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摘要： 本文着重将手工相控阵检测技术引入到双相钢管线焊缝检验的应用中去，针对管线特定的壁厚和坡口形式提出了全新的相控阵（PAUT）检测参数设置，并在ESBTOOL模拟仿真软件中进行了声束模拟，确保焊缝两侧的相控阵探头发出的超声波能够覆盖整道焊缝。相控阵检测波术（PAUT）已是世界上一项成熟的检验技术，而校准试块是PAUT检验正确的重要保障。实验结果表明，PAUT技术检出率为100%，测长定量准确率高，能够成功运用于双相钢管线焊缝的检测中。
关键字：双相钢 手工相控阵测长 缺陷检出率
荔湾3-1项目建造的压缩机模块位于中国南海，工作处于高腐蚀性的海洋环境中，工艺管线多采用双相钢材料。双相钢材料具有奥氏体和铁素体的双相组织，而且单相含量一般大于30%，它兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，塑形、韧性好；强度高和抗腐蚀能力强。荔湾3-1项目采用的双相钢管线管径大，最大750mm，壁厚厚达23mm。因为双相钢材料的特点，焊缝区及其邻近区域晶粒较粗大，声波能力量衰减严重，信噪比差，干扰严重，因此，常规超声波不合适检验双相钢管焊缝检验。如采用射线检验，须在隔离条件下进行，荔湾3-1项目因为工期紧张，存在24小时作业，辐射安全压力大；而且对于现场施工阶段，采用双璧单影法检测23mm壁厚材料，射线检验难以穿透，检验效率低。
相控阵超声检测技术是传统超声检测的延伸应用，其探头是采用集成多个晶片的阵列模式，通过聚焦法则来对某一组晶片采取一定的激发延时，来实现声波的移动、偏转和聚焦。基于相控阵检测技术的优势，本文开展了双相钢管焊焊缝相控阵检测技术的研究。
1 基本原理
超声波相控阵技术是对传统的单晶片超声检测的特殊应用。严格来说，它的思想来源于“惠更斯理论”。“惠更斯原理”的定义为：行进的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，因此，如果知道了任意时刻一个波阵面得位置，就可以绘出下一时刻波阵面的位置。波阵面是由很多晶片激发的小波阵面叠加而成。但事实上仍需考虑主波的波阵面，以便使用其他超声处理手段，如仍在单晶片超声系统中考虑近场区计算、焦点计算和发散性那样计算。
对相控阵探头，对具有相同伸展形变的压电材料施加相同的电压。但探头面不是一个单一的晶片，而是由多个小晶片组成。所有晶片由相同类型的连接导线连接，并且所用晶片安装到同一背衬之上。当所有晶片被相同电压激发，所有晶片以一致的形变伸展，其效果等同于激励同一尺寸的单一晶片。图1示意了多晶片结构的相控阵探头，多个晶片在同一时刻由施加电压进行激发，由于晶片的尺寸小，每一个独立的晶片发射出超声波，形成自己曲面型的波阵面，但当所有晶片在同一时刻被激发，其效果是形成了一个大的波阵面，这个波阵面得尺寸和特性与和该相控阵探头多个晶片合并形成的尺寸相同的单晶片探头所发出的波阵面相同。
图4 相控阵探头接收示意图
1.2 相控阵扫查方式
相控阵的聚焦法则可十分复杂，可以几个组合在一起使用完成电子扫描，电子扫描选项有：线性扫描、扇形扫描和动态深度聚焦。如图5
图5 相控阵的扫查方式
线性扫查：即阵列重复使用相同的聚焦法则。
扇形扫查：即采用了相同的晶元，但聚集法则发生变化。
动态深度聚焦：发射器和接收器的聚焦法则都可以发生改变，可优化在特定深度方向上的聚集。
把这些扫查方式与自动扫查器相结合的方法，就可以通过在指定的路径上移动相控阵探头，对被检测工件的整个体积进行检测。
2 实验条件
2.1 实验材料和设备
为了进一步验证PAUT在双相钢材料的检测能力，特选定专门加工使用的PAUT校准试块来进行手动PAUT检测，如手动PAUT能够发现PAUT校准试块上的所有缺陷，则证明手动PAUT技术能够成功应用于双相钢管焊缝的检测。
