加楔块相控阵S扫描检测影响因素研究

齐向前，孙政委，安广山

(中海油安全技术服务有限公司，天津300384)

加楔块相控阵S扫描检测影响因素研究

齐向前，孙政委，安广山

(中海油安全技术服务有限公司，天津300384)

为了提高相控阵加楔块S扫描检测结果的分辨力，针对相控阵探头激发孔径选择、角度偏转范围设定、聚焦深度设置、对比试块选取等因素对相控阵加装楔块S扫描检测结果的影响进行了试验研究。结果表明，随着检测深度的增加，角度偏转范围降低，检测中的实际偏转角度应根据试验确定；为提高检测结果分辨力，应尽量对相控阵探头晶片全激发，且聚焦深度选取应根据工件中近场区的计算确定。

无损检测；相控阵；激发孔径；角度偏转；聚焦深度

相控阵检测可采用线扫描、S扫描等多种扫查方式，且具备A、S、D、C等图像显示模式，相对于常规超声检测具有明显的检测优势，尤其是相控阵的S扫描，对焊缝一次扫查可实现多个角度的声束覆盖，在工艺设定合理的情况下，使检测效率及缺陷的检出率大大提高。与常规超声检测类似，为更好地对缺陷进行定位定量，相控阵也需要在试块上完成声速、楔块延迟、TCG(时间校准增益)等校准工作。TCG调节过程中受偏转角度、激发孔径、试块及人员等各种因素的影响，同时仪器聚焦深度的选择也会影响检测结果的分辨力。本研究主要通过试验分析了上述几种客观因素对检测结果的影响，以便于指导现场检测的实施。

1 试验方法

1.1 仪器及试块选择

试验装置使用PHASCAN 32/128便携式超声相控阵检测仪，利用PHASCAN离线分析软件分析数据。探头采用5L32-0.6×15线阵探头，主频5MHz，32个晶片，晶片间距为0.6mm，晶片长度为15mm；楔块选用SB10-N55S，钢中折射角为55°，厂家推荐 S扫描角度 40°～70°，因为国内相控阵标准尚未颁布，TCG调节采用的对比试块为NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》规定的CSK-ⅡA-1、CSK-ⅡA-2试块。

1.2 试验方法

将偏转角度设置为厂家楔块推荐值40°～70°，激发晶片数量分别选取8、16和32，依次对深度为10～90mm的横通孔制作TCG曲线，通过相控阵内部电子增益的方式使不同深度、相同反射体当量的回波高度达到满屏的80％，然后分别对不同深度的横通孔进行测试，看是否在设定的角度偏转范围内达到规定的波高[1]。

偏转角度设置为40°～70°，晶片激发数量分别为8和32，在聚焦深度分别为10mm和30mm下，对深度为10mm和30mm的横通孔进行检测，用ASME规定的测定反射信号-6dB声束宽度来表征系统的横向分辨力[2]。

2 试验结果

不同激发孔径下TCG校准结果见表1。表1中“/”表示在该深度下角度偏转范围开始变小(见32晶片测试结果)，可见，随着激发晶片数量的增加，TCG可调节的检测深度范围增加。

表1 不同激发孔径下的偏转极限(80％FSH)

相同偏转角度下(40°～70°)、不同激发晶片、不同聚焦深度下，深度为10mm和30mm横通孔的S扫描结果及分辨力测量值如图1所示。由图1可见，当测量深度在30mm以内时，选择32晶片激发，深度聚焦设置为30mm具有最佳的信噪比和检测分辨力。

图1 40°～70°偏转角度下、不同激发晶片、不同聚焦深度下深度为10mm和30mm横通孔的S扫描结果及分辨力

3 试验结果分析与讨论

ASME—2010及ASTM E2491均介绍了相控阵探头偏转极限的测试方法，两种方法原理相似，即将探头孔径中心置于50mm圆弧中心，对沿圆弧一定间隔角度分布的Φ2mm通孔进行S扫描成像(见图2)，规定两相邻孔间最高信号与最低信号差为6dB(也可规定其他数值)为可分辨，找出可分辨角度范围即为探头的偏转极限，该方法仅代表了某声程处、某种聚焦法则下特定的偏转角度，厂家的楔块标称偏转极限也应是在某种条件下特定的测试结果[3]。

图2 ASME及ASTM规定声束偏转示测试意图

当偏转角设置为40°～70°，激发8晶片进行TCG调节时，由于激发孔径较小，探头的发射能量较低，对30mm深孔进行大角度(60°～70°)TCG校准时，由于超声波衰减严重导致不能进行校准，为避免此现象，必须对初始偏转角度进行重新设置，当晶片数量增大时，探头发射能量提高，大角度TCG校准超声波衰减减弱，角度偏转范围增大，检测深度也随之增大，但在一定数量的激发晶片情况下，其适宜进行TCG校准的偏转角度和检测深度只能通过试验确定，对某一厚度工件进行加楔块S扫描检测时，晶片数量选取全激发能够取得好的检测效果[4]。

