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相控阵超声波检测技术与西气东输 一、背景资料 西气东输工程全长４０００多公里，材质为Ｘ７０钢级，规格为Ф１０１６×１４．６～２６．２毫米，工作压力１０兆帕。此管道的管材由１０多家国内外厂家提供。环焊缝焊接方式以自动气体保护焊、半自动气体保护焊以及手工下向焊为主。环焊缝检测方法，以射线检测（ＲＴ）和相控阵超声波检测（ＡＵＴ）为主。
4 ^* y. D4 _* r) O o* `' T 本文使用的参数： # e; F8 C' U0 y9 G& U
管材：管径１０１６×１４．６毫米平均声速３３００米／秒和管径１０１６×１７．５毫米平均声速３２８０米／秒； # j# P, n1 U, T) l% f/ ?6 Z1 r2 s* B
焊接参数：自动焊接Ａ：坡口形式，ＣＲＣ型，壁厚Ｔ＝１４．６毫米；自动焊接Ｂ：坡口形式复合Ｖ型，壁厚Ｔ＝１７．５毫米。
7 f- B3 M$ u, s2 Y/ o 全自动超声波设备：ＰｉｐｅＷＩＺＡＲＤＰＡ系统是加拿大Ｒ／ＤＴｅｃｈ公司生产，由数据采集单元、电机控制单元、扫查器、相控阵探头、工业计算机等组成。工业计算机为高速ＰＣ，使用ＮＴ４．０英文版系统，可运行ＰｉｐｅＷＩＺＡＲＤ软件。软件已经过优化配置，用户无需作大的改动，它可以自动记录扫查结果。 5 i: s' M8 }1 w
二、检测原理 2 A/ U. B a% a) T% W! z) m
（一）分区扫查法 `; Q' X. O! b1 I/ c6 z. U
分区扫查法的原则是将发射探头发出的超声波对准焊缝断面，并根据可能出现的缺陷进行校准。将焊缝沿壁厚方向分成高度相等或不等的若干区域。焊缝的分区根据焊缝壁厚、坡口型式及焊接填充次数来进行。分区高度越小则对缺陷的检测越敏感（但调试困难），最小为１毫米，最大为３毫米，分区高度太大，则有漏检的危险。预先调好角度和位置的发射器将高度聚焦的声束投射到焊缝适当的区域内。入射角度的选取，以可得到来自缺陷的最大反射波为准。如全自动焊接过程中最容易产生并且危害性较大的缺陷——坡口未熔合，那么选取的入射声束应尽量与坡口熔合线垂直。 , Q! E& S& S+ u5 k4 V
由于分区扫查法的原则及特点，其校准必须使用专用的校准试块来检测定位、确定基准灵敏度、鉴定野外检测系统并监视系统的运行状况。出于声速方面的考虑，试块的材料应取自实际检测的管道。对于不同的材质、管径、壁厚、和管厂都需要单独制作试块。 - N& J, g/ F: D7 T" f# J
（二）线形扫查 5 B; R$ u$ H! S* M, z L
线形扫查是指在扫查焊缝时仅仅沿焊缝做线形运动超声波的设置是检测整个焊缝区域，与传统的锯型扫查方式不同。线形扫查是在分区扫查法基础上使用相控阵技术或多探头技术来实现的，它具有运动方式简单，适用于自动化，检测效率高的特点，但必须保证不漏检。相控阵技术或多探头技术使用的每个发射器有特定的角度并定位到焊缝的一个小区域上。在熔合线处波束点尺寸一般为２毫米或更小。由于波束足够小，所以它们可以只有效地检测各自的区域，而且波束对邻近区域反射体上的重叠最小化。并且在检测坡口角度小的区域时使用串联扫查的方式。使用串列法时需要一个探头发射脉冲，另一个探头接收脉冲。在相控阵系统中，这种方法靠一个探头就可以实现。 $ w6 Y) q2 ]6 c6 I! \
（三）相控阵
( P$ c* ~- d+ Z3 ~6 f' t 相控阵是指利用脉冲定时产生的相位相干来实现控制波束方向和聚焦位置的晶片阵列。通过动态地改变各个晶片的延时相控阵具有以下两大特性：波束方向控制和动态聚焦。因此，入射角度和具有最大分辨率的区域都是可调的。
! _; d: M4 W. d& G+ b4 A7 A 相控阵常用排列，一般有三种外形：线形阵、矩形阵和环形阵。
