有效實施，才能得到可靠的檢測結果。

Phased Array Ultrasonic Testing Blocks and their Applications

DING Bing1, JIN Lei2

(1.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute , Shanghai 200032, China; 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Limited, Yantai 264000, China)

This article aims to introduce blocks for PAUT,including calibration block, reference block and demonstration block.It describes the requirements for those blocks based on international and national standards,also introduces their features and main functions. The introduction can provide reference for peers

PAUT; block; calibration; reflector

2017-06-20

丁 兵(1973-),男，高級工程師，從事無損檢測科研、培訓和工程檢測

丁 兵，justin-ndt@sohu.com

10.11973/wsjc201708014

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0057-05