直孔反射体在小径管超声相控阵检测中的应用

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(山东丰汇工程检测有限公司，济南 250200)

承压设备焊接接头超声波检测对比试块常采用横孔作为标准反射体，并利用一次波测定试块上不同深度的横孔制作距离-波幅曲线，以此确定检测灵敏度，从而进行焊接接头缺陷的测量和评定。但由于小径管(外径不大于100 mm)焊接接头曲率大，管壁对声波的散射作用明显，并且管壁较薄，常采用二、三次波对其进行检测，而使用一次波往往只能检测焊接接头根部。因此，采用横孔反射体制作的灵敏度曲线，不利于精确判定小径管焊接接头中的缺陷。鉴于上述问题，需要寻找一种更切合小径管检测的反射体来校准超声波检测仪器，从而提高检测精度。笔者直接在小径管管壁上钻取了垂直于管壁的直通孔，用超声相控阵检测仪对其进行了检测，发现该类反射体不仅加工方便，并存在上、下端点，检测时可还原声波在内、外管壁的反射特征，更接近于小径管超声检测的实际情况，有助于减小缺陷评定误差。

超声相控阵检测技术通过控制晶片阵列中各个晶片的延迟来激发和接收超声波，可以得到多角度的聚焦声束，进而得到一定角度范围的声束覆盖面[1]。与传统超声检测技术相比，相控阵技术在缺陷检出率、定量准确度和检测效率方面均具有显著的优越性[2]。笔者采用该技术对直孔反射体特征进行了研究，并与横孔反射体的波形特征进行对比，发现了直孔作为标准反射体在小径管超声相控阵检测领域的应用价值。

1 直孔反射体的声场模拟

直孔反射体垂直贯穿于管件表面，其上、下端点反射特征类似于端角反射。一次波倾斜入射至下端点时，声束在直孔圆柱面与管内壁形成的直角内产生端角反射，其一次波声场模拟示意及实测图像如图1所示；一次波经过内壁反射后倾斜入射至上端点时，即二次波在直孔圆柱面与管外壁形成的直角内产生端角反射，其二次波声场模拟示意及实测图像如图2所示。

图1 直孔反射体的一次波声场模拟示意及实测图像

图2 直孔反射体的二次波声场模拟示意及实测图像

由于直孔侧反射面为曲面，对声束存在一定的散射作用，因此得到的回波能量低于管件端部两垂直平面的端角反射能量。但由于超声相控阵检测声场为多晶片复合声场，与单阵元自发自收的回波信号相比，多声束合成后缺陷的回波信号更强，信噪比更好，能够更好地对缺陷进行判别[3]，其回波灵敏度完全满足检测要求。

2 试验设备与试验方法

2.1 试验设备

选用在小径管检测方面性能突出的以色列ISONIC2009型64通道相控阵超声检测仪；选用小径管检测专用的16晶片、自聚焦线阵探头，其型号为7.5S-16-0.5×10。

2.2 直孔试块

制作公称直径为64 mm，壁厚分别为4,6,8,10,12,16 mm的6根小径管管道，在每个管壁上各加工4个直径为2 mm的直孔(以免加工不当造成直孔倾斜或者孔径误差而导致检测数据不精确，检测数据去掉一个偏离较大值，然后取剩余3个数据的平均值作为该直孔的特征数据)，直孔试块外观如图3所示。

图3 直孔试块外观

2.3 试验方法

按标准JJF1338-2012《相控阵超声探伤仪校准规范》对仪器进行性能测试，确保各项指标符合要求，根据直孔试块规格设置相关参数，然后利用R50半圆试块进行角度增益修正。完成上述步骤之后，对直孔试块逐一进行反射体特征测试。

分别用一次波、二次波测试直孔试块的上、下端点，可得到两个不同深度反射体的回波能量数据，再对不同壁厚的直孔试块进行检测。全部检测完毕后，以波高均达到80%满屏时的增益作为纵坐标，以各波高对应的反射体深度为横坐标，绘制直孔反射体距离-波幅曲线，进行反射体特征研究。

3 试验结果与分析

图4 55°中心角度时直孔试块的原始距离-波幅曲线

超声相控阵检测扇形扫描时，实用的声束折射角度范围为35°～90°，但考虑到声束偏转角度过大时有效声波辐射口径会变小等实际问题，扇形扫描中角度范围上限要不大于75°[4]。因此先将扇扫角度范围设置为35°～75°，此时的中心角度为55°，以该角度对直孔试块进行检测，得到的距离-波幅曲线如图4所示。

对6个不同壁厚试块上的直孔进行检测，得到了6条距离-波幅曲线，每条曲线的第一点代表一次波数据，第二点代表二次波数据。由距离-波幅曲线可以看出，相同距离的一次波要比二次波波幅稍高。这是由于小径管内壁曲率对声波有一定的散射作用，造成二次波检测相同声程距离直孔端部时的能量减弱，这与理论相符。为了便于特征分析和数据对比，笔者将各数据点连接成该角度的距离-波幅曲线。当两个数据点的横坐标相同时，取一次波数据点进行连接便得到了55°中心角度时直孔的距离-波幅曲线，如图5所示。

图5 55°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线

由图5可以看出，55°中心角度时直孔距离-波幅曲线在距离16 mm之前，波幅先降低后升高，出现了波动，未呈现单一线性变化的特征，这对厚度小于16 mm规格的小径管缺陷的评判会产生不利影响，且4 mm与10 mm距离的波幅近似相同，因此不利于厚度小于10 mm小径管的相控阵检测。

