楔块磨损对相控阵超声检测结果的影响

朱 琪 ，孙 磊 ，庞 兵

(1.安徽津利能源科技发展有限责任公司,安徽 合肥 230000；2.中国能建工程研究院相控阵检测技术应用研究所,安徽 合肥 230000)

在工业无损检测中,通常将一维线性换能器安装在一定角度的斜楔块上形成斜探头,从而进行相控阵超声检测,而楔块主要影响的是声束角度和声程,不同角度的楔块对探头角度的覆盖范围和实际焦点深度的影响也是不同的。安装斜楔块后的相控阵探头,大部分近场区都在楔块内,工件内的近场区较小。由于声场只能在近场区内才能有效地聚焦,致使工件内的聚焦能力变差。一般来说,小角度有较好的聚焦能力,而且激发晶片束越大,聚焦能力也越强。设置角度越接近楔块的主声束角度,声束越均匀,分辨率越好。

实际检测中,斜楔块的使用大大提高了探头的使用寿命,但是检测数量越多,斜楔块的磨损也越厉害,检测人员的习惯和工件表面状态对楔块磨损程度也有不同的影响(见图1),楔块磨损改变了斜楔块的物理角度,从而影响声束的偏转和聚焦。本文通过不同磨损程度的楔块对比检测试验,探究楔块磨损对缺陷定位和定量的影响,结合《火力发电厂焊接接头相控阵超声检测技术规程》(DL/T1718－2017),给出楔块磨损的有效范围。

图1 楔块磨损示意图

1 楔块角度的测定

1.1 试验背景

根据斯涅耳定律：

式中 ：θi为楔块中的声束的入射角 (°)；cw为楔

块中的声速(mm/s)；θr为楔块中的声束的

折射角 (°)；cs为工件中的横波声速 (mm/s)。

当楔块和工件的声速一定时,楔块的角度发生改变时,楔块－工件内的折射角也随之发生改变。试验开始之前收集了若干不同磨损程度的弧度为φ57、φ38、φ44.5、φ48的相控阵楔块,见图2。

图2 楔块

本次试验使用的是M2M相控阵超声波探伤仪(型号GEKKO)以及Isonic2009相控阵仪进行检测试验数据采集和分析,工艺相控阵探头和楔块为多普勒定制,探头编号为7.5S16－0.5h10,楔块编号为SD10－N60S－IH,采用万能量角器和试块测定等两种方法对楔块磨损的角度进行测量。

(1)用图3所示的万能量角器对收集楔块磨损后的角度进行测量,但是该方法受人为因素的误差较大,仅能作为参考数据。

图3 万能量角器

(2)采用相控阵PGD试块,将楔块安装在探头上,根据楔块弧度选择合适型号的试块,将探头放置在试块上,形成人工反射体的回波信号,通过探头至已知深度反射体的距离,可以算出楔块－工件内的折射角,根据斯涅耳定律,可知楔块的角度。此方法测定楔块的角度准确性较高,但过程较为繁琐。

通过以上两种方法对所有磨损楔块的角度进行多次测定,取误差内测定值的平均值为最终确定,楔块角度见表1。

表1 楔块磨损角度统计

2 不同磨损斜楔块相控阵超声检测对比

2.1 参考标准试验对比

2.1.1 试验对比

本试验采用的参考试块为《火力发电厂焊接接头相控阵超声检测规程》(DL/T1718－2017)中的PGD系列试块,试块见图4,该参考试块较其他试块,可根据被检工件的曲率不同选择合适的试块,适用管外径范围为32～159 mm。

图4 试块实物

采用表1中统计的所有楔块对参考试块中深度为5 mm、7 mm和9 mm反射体,采用58°的主声束进行检测测试,测试结果见表2。

表2 参考试块检测结果统计

2.1.2 试验结果分析

由表2可知,对不同磨损程度的相控阵楔块采用PGD参考试块中反射体进行试验测定,由于磨损导致的楔块角度改变,影响声束测定的结果。

(1)φ57 #3楔块,φ38 #2楔块磨损程度较小,楔块角度变化不大,在对3个不同深度的反射体进行测试时,检测结果几乎无偏差。

(2)φ57 #1、#2,φ44.5 #1楔块磨损程度较大,角度变化较大,在对3个不同深度的反射体进行测试时,检测结果的偏差较大,且楔块程度越严重,测试结果误差越大。