由于相控阵只能在近场区域进行聚焦，相控阵探头在加装楔块后的近场区计算公式[5]为

式中：Neff—近场长度；

k矩形—近场长度修正系数；

L—探头长度；

β—声束折射角；

α—声束入射角；

L斜楔—楔块中声程；

v试件—试件声速；

v斜楔—楔块声速。

依据公式(1)，不同晶片数和不同折射角的探头近场区计算结果见表2。由表2可见，当激发8晶片时，工件中近场区长度均为0，声束不能聚焦，导致分辨力非常低；激发32晶片，60°折射角近场区长度可达到30mm，聚焦深度可设置为30mm，此时10mm深度孔的分辨力相对于聚焦10mm基本相当，主要原因为两种聚焦深度下10mm深孔均为大折射角检测(接近70°)，此时近场区接近为0，不能实现聚焦，后者较好的原因可能是受聚焦深度为30mm的焦柱长度影响造成的[6-7]。

表2 带有楔块的相控阵探头在工件中的近场区

TCG校准60mm深横通孔声束路径和仿真声束路径如图3和图4所示。在TCG调节过程中，还应注意对比试块的选取，如用CSK-IIA2标准试块对深60mm横通孔进行TCG校准，当小角度扫描到深60mm横通孔时，观察S扫显示会发现同等深度区域内大角度处存在一个反射能量很高的回波(见图3)，导致TCG不能有效校准。用声束仿真软件进行仿真表明，该回波主要由端部斜面反射造成(见图4)，因此在TCG校准过程中，应选择合理的对比试块，避免对检测结果造成影响[8-10]。

图3 TCG校准60mm深横通孔声束路径示意图

图4 TCG校准60mm深横通孔仿真声束路径示意图

4 结 论

(1)楔块上厂家标明的偏转角度仅是在某一条件下测定结果，实际TCG校准过程中，偏转角度范围随深度增加逐渐减小，为获得一定深度范围内较大的偏转角度，应尽量对晶片进行全激发，在制作横波S扫描检测工艺时，应先通过试验确定TCG校准扫描角度范围，再依据扫描角度范围制定声束对工件的覆盖工艺。

(2)激发8晶片和16晶片进行加楔块S扫描检测时，近场区在工件中为0或很小，导致不能实现声束聚焦或聚焦范围太小，分辨力差；激发32晶片，聚焦深度在30mm可获得最佳的检测分辨力。实际检测过程中聚焦深度的选取应通过工件中近场区的计算确定。

(3)TCG调节过程中对比试块选取时应注意是否有干扰信号影响TCG的校准。

[1]ASTM E 2491—2006，Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-array Ultrasonic Testing Instrucments and Systems[S].

[2]ASME：2010，Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-array Ultrasonic Testing Instruments and Systems[S].

[3]栾保华，徐德政，张晓芹，等.超声相控阵角度偏转能力的仿真测试与分析[J].能源技术与管理，2016(1)：171-173.

[4]强天鹏，孙忠波，肖雄，等.超声相控阵角度偏转极限测试方法探讨[J].无损检测，2012(6)：21-24，61.

[5]刘晓睿，强天鹏，邬冠华.加楔块超声相控阵的聚焦特性测试[J].无损检测，2012(11)：32-36.

[6]孙忠波，强天鹏.超声相控阵系统的聚焦特性研究[J].无损检测，2012(10)：23-27.

[7]刘晓睿，强天鹏，邬冠华，等.无楔块条件下超声相控阵的聚焦特性测试[J].无损检测，2012(3)：38-41.

[8]杨平华，林莉，刘春伟，等.相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析[J].仪器仪表学报，2011(6)：1384-1389.

[9]杨平华.相控阵超声检测关键参数优化研究[D].大连：大连理工大学，2011.

[10]李国伟，陈琦，陈亚珠.高强度聚焦超声相控阵列的优化设计方法[J].上海交通大学学报，2002，36(7)：949-952.

Study on Influence Factors of Phased Array Adding Wedge S-scanning Detection

QI Xiangqian，SUN Zhengwei，AN Guangshan
(CNOOC Safty Technology Services Co.,Ltd.,Tianjin 300384，China)

In order to increase the resolution of phased array adding wedge S-scanning detection results，it studied the influence on phased array adding wedge S-scanning from phased array probe excitation aperture selection，angle deflection range setting，focus depth setting，reference block selection and others.The results indicated that，with detection depth increasing，the angle deflection range reduced，the actual deflection angle should be determined according to the test.In order to improve the detection result resolution，should as far as possible to excite the phased array probe wafer，and the focus depth should be determined in accordance with near field zone of workpiece.

nondestructive testing;phased array;excitation aperture;angle deflection;focus depth

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.007

齐向前(1978—)，男，高级工程师，主要从事金属材料及无损检测技术的研究。

2016-06-08

谢淑霞