李奎元  孔令昌  肖武华
    (广东省珠海市特种设备检验所，广东 珠海 519002)

    摘要：利用X射线检测、常规超声波检测和超声相控阵成像检测系统对一厚度为30mm的对接焊缝试块进行检测。并对三种检测方法的检测结果进行缺陷定位、定性、定量准确性分析与比较。分析结果表明，超声相控阵成像检测系统在缺陷定位、定性、定量的准确性上具有独特优势，且具有操作方便、检测快捷的特点。
    关键词：超声波检测；超声相控阵成像检测系统；扇形扫描；三角技术
    Abstract: Test a butt weld block of 30mm-thick by radiographic testing, ultrasonic testing and phased array ultrasonic flaw detector and recorder. Then analyse and compare the three testing results from flaw position, flaw type and flaw size. The analysis result shows that phased array ultrasonic flaw detector and recorder has unique advantage in the accuracy of flaw position, flaw type and flaw size. And the phased array ultrasonic flaw detector and recorder is more convennient for operation and more quick for testing.
    Key words: Ultrasonic testing; Phased array ultrasonic flaw detector and recorder; Sector scan; Delta technique
    本文首先利用X射线探伤机对特种设备检测中最典型的对接焊缝试块进行X射线底片照射，通过对底片进行观察和测量确定缺陷的长度、宽度和性质。然后利用常规超声波探伤仪对试块进行B级检测，以尝试确定缺陷的长度、深度、高度、性质以及当量。最后利用超声相控阵成像检测系统对试块进行扇形扫描和缺陷尖端分析。并对三种检测方法的检测结果进行分析和比较，以探求三种检测方法的优缺点。
    1．试验试块介绍
    本文中试验试块材质为20#钢，厚度为30mm，对接焊缝长度为297mm，采用手工焊接，坡口加工形式为X型，检测表面为粗磨表面，试块编号为JMHS-11390。试块外观如图1所示。

    2．射线检测分析
    本试验使用日本理学300EGS3型X射线探伤机对试块进行检测。胶片为AGFA。增感屏为铅箔增感屏，前、后屏厚度均为0.1mm。显影液为D19b型显影药液。焦距定为700mm，管电压定为230kV，曝光时间定为3min。冲洗后底片评定范围内的黑度为2.8，符合评定要求。底片及缺陷图像如图2所示。

    经观察分析，图2中所示条形缺陷1为夹渣，长度为34mm，宽度约为3mm，为体积型缺陷；缺陷2为未焊透，长度为19mm，宽度约为0.5mm，为面积型缺陷。
    3．常规超声波检测分析
    本试验使用德国KK公司USM 35X型超声波探伤仪对试块进行B级检测。检测探头使用汕头超声电子股份有限公司生产的2.5Z13×13K2型探头。缺陷1、缺陷2的扫查最高回波图形如图3、图4所示。

    图中Da为最高回波处深度；Ra为最高回波处与探头前沿之间的水平距离；Sa为最高回波处与入射点之间的声程；ha为最高回波处缺陷当量与Φ1×6孔的相对dB值。
    由图3、图4可见，缺陷1最高回波处深度为21.91mm，缺陷当量为Φ1×6+14.2dB。缺陷2最高回波处深度为18.78mm，缺陷当量为Φ1×6+13.8dB。
    参照《承压设备无损检测》（JB/T4730.3-2005）超声检测中5.1.7.5缺陷定量方法，采用端点6dB法测定缺陷指示长度。参照《承压设备无损检测》（JB/T4730.3-2005）超声检测附录K中6dB法测定缺陷自身高度。最终测得缺陷1指示长度为31mm，高度为3~5mm；缺陷2指示长度为23mm，高度为5~7mm【1】。由于本试验中较难依据缺陷的回波特征确定缺陷的性质，故常规超声波检测没有对缺陷1和缺陷2的性质进行判别。
    4．超声相控阵成像检测分析
    超声相控阵是按照一定的规则和时序激发一组探头晶片，通过调整激发晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等参数的超声波电子扫查方式。它有2个不同于常规超声波探头的特点：多晶片阵列和电子控制超声场特性。超声相控阵检测技术是一种特殊的超声检测技术，它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，并生成修正的材料内部结构图像【2】。
    本试验使用以色列ISONIC公司2009 UPA-Scope型超声相控阵成像检测系统对试块进行检测。所使用探头晶片数量为32个，晶片宽度为0.5mm，晶片排列方式为一维线性阵列，频率为5.0MHz，探头标记号为0110-5883。
    4.1．探头与楔块参数设置
    在2009 UPA-Scope型超声相控阵成像检测系统“选项模式”界面中点击“斜楔块检测”进入“探头与楔块参数”设置界面。参数设置后如图5所示。

    4.2．ISONIC脉冲信号调节
    在2009 UPA-Scope型超声相控阵成像检测系统“选项模式”界面中点击“专项高级检测”进入“专门设置模式”，界面如图6所示。在界面中点击“焊缝高级检测”后选择设置好的探头点击“下一步” 选择“扇形扫描”进入“ISONIC脉冲信号调节”界面。对各项参数进行设置，并利用CSK-ⅢA标准试块作出DAC曲线后界面如图7所示。