本次实验采用的手动PAUT设备是OLYMPUS 公司的Omniscan MX 16:128，其自带软件为MXI -2.0R5,探头为DMA探头一对。 PAUT校准试块采用的VI试块，也即国内的船形试块。做TCG曲线只要选择三个以上不同深度的平底孔即可，并且TCG曲线至少覆盖双相钢焊缝壁厚的2.2倍。编码器采用的是欧宁公司生产的分辨率为23.5的leepipe ms-05型号编码器。耦合剂选用水，另外在配备一台能够运行Tomoview version 2.7R9软件或更高版本软件的笔记本电脑。
本次试验检测所用试块管径为12“，壁厚为12.7，模拟V型坡口的材料为S31803的PAUT校准试块。设计了沿校准试块圆周方向上，下游对称各8个缺陷，中间位置再加一个通槽共17个人工缺陷， 实物图如下图。具体人工缺陷的位置，深度和长度如下表1：
注：1-8号为试块设计的上游人工缺陷，10-17为试块设计的下游人工缺陷。
2.2 实验装置和方法
采用焊缝双侧两PA探头非平行扫查技术，扫查角度设置为400-700。当在校准试块校准好声速，楔块延迟，灵敏度后，再做好深度至少大于2.2倍板厚的TCG曲线。在笔记本上使用ESBTOOL软件模拟调整OMINISCAN设置参数确保PAUT角度范围能够完全覆盖整道焊缝及其热影响区。根据模拟计算出来的步进偏移，在每道焊口上画好行走参考线，并使两PAUT探头中心恰好位于焊缝中心线上，手动扫查焊缝一周,如图6。通过网线把扫查数据传输到笔记本电脑上，在TOMOVIEW软件上分别打开SKEW90和SKEW 270焊缝两侧PA探头的A SCAN, S SCAN ,SIDE B SCAN三视图，并做适当的平滑处理。最后在SIDE B视图上拖动数据参考指针结合双侧的三视图的图像变化对AUT校准试块的人工缺陷进行判别分析，得到最后的检测结果。
注：盖帽槽和通槽无深度，平底孔长度很小，本次试验未进行检测对比。
从表2手动PAUT检测出来的结果与PAUT校准试块实际人工缺陷数据对比不难发现：手动PAUT对试块上所有的17个缺陷的检出率为100%。从表中可看出：PAUT测出的人工缺陷的起始位置平均误差9.4mm，槽长度平均误差1.5mm，深度平均误差0.7mm。长度和深度误差都很小，稍有不足之处就是人工缺陷位置误差偏大，大概为1cm。这很有可能是由于编码器校准不是百分百精确，导致在扫查过程中，编码器记录的行程长度稍有点误差，这微小的缺陷的起始误差可忽略不计，完全能够满足应用于双相钢管焊缝检验的要求。为进一步说明本次实验的真实可靠性，手动PAUT双侧扫查的三视图如下图7，由于各扫查图数据量庞大，各个人工缺陷的缺陷图本文暂不列出。
图7 PAUT焊缝扫查双侧三视图
3 结论
通过PAUT校准试块验证和现场应用证明，基于DMA探头的检测工艺能够有效应用双相钢管焊缝的检验，随着计算机技术的高速发展，解决了传统检测方法和工艺的不足。相控阵检测技术在检验双相钢焊缝之前都要使用PAUT校准试块来进行校准，如能发现试块上的所有人工缺陷，则说明已经调好检测灵敏度和其他系统设置，之后才能得到正确的检验结果。
为充分说明这项技术能够成功应用在双相钢管焊缝的无损检测，本文所有的实验数据都是基于荔湾3-1项目双相钢管线，试验数据表明，相控阵检测技术对校准试块的各人工缺陷的检测率达到100%，测长和测深的精度很高，但是由于本文的试验规格主要为管径范围12寸-18寸，壁厚9.56mm-23mm，如超出本试验范围规格，还需要调整工艺和进行试验验证；另外，对于双相钢管焊缝，不同的焊接方法和工艺也将影响检测结果。
4 参考文献
[1]E.Ginzel.Manual & Encoded Phased Array Rev3.0. 2008 ,NDT 44,3-6.
论文作者:全红雷,李景福,夏美玉,杨双羊,张海龙
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/20
标签：相控阵论文; 晶片论文; 缺陷论文; 钢管论文; 误差论文; 深度论文; 检测技术论文; 《防护工程》2017年第20期论文;