% @ t6 S; e& e5 p$ ~& v- b$ |/ lＰｉｐｅＷＩＺＡＲＤＰＡ系统的相控阵探头使用的是线形阵列，阵列中的晶片一般是小而平的。因此，某一晶片的波前无论发射还是接收都是较非定向的。如果我们给晶片加上顺次的延时，延时长度小于信号发射时间的一半，得到的波前是具有一定角度的斜波束，倾斜的角度可由晶片控制。同理，通过向内部的晶片增加延时可以得到聚焦波束，它的前提是非线性的延时。 7 \1 k+ S. @6 z0 D. z5 e
（四）衍射时差法（ＴＯＦＤ）
9 D" B: Y; N2 `. U& D" x 衍射时差法ＴＯＦＤ 是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，也叫“裂纹端点衍射法”或“尖端反射法”。超声波入射到线性缺陷上时，在它的两端除普通的反射波以外还会发衍射。衍射能量在很大的角度范围内传播并且假定它们都源于缺陷的端部。这传统的超声波完全不同，传统超声波主要依靠从缺陷上反射的能量的大小来判断缺陷。除了缺陷的衍射能量以外，ＴＯＦＤ法还检测两个探头间直接传播的表面波（横向波）和未受缺陷影响直接抵达试件内壁的内壁反射信号。如图９所示ＴＯＦＤ可以用横向波反射作参照，缺陷的深度是从横向波与衍射脉冲的时差来计算的。这与传统的脉冲反射相比，ＴＯＦＤ有明显的优势，但也有值得注意的局限性。 " V: Z0 }4 \- Z" p$ j, h
ＴＯＦＤ的优势可概括为： ' ]) G8 ?5 E0 p3 F( a
１．操作者可以立即得到清晰的焊缝图像，并能“实时”分析缺陷。
* N+ `. s9 @9 ? ２．ＴＯＦＤ可以检出取向偏移的缺陷。如不沿熔合线的裂纹等。ＴＯＦＤ还能检出向表面延伸的缺陷。如，外表面缺陷则横向波将被切断，对内表面缺陷内壁反射波将被切断。这就大大提高缺陷的检出率。 0 G; u2 `& S. F) u# m
３．ＴＯＦＤ是精确测量缺陷的最佳方法。通过分区扫查法测量精度可以到一个区域的深度或更小的范围；反之，ＴＯＦＤ可以提供“真实的”测量。 4 a7 _- S s. {2 a& h ?* F. o
其缺点主要有：
1 M; A. ~! ?5 h0 T １．ＴＯＦＤ生来就有一个“盲区”，位于表面下几毫米处。同样，近内壁的ＴＯＦＤ信号也不清晰。并且ＴＯＦＤ有“过分强调”中壁信号的倾向。 9 g3 s1 @4 P6 ?* e# D6 a. ^
２．ＴＯＦＤ波幅很低，可能会被漏掉。沿缺陷方向扫查的方式使操作者无法判定缺陷在焊缝轴向的位置，这个问题在脉冲反射通道上可以得到解决。
" r! R% [, E& ^* u ３．ＴＯＦＤ通常不是被标准核准的工艺，所有关于合格／判废的判定应据脉冲反射数据来定。 . h* L% T! }' Y& T, P4 j2 [
（五）输出显示
$ i8 g& m: L o [8 g' E ＰｉｐｅＷＩＺＡＲＤＰＡ系统输出超声波数据就像是把焊缝自中心“剖开”，将上游和下游通道的数据置于中央ＴＯＦＤ图像和Ｂ扫描的两侧，有以下内容：
$ k3 r+ i1 Y5 [& t 各个分区的双门带状图
: m- M4 B" C0 \" `( [7 n ＴＯＦＤ图像 7 X, }1 k8 n0 v* z; C& L6 n. m
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图形显示通道（Ｂ扫描）
8 E- b/ P7 j, x9 R' [ 左侧是周向位置标尺 5 Q4 q6 F( n9 @
右侧是耦合监测通道 , y' J# X5 R7 N4 @0 Z
１．双门带状图
) I9 J( u9 [% K 双门带状图根据焊缝沿厚度方向的分区设置，带状图的宽度由焊缝分区高度而定，主要负责检测焊缝坡口面上的面积型缺陷（如坡口未熔合等）。每个带状图有两个门：波幅门和时间门。系统只存储门内的时间和波幅数据。从这两个门输出的数据均显示在屏幕上；信号波幅表示为一条线，门内时间表示为一个色块，它和波幅数据重叠在一起。它是由聚焦的横波声束得到的。与手动超声检测中一样，渡越时间反映的是反射信号的位置。在ＡＵＴ中一般情况下，带状图的时间门设置是对称于熔合线的，所以从时间信号在带状图中所占的百分比，就可以知道反射信号在时间门内的位置，也就反映了反射体在焊缝中所处的位置。 2 @; w8 o* z$ K