    4.3．焊缝参数设置
    在“ISONIC脉冲信号调节”界面中激活厚度修正，然后点击“I”按钮进入“焊缝参数”设置界面。参数设置后如图8所示。

    4.4．焊缝参数设置
    在“焊缝参数”设置界面中点击“下一步”进入“扇形扫描”界面。在探头前端与焊缝边沿距离25mm的位置平行移动探头进行扇形扫描。作出缺陷1、缺陷2的扇形扫描图形如图9、图10所示。

    在“扇形扫描”界面中点击“扫查”对试块焊缝进行整体扫查，得到C扫描图形如图11所示。在C扫描图形中，可以看到缺陷的俯视位置和侧视位置。通过测量可得到缺陷的指示长度和自身高度，将其与X射线检测结果和常规超声波检测结果相比较，三者之间偏差在4mm以内，测量结果较为可靠。

    4.5．缺陷尖端分析
    依据所得到的缺陷扇形扫描和C扫描图形，尚不能对缺陷的性质进行判别。为进一步对缺陷的性质进行分析，2009 UPA-Scope型超声相控阵成像检测系统提供了缺陷尖端分析功能软件。缺陷尖端分析是基于三角技术，三角技术是探头发出横波，同时分析接收到的横波以及衍射后波形转换生成的纵波。三角技术主要应用于评估缺陷的种类，如面积型缺陷（裂纹、未焊透）或体积型缺陷（气孔、夹渣等）。
    缺陷尖端分析步骤如下：（1）在“专门设置模式”界面中点击“缺陷尖端分析”进入分析界面。找到缺陷反射体的最高回波，调节增益使回波高度至80~100%A超屏幕高度；调节声程使回波位置至80%A超屏幕宽度；闸门A套住回波信号后保存当前设置；探头保持在最高横波回波的位置不动，点击“I”按钮进行第二步。（2）打开调取刚刚保存的设置文件；开启闸门B，关闭闸门A；激发模式设置为双晶，进入接收参数子菜单；在接收参数子菜单中，将声速设为试块的纵波声速，此时反射体的纵波反射信号出现在60%A超屏幕宽度的位置；调节增益使纵波高度至80~100%A超屏幕高度；闸门B套住纵波信号后保存当前设置；探头保持在最高横波回波的位置不动，点击“I”按钮进行第三步。（3）此时在横波、纵波的A超界面同时出现在界面中，横波、纵波的回波当量差值显示在下方的小窗口中。该数值为定量参数，KIs≥-20dB则为面积型缺陷，KIs≤-30dB则为体积型缺陷【3】。依照以上操作得到缺陷1、缺陷2的尖端分析图形如图12、图13所示。

    5．检测结果分析与比较
    本文对特种设备检测中最常见的对接焊缝试块进行了X射线检测、常规超声波检测和超声相控阵成像检测，并将试块在缺陷位置上线切割剖解以进行三种检测方法在缺陷定位、定性、定量准确性分析与比较，结合三种检测方法的检测效率和经济性，总结如下：
    （1）射线检测是将缺陷在平面上进行投影，对缺陷的长度、宽度定量最为准确，偏差在2mm以内，且可以准确地判别缺陷的类型，但无法确定缺陷在试块厚度方向上的位置和缺陷自身高度。射线检测成本最高，检测效率最低，且射线辐射对人体有伤害。
    （2）常规超声波检测通常采用一个压电晶片来产生超声波，只能产生一个固定的波束。其在缺陷的长度、宽度定量不如X射线检测准确。对缺陷在试块厚度方向上的定位和缺陷自身高度的测定较为准确，偏差在3mm以内。因无法得到缺陷的直观图像，定性困难，需要大量的实践、验证和总结，方能积累较为准确的判别经验。常规超声波检测成本最低，检测效率较高。
    （3）超声相控阵成像检测探头由多个小的压电晶片按照一定序列组成。可用计算机软件控制声束角度、聚焦距离和焦点尺寸；可用单个小型的电控多元探头在同一位置作多角度检测；可对复杂的几何形状进行检测，其机动、灵活性较大；配置机械夹具可对试件作高速、全面扫查【4】。超声相控阵成像检测得到的扇形扫描和C扫描图形中缺陷的指示长度与实际偏差在4mm以内，缺陷在试块厚度方向上的定位和缺陷自身高度的指示值与实际偏差在2mm以内。C扫描图形中缺陷的指示宽度与实际偏差较大。但通过缺陷尖端分析功能软件可判别缺陷为面积型缺陷或体积型缺陷。分析比较可见，超声相控阵成像检测在缺陷定位、定性、定量上具有独特优势。扫描图形中对缺陷在试块厚度方向上的定位、定量更为直观，准确性较为可靠，利用缺陷尖端分析功能判别缺陷性质快速、有效。超声相控阵成像检测设备投入较大，但检测成本低，且操作方便、检测快捷。
    参考文献
    【1】《承压设备无损检测》（JB/T4730-2005）
    【2】刘长福，张彦新等.超声波相控阵技术原理及特点[J].河北电力技术，2008年第27卷第3期
    【3】ISONIC 2009 UPA-Scope portable phased array ultrasonic flaw detector and recorder. Operating manual
    【4】李衍.钢焊缝相控阵超声波探伤新技术[J].无损探伤2002年第3期