对于超声波检测来说，一般斜探头K值(角度)可根据焊缝母材的厚度来选取。对于厚度较大的母材采用大K值，以避免近场区检测，提高定位、定量检测的精度；对于厚度较小的母材采用小K值，以便缩短声程、减小衰减、提高检测灵敏度[5]。所以，对于薄壁小径管超声相控阵检测来说也应提高相应的检测角度。为了研究直孔在小径管相控阵检测中的反射特点，需要增大中心角度继续进行测试，分析直孔反射体在其他角度中的反射特点。

将相控阵扇扫角度范围设置为55°～75°，此时声束中心角度为65°，重新进行上述步骤绘制距离-波幅曲线。65°中心角度时直孔试块的原始距离-波幅曲线如图6所示，65°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线如图7所示；然后，继续增大角度，将相控阵扇扫角度范围设置为65°～75°，此时声束中心角度为70°，绘制距离-波幅曲线，70°中心角度时直孔试块的原始距离-波幅曲线如图8所示，70°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线如图9所示。

图6 65°中心角度时直孔试块的原始距离-波幅曲线

图7 65°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线

图8 70°中心角度时直孔试块的原始距离-波幅曲线

图9 70°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线

由图7,9可以看出，提高声束中心角度后，曲线在前半部分的波动减小，并且65°和70°中心角度时直孔试块的距离-波幅曲线均在6 mm距离处出现波幅最大值，4 mm与6 mm距离处的波幅相差2～4 dB。因此，完全满足大于4 mm厚度的小径管焊接接头的超声相控阵检测要求。经过对55°，65°，70°三组中心角度时的距离-波幅曲线的分析可以看出，壁厚越小应该选择越大的相控阵声束中心角度。对于厚度大于10 mm的小径管，优先选用55°中心角度声束；对于4～10 mm厚度的小径管，则应选择65°～70°中心角度声束进行超声相控阵检测。

为了完善直孔反射体的特征研究，最后将直孔与现行横孔反射体的距离-波幅曲线进行直观对比。由上述试验可以看出，55°和65°中心角度声束最为常用，因此选取这两个中心角度进行距离-波幅曲线的对比。直孔试块管径为64 mm，反射体直径为2 mm，因此选用GS-2试块，在曲率半径为32 mm的圆弧面上，利用φ2 mm横孔制作距离-波幅曲线，然后保持该灵敏度不变去检测直孔试块，最后将直孔和横孔的距离-波幅曲线绘制在一起，图10为55°中心角度时直孔与横孔试块的距离-波幅曲线，图11为65°中心角度时直孔与横孔试块的距离-波幅曲线。

图10 55°中心角度时直孔与横孔试块的距离-波幅曲线

图11 65°中心角度时直孔与横孔试块的距离-波幅曲线

通过图10,11可以看出,直孔和横孔试块的曲线趋势基本相似，在65°中心角度的距离-波幅曲线中，横孔在4 mm距离处的波高稍低于5 mm处的波高，而直孔在近距离处的增势较明显。从相对应的幅值比较分析可知，直孔反射波幅均低于横孔反射波幅，并且在近距离处的波幅差异较大，而随着距离的增加，两者的差异逐渐减小。因此在小径管相控阵检测时，采用直孔进行距离-波幅曲线的制作，其检测灵敏度明显高于横孔的检测灵敏度，并且管壁越薄灵敏度增高得越多，管壁越厚灵敏度增高得越少，具有自补偿的特点。也就是说，对薄壁管的缺陷评判更严格一些，而对于厚壁管的缺陷评判相对宽松一些，该特点完全符合超声波检测对质量控制的理念。因此，使用设计的直孔反射体进行灵敏度曲线制作，将会提高小径管相控阵超声检测的精度，所得检测结果也将更加真实、有效。

4 结语

通过超声相控阵检测技术对小径管直孔反射体试块进行检测，发现其距离-波幅曲线有规律性，并且可真实还原声波在管壁内传播的规律和反射特点，解决了常规横孔试块无法对管壁散射进行补偿的问题。采用直孔作为反射体制作灵敏度曲线，可提高小径管超声相控阵检测的精度。使用不同声束角度对直孔反射体进行检测，可为小径管超声相控阵检测的角度优化选择提供理论支持。对于厚度小于10 mm的薄壁小径管超声相控阵检测，65°～70°的中心角度声束更有利于缺陷的检出和评判，厚壁小径管则可选择55°～60°的中心角度声束进行检测。通过直孔和横孔反射体距离-波幅曲线的对比可以看出，采用直孔灵敏度曲线对小径管进行超声相控阵检测，具有较高的检测灵敏度，并且管壁越薄灵敏度增高越多，从而达到严格控制薄壁管焊接质量的目的。

[1] 左延田，方雨，刘晴岩,等. 角焊缝裂纹类缺陷相控阵超声检测工艺[J].无损检测，2016, 38 (6) : 6-9.

[2] 张侃，杨力，王学权,等. 超声相控阵技术的发展及其在核工程无损检测中的应用[J]. 无损检测，2017, 39 (5) : 42-48.

[3] 杨天雪. 多信息超声相控阵缺陷检测[J]. 无损检测，2017, 39 (5) : 49-52.

[4] 蒋学平，王鹏，郑辉，等. 相控阵超声检测扇形扫描角度范围[J]. 无损检测，2015, 37 (11) : 10-12.

[5] 郑晖，林树青. 超声检测[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2008: 280.