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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2017-12-14 17:26
超聲相控陣技術(shù)起源于醫(yī)學(xué)超聲，至今已有40多年的發(fā)展歷史。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，超聲相控陣技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域。特別是近年來，得益于數(shù)字電子和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的推陳出新，超聲相控陣技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展尤為迅速。
正如常規(guī)超聲檢測(cè)需要各種試塊一樣，超聲相控陣檢測(cè)也需要各種類型的試塊，其主要包括標(biāo)準(zhǔn)試塊(校準(zhǔn)試塊)、對(duì)比試塊(參考試塊)和模擬試塊(演示試塊)等。
ISO 標(biāo)準(zhǔn)試塊
ISO 2400: 2012《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 1號(hào)校準(zhǔn)試塊》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲檢測(cè)1號(hào)校準(zhǔn)試塊(國際焊接學(xué)會(huì)IIW試塊)。
圖1：超聲檢測(cè)1號(hào)校準(zhǔn)試塊尺寸
ISO 19675: 2017《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣(PAUT)校準(zhǔn)試塊》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲相控陣檢測(cè)(PAUT)校準(zhǔn)試塊。
圖2：超聲相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊尺寸
超聲相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊與超聲檢測(cè)1號(hào)校準(zhǔn)試塊的應(yīng)用對(duì)比
功 能
1號(hào)校準(zhǔn)試塊
相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊
探頭入射點(diǎn)(斜探頭)
100mm半徑的中心
100mm半徑的中心
聲束角度(斜探頭)
使用直徑50mm或直徑3mm的孔，入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)刻度
使用3mm橫孔，入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)最接近的刻度
聲束偏離角
角反射最高峰時(shí)探頭外殼與試塊對(duì)應(yīng)的角度
使用量角器和直邊，取角反射最高峰時(shí)探頭
時(shí)基線線性
多次25mm的間隔時(shí)間標(biāo)線
多次25mm的間隔時(shí)間標(biāo)線
時(shí)基線的校準(zhǔn)
范圍-延遲調(diào)整，91mm的縱波相對(duì)于50mm的橫波
范圍-延遲調(diào)整，91mm的縱波相對(duì)于50mm的橫波
衰減器線性
調(diào)整3mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB
調(diào)整1.6mm橫孔回波幅度到滿屏80％高度，然后加2dB，減2dB，6dB，18dB，24dB
屏高線性
維持兩信號(hào)的比率，增加分貝值使較大信號(hào)以10％步幅增加
維持兩信號(hào)的比率，增加分貝值使較大信號(hào)以10％步幅增加
脈沖持續(xù)時(shí)間
后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間
后壁回波峰值振幅的10％的射頻信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間
主頻率測(cè)量
轉(zhuǎn)換為時(shí)基線，使用來自半徑或厚度的信號(hào)，1μs的周期計(jì)數(shù)
轉(zhuǎn)換為時(shí)基線，使用來自半徑或厚度的信號(hào)，1μs的周期計(jì)數(shù)
信噪比
設(shè)定3mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度
設(shè)定1.6mm橫孔波峰為10％全屏高度，移開探頭，擦干探頭，增加增益，直到噪聲到10％全屏高度
超聲相控陣檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的附加功能
楔塊延遲－可以通過固定深度或固定距離決定，例如100mm的半徑
柵瓣評(píng)估－通過橫孔最淺深度偏軸響應(yīng)與相同橫孔主軸的波幅比較來評(píng)估潛在的柵瓣