根据不同磨损程度的楔块,采用单一角度在参考试块中进行测试试验,楔块磨损程度越严重,反射体测试结果偏差越大；随着超声波声程的增大,测试值与标称值的误差也越大。在实际检测过程中,一般采用扇形扫描进行检测,角度范围为35°～75°之间,为了进一步探究楔块磨损对相控阵超声检测扇形的影响,本试验将采用模拟试管进行试验分析。

2.2 模拟试管试验对比

2.2.1φ57楔块相控阵对比试验

在每种弧度的楔块中,都有一个无磨损的崭新楔块。本试验将采用无磨损的楔块制作检测工艺,在对所有磨损的楔块进行检测,缺陷试管φ57 mmh8.5 mm,设置有气孔、裂纹和未熔合等4个缺陷,图5为φ57 #1、#2、#3、#4楔块的相控阵检测图谱(侧视图)。

图5 不同磨损程度楔块的检测侧视

通过表3和表4,对安装#1、#2、#3、#4号楔块探头的检测缺陷进行列表比较,测量每一个缺陷的角度范围、深度、长度和轴偏离之间的误差,见表3。

表3 缺陷参数比较

表4 缺陷参数比较

由表3和表4可知：

(1)安装#1、#2、#3、#4号楔块的探头都可检出气孔、裂纹和未熔合等4个缺陷。

(2)φ57 #1、#2楔块,由于磨损程度较为严重,裂纹缺陷的回波幅度较低,缺陷长度与实际缺陷的长度相差较大。

(3)由于#4楔块无磨损,检测出缺陷的定位、定量与实际缺陷一致,#3楔块磨损程度较轻,楔块角度变化不大,对气孔、裂纹和未熔合等4个缺陷的定位和定量变差不大。

(4)安装#1、#2、号楔块探头检测气孔、未熔合和裂纹等缺陷的定位、定量参数与实际值偏差较大,特别是气孔和裂纹,回波幅度较低,缺陷难以评定。

(5)φ57 #2楔块磨损程度最严重,根据理论分析计算,缺陷的检测结果误差应最大。对模拟试管的检测结果分析,试管中的两个缺陷长度较小,受扇形扫查结果的影响不大；坡口未熔合与相控阵扇扫声束方向夹角加大,反射波高,缺陷检出率高,长度误差不大；对于根部裂纹缺陷,裂纹反射波较多,受扇形扫查检测结果的影响较大,导致缺陷的波幅和长度检测结果与标称值误差较大。

2.2.2φ38楔块相控阵对比试验

本试验采用缺陷试管的规格为φ38 mmh6.5 mm,采用φ38 #1、#2楔块探头试验结果表明,采用两种不同的楔块检测根部裂纹和坡口未熔合等缺陷,定位和定量的差距不大,而检测气孔缺陷的波幅差距较为明显。

图6 气孔缺陷的波幅对比图

φ38#1、#2楔块检测图谱中,#1无磨损的楔块检测气孔缺陷的波幅高于#2楔块(见图6),而气孔的深度、长度和轴偏离等参数差距不大。

3 结语

楔块磨损会改变楔块的角度,从而影响相控阵超声检测聚焦能力以及缺陷定位、定量的精度。磨损程度越大,角度变化越明显,对相控阵超声检测结果的影响也越大。通过以上试验可知,楔块角度在合理范围内的变化,对检测结果的影响并不大,在2017年新实施的《火力发电厂焊接接头相控阵超声检测技术规程》(DL/T1718－2017)行业标准中,给出了楔块角度的实测值和标称值的偏差范围为－2°～ 2°,超出此范围应更换楔块,在实际检测过程中,每次检测工作开始之前,都应对楔块的角度进行测量,测量方法可参考本文中的试块测定方法,目前,M2M相控阵仪器具有楔块的磨损校准功能,但是功能还不完善,测定的数值需要采用试块进一步校验。