２．ＴＯＦＤ图像
$ ]- m) p5 D/ \ G/ v ＴＯＦＤ图像对应于记录图形中的灰色条状图，它主要负责检测焊缝中部的体积型和面积型缺陷（如气孔、未熔合等）。ＴＯＦＤ记录系统为２５６级灰度显示，正相位用白色１２８级表示，负相位用黑色１２８级表示。
( J! N5 u2 q M ３．图形显示通道（Ｂ扫） ) ? H/ ^$ H0 e; j
Ｂ扫描是试件的截面二维视图，一个轴代表探头的运动，另一个轴代表外壁、内壁和缺陷的深度。由非聚焦横波声束形成的，它主要负责检测焊缝盖帽、根部等区域的体积型缺陷（如气孔等）。Ｂ扫的形成与Ａ扫有着紧密的联系，当我们用不同的颜色代表Ａ扫中不同的波幅时即可以得出对应的Ｂ扫图形。 / @ Y$ [& {8 @) f
４．周向位置标尺
2 E/ g- L; V+ i- B# Y- r/ ~ 周向位置标尺可表示焊缝中的缺陷位置。 . x( C& e! K; U( w1 k7 L) A
５．耦合监测通道
3 N/ a0 S. h3 i& l& ?! U 用大角度一发一收的方式发射３个脉冲来监测整个探头的耦合情况。耦合检查，绿色表示耦合良好红色表示耦合不好。
$ I8 j2 ~/ T9 f# n# X7 N- O- S 三、检测实例 7 F9 y9 G; A& @0 ], n# q
在西气东输工程中，对于全自动焊接的环焊缝的检测主要使用全自动超声波检测。通过对新疆１标段的全自动焊接Ａ标段和安徽２３标段的全自动焊接Ｂ的检测过程中，全自动超声波体现了其高检测效率和高可靠性。截止一标段主体管线完工时，已经实际检测了６９１９道焊口，和射线底片结果的符合率达到８０％以上，还检出了大量在在射线底片上不明显的未熔合缺陷。
" |5 _$ N A! m 四、结论
9 V0 ~& G; [' m( y2 E0 G8 W% z 通过在西气东输中的应用，体现了全自动相控阵超声波在长输中具有以下的优势：
9 O6 o! Z) _# h" e: ] １．检测速度快，整个过程约需５分钟。
; N5 B+ [; g! M! I* U1 V ２．缺陷定位准确，检测灵敏度高。缺陷定量精度高，测量结果接近客观值（自动记录缺陷的长度、深度和位置）。 . p, ?+ g/ |. K( i/ K1 U' ?- g
３．检测结果直观，可实现实时显示。在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判，也可打印、存盘，实现检测结果的永久性保存，避免Ｘ射线底片不易携带、不易保存的缺点。完全车载，作业强度小，无辐射无污物 # R0 |3 w4 M* z: L+ @5 k5 L9 }
４．可检测射线无法穿透的壁厚。对管道环焊缝、球罐等对接焊缝的检测，效率高、效果好。 , V& u% K; R" m' o/ F" r j
５．设备的“弹性”大，可以通过软件的调整或升级，来适应新的检测参数。
' w4 j6 k- V j- ^ 相控阵的局限性：
* n. J3 n8 d# ]. X' @0 `% v- X １．受客观影响大，工件表面光滑度、焊缝工艺完整性、轨道安装精度都会对结果产生影响。 8 Y# `' g" X% R! k, j
２．检测不同壁厚、不同规格和材料的焊缝，需要不同的试块来做校准。
' O5 S' S9 q5 s( f1 R: o ３．仪器调节过程复杂，调节准确性对检测结果影响大。
. S) ~' Q" w- l4 W3 Z# i( g) J5 m ４．缺乏一套成熟的返修焊口超声检测工艺，目前执行的工艺与整口检测时使用的一致，没有充分考虑到返修时，由于对有缺陷处的打磨和重焊改变了局部的坡口面的位置、坡口型状和局部的金属结构等。 6 [2 ^( O' d* J1 p* [; b+ P, g
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发表于 2009-2-14 16:11:58
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