激活晶片評(píng)估－當(dāng)探頭放在楔塊或校準(zhǔn)試塊上，晶片設(shè)置為步進(jìn)為1的E掃查，未激活晶片會(huì)在B掃或未修正的S掃查顯示無振鈴
E掃查的靈敏度同等化－使用橫孔設(shè)定E掃同等靈敏度
S掃查的靈敏度同等化(ACG) －使用50mm或100mm 半徑設(shè)定S掃查同等靈敏度
布局檢查－S掃查中排成一線的3mm橫孔位置可以提供一個(gè)位置輸出精度和延遲法則產(chǎn)生的指示
晶片配置－單個(gè)晶片步進(jìn)式E掃查會(huì)在傾斜表面有反射。帶有折射的楔塊提供斜面。對(duì)0度線性陣列(無楔塊)，傾斜面是必須的，監(jiān)測(cè)單調(diào)增加的后壁回波到達(dá)時(shí)間
各向異性評(píng)估－相對(duì)超聲系統(tǒng)使用橫波和壓縮縱波的聲速測(cè)量評(píng)估試塊
ISO 參考試塊
ISO 13588: 2012《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 自動(dòng)相控陣技術(shù)的應(yīng)用》中規(guī)定了不同的檢驗(yàn)等級(jí)使用不同的參考試塊。檢測(cè)等級(jí)A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)分別對(duì)應(yīng)使用參考試塊A、參考試塊B和參考試塊C。
參考試塊的作用包括檢測(cè)范圍和靈敏度(TCG)設(shè)置、程序的演示及有效性評(píng)定。對(duì)于板厚介于6~25mm之間的試塊，至少需要3個(gè)反射體。對(duì)于板厚大于25mm的試塊，至少需要5個(gè)反射體。典型的反射體包括橫通孔、刻槽和平底孔。
參考試塊A
有3個(gè)不同長(zhǎng)度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫通孔。
圖3：參考試塊A結(jié)構(gòu)示意
參考試塊B
① 3個(gè)不同長(zhǎng)度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫孔；
② 表面槽；
③ 表面下4mm有一個(gè)直徑2mm長(zhǎng)度30mm的橫孔。
圖4：參考試塊B結(jié)構(gòu)示意
參考試塊C
① 3個(gè)不同長(zhǎng)度的同一直徑(與板厚相關(guān))的橫孔；
② 表面槽：2個(gè)近表面槽(槽1和槽2)，2個(gè)遠(yuǎn)表面槽(槽3和槽4)，模擬焊縫坡口成像的槽5，如果規(guī)范有要求，還應(yīng)有槽6和槽7兩個(gè)表面橫向槽；
③ 表面下4mm有一個(gè)直徑2mm長(zhǎng)度30mm的橫孔。
圖5：參考試塊C結(jié)構(gòu)示意
檢測(cè)等級(jí)D級(jí)除了B級(jí)和C級(jí)試塊的要求外，還要求增加反射體。同時(shí)要求使用同等母材、按照同樣焊接布局、焊接材料和焊接方法制作特定的試塊。
GB/T 32563中試塊
GB/T 32563《無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》中包括兩類試塊：校準(zhǔn)試塊和模擬試塊。
校準(zhǔn)試塊
(CSK-IA、CSK-IIA、CSK-IIIA或功能類似試塊)用于聲速、楔塊延時(shí)、ACG、TCG的校準(zhǔn)，也可用于靈敏度校準(zhǔn)。當(dāng)用于靈敏度校準(zhǔn)時(shí)，推薦采用CSK-IIA試塊。
模擬試塊
用于檢測(cè)靈敏度校準(zhǔn)，驗(yàn)證檢測(cè)工藝的有效性。模擬試塊應(yīng)與實(shí)際工件相近和相似，在檢測(cè)區(qū)域設(shè)置直徑2mm、長(zhǎng)度40mm的橫孔以及其他機(jī)械加工的模擬缺欠和焊接自然缺欠。
在附件B中，該標(biāo)準(zhǔn)給出了用于定位精度測(cè)試的試塊。
ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第五卷中試塊
ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范 第五卷：無損檢測(cè)》中的第四章主要講焊縫超聲檢測(cè)方法。其中提到兩類試塊：校準(zhǔn)試塊和模擬演示試塊。
校準(zhǔn)試塊
相當(dāng)于前文所提到的參考試塊，主要用于設(shè)備線性、檢測(cè)范圍和靈敏度設(shè)置和驗(yàn)證。
演示試塊
在規(guī)范第五卷第四章強(qiáng)制性附錄Ⅸ中詳細(xì)規(guī)定了演示試塊的制作要求。包括材質(zhì)、厚度范圍、焊接接頭形式以及反射體種類、數(shù)量和尺寸的要求，并要求根據(jù)編制的超聲檢測(cè)程序要求對(duì)缺欠進(jìn)行分類和定量。
ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2235)和《鍋爐和壓力容器規(guī)范案例》(2816)闡述了使用超聲檢測(cè)代替射線檢測(cè)時(shí)的要求，其中規(guī)范案例2816適用于13mm＞厚度≥6mm焊縫檢測(cè)，規(guī)范案例2235適用于厚度≥13mm的焊縫檢測(cè)。演示試塊應(yīng)該通過熱等靜壓方式處理和焊接。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同，規(guī)范案例關(guān)注缺欠的高度以及缺欠高度與板厚的比值，并由此比值確定相應(yīng)的可接受缺欠長(zhǎng)度。規(guī)范案例并未指定反射體的類型，只是對(duì)缺欠尺寸有要求。規(guī)范案例沒有給出具體的定量方法，要求在檢測(cè)程序中做出規(guī)定，并按照此規(guī)定演示定量方法。用演示試板演示時(shí)，需要證實(shí)檢測(cè)覆蓋包括了整個(gè)焊縫體積和熱影響區(qū)或案例中指定的寬度范圍，另一目的是為了驗(yàn)證檢測(cè)靈敏度和缺欠的發(fā)現(xiàn)和定量。
規(guī)范案例2816
演示試塊要求有焊縫且至少有三個(gè)缺欠，內(nèi)外表面各一個(gè)，一個(gè)內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉(zhuǎn)，則只需要一個(gè)表面缺欠和一個(gè)埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。對(duì)于介于6~13mm的板厚，可以用線性插值法計(jì)算缺欠尺寸。
規(guī)范案例2235
演示試塊要求有焊縫且至少有三個(gè)缺欠，內(nèi)外表面各一個(gè)，一個(gè)內(nèi)部埋藏缺欠，同焊縫熔合線平行。如果試塊可以翻轉(zhuǎn)，則只需要一個(gè)表面缺欠和一個(gè)埋藏缺欠。缺欠的尺寸不能大于根據(jù)板厚決定的最大允許尺寸，即此反射體是缺欠而不是缺陷。該案例按照不同壁厚范圍(13~25mm，25~300mm以及大于300mm)，給出了不同的演示試塊缺欠尺寸要求：
ASTM 校準(zhǔn)試塊
ASTM E 2491-2013《評(píng)估相控陣超聲波檢驗(yàn)儀器和系統(tǒng)性能特性的標(biāo)準(zhǔn)指南》并未給出設(shè)備和系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，只是提供了評(píng)估的方法建議，具體性能要求由參與方共同決定。在附錄中列舉了一些性能的測(cè)試方法。
相控陣波束輪廓
第一塊試塊用橫孔測(cè)試相控陣探頭主動(dòng)軸方向的波束輪廓，第二塊試塊使用階梯狀試塊上的豎孔并用編碼器監(jiān)測(cè)行走距離來測(cè)試被動(dòng)軸方向的波束輪廓。
圖6：相控陣波束輪廓評(píng)估示意
相控陣波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估
波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估包括兩方面的評(píng)估：固定聲程波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估和單平面波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估。固定聲程波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估選用如下圖(a)所示的試塊，單平面波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估選用如下圖(b)所示的試塊。
圖7：相控陣波束偏轉(zhuǎn)能力評(píng)估
相控陣晶片活性評(píng)估
使用來自ⅡW試塊的25mm反射評(píng)估晶片活性。
相控陣聚焦能力評(píng)估
使用圖6(a)所示的試塊評(píng)估聚焦算法的有效性，以確定工作有效范圍。
相控陣參數(shù)的計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)顯示評(píng)估
使用圖7(a)所示的試塊，設(shè)置兩組聚焦法則，比較實(shí)際深度和角度的差別。
相控陣楔塊衰減和延遲補(bǔ)償
使用ⅡW試塊100mm圓弧面補(bǔ)償楔塊延遲。使用ⅡW試塊100mm圓弧面或者?3mm橫孔進(jìn)行楔塊衰減補(bǔ)償。
相控陣設(shè)備線性評(píng)估
使用下圖所示的相控陣設(shè)備線性試塊評(píng)估屏高線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評(píng)估波幅控制線性。使用ⅡW試塊25mm厚度評(píng)估時(shí)基線性。
圖8：相控陣設(shè)備線性試塊
超聲相控陣檢測(cè)試塊作為檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性有很大影響。
試塊制作應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求，應(yīng)明確試塊上反射體的具體意義和使用方式。
只有依托這些試塊，正確使用這些試塊，并進(jìn)行合理的相控陣檢測(cè)設(shè)置，保證相控陣檢測(cè)的有效實(shí)施，才能得到可靠的檢測(cè)結(jié)果。
本文作者：丁兵，上海船舶工藝研究所高級(jí)工程師
來源：無損檢測(cè)
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