李 衍，薛飛展

（江蘇太湖鍋爐股份有限公司，無(wú)錫 214187）

ASME BPVC（鍋爐壓力容器法規(guī)）2009 增補(bǔ)版，在第Ⅴ卷2005 和2006 規(guī)范案例（Code Case）2557和2558的基礎(chǔ)上，又增添了有關(guān)焊縫超聲相控陣（PA）檢測(cè)系統(tǒng)特性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。超聲相控陣扇形掃描（以下簡(jiǎn)稱(chēng)S 掃描）結(jié)合聚焦聲束和線(xiàn)陣列探頭的移動(dòng)，能獲得功效強(qiáng)大的檢測(cè)信息，因而在焊縫檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該技術(shù)的確認(rèn)和特定檢測(cè)資格評(píng)定認(rèn)證的開(kāi)展，又為鍋爐和壓力容器壓力管道焊縫超聲相控陣檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用增添了動(dòng)力、活力和實(shí)力［1－3］。

相控陣技術(shù)能用于檢測(cè)幾何形狀較復(fù)雜的焊接件、可接近性較差的焊縫及異種金屬焊縫。但相控陣超聲檢測(cè)的掃描圖像仍然需要一定的識(shí)別技能。承壓設(shè)備焊接接頭的相控陣超聲檢測(cè)，其缺陷顯示圖像與衍射時(shí)差法（TOFD）的黑白條紋圖固然不同，也不同于常規(guī)的A 掃描脈沖波形。通過(guò)相控陣圖像特征，判別缺陷性質(zhì)乃至定位、定量，是相控陣超聲檢測(cè)診斷技術(shù)的基本功。

筆者結(jié)合ASME 最新標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際國(guó)內(nèi)應(yīng)用動(dòng)態(tài)，介紹按規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的最新要求對(duì)承壓設(shè)備焊接接頭進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，有關(guān)相控陣S掃描圖像圖譜的識(shí)別案例。主要介紹相對(duì)于通常X 型坡口雙面焊有相當(dāng)檢測(cè)難度的V 型坡口單面焊和T型接頭組合焊中一些典型焊接缺陷的相控陣S 掃描圖像的識(shí)別，也包括依據(jù)PA 圖像對(duì)焊接缺陷進(jìn)行定位、定量和定向的一些新理念。

1 焊縫超聲相控陣S掃描識(shí)圖原理［4－6］

相控陣超聲檢測(cè)是在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行聲束掃查。通常，相控線(xiàn)陣斜探頭（橫波）檢測(cè)的聲束掃查范圍為35°～75°。

圖1表示相控陣超聲探頭聲束掃查焊縫的截面圖。當(dāng)用直射法（即一次波或0.5S波）檢測(cè)時(shí)，焊縫僅下半部被聲束掃查到；但用底面一次反射法（即二次波或1.0S波）檢測(cè)時(shí)，聲束就能覆蓋整個(gè)焊縫截面。比如，圖示焊縫中的缺陷a，能被二次波檢出，顯示為鏡像a－。在相控陣超聲波探傷儀顯示屏上，使用2.5倍的厚度范圍，整個(gè)焊縫體積就能顯示在單一圖像中。

圖1 焊縫超聲相控陣檢測(cè)概念圖

2 典型焊接缺陷的相控陣S－掃描圖譜

以下對(duì)V 型坡口單面焊和T 型接頭組合焊兩種典型焊接接頭型式展示了9張典型焊接缺陷的相控陣S掃描圖例。為便于圖像解釋和評(píng)定，筆者通過(guò)專(zhuān)用軟件，特意添加了相應(yīng)的焊縫探測(cè)布置截面圖，繪出了焊接結(jié)構(gòu)和線(xiàn)陣相控探頭（包括線(xiàn)陣斜探頭或線(xiàn)陣直探頭）的布置。S掃描圖加探測(cè)布置圖就是焊縫相控陣超聲檢測(cè)的讀譜“焦點(diǎn)”。注意，探測(cè)布置圖中含有超聲波在被檢焊縫中的聲束傳播路徑（聲路），特別是用一次反射波（即二次波）檢測(cè)時(shí)，二次波的S 掃描圖像是用一次波在兩倍板厚中的延伸圖像表示的，凡用二次波檢測(cè)到的缺陷或焊縫輪廓均用“鏡像”表示。

2.1 焊趾裂紋

圖2表示用線(xiàn)陣相控超聲斜探頭探測(cè)V 型坡口單面焊縫時(shí)所得焊趾裂紋聲像圖。因焊趾裂紋位于探測(cè)面一側(cè)，該缺陷是是用超聲二次波（或1.0S波）探到的。圖中顯示了被檢焊縫和缺陷的鏡像。裂紋高度是根據(jù)裂紋端角回波與裂紋尖端的衍射信號(hào)之間的傳播時(shí)間差所對(duì)應(yīng)的深度距離測(cè)出的。裂紋的相控陣測(cè)高指示值為3.6 mm，實(shí)測(cè)值為3.8mm，測(cè)量誤差－0.2 mm。焊趾裂紋信號(hào)的鏡像特征為：端角反射信號(hào)波幅強(qiáng)，聲像較大，而尖端衍射信號(hào)波幅較弱，聲像較小。為準(zhǔn)確測(cè)出該表面開(kāi)口裂紋的自身高度，要特別注意水平光標(biāo)線(xiàn)通過(guò)該裂紋尖端衍射聲像中的交點(diǎn)位置（垂直光標(biāo)線(xiàn)為該裂紋在板厚方向的高度延伸線(xiàn)）。

圖2 單面焊焊趾裂紋

2.2 近底面坡口未熔合

圖3是靠近被檢焊縫內(nèi)表面的坡口未熔合的相控陣超聲圖像。該未熔合距內(nèi)表面1.5 mm，自高16mm。圖3（b）為D 掃描圖，其探頭沿焊縫軸線(xiàn)方向移動(dòng)或作非平行掃查）。由S和D 掃描可得到未熔合的長(zhǎng)度、高度和離內(nèi)表面的深度。注意，線(xiàn)陣相控超聲斜探頭在圖示一側(cè)探測(cè)時(shí)，焊縫根部信號(hào)（或稱(chēng)幾何信號(hào)）有可能被該未熔合缺陷信號(hào)所掩蓋。若探頭置于焊縫另一側(cè)，則缺陷信號(hào)和幾何信號(hào)圖像均可見(jiàn)。

2.3 近表面坡口未熔合

圖4是靠近被檢焊縫上表面的坡口未熔合用超聲二次波（1.0S波）檢出時(shí)的圖像。可見(jiàn)，二次波延伸了一次波的掃描圖像，焊縫和缺陷均反映在鏡像中。

2.4 內(nèi)部密集氣孔

圖5為離上表面1.5mm 的密集氣孔用超聲一次波（0.5S 波）檢出的圖像。該氣孔群尺寸為1.5mm×3 mm×10 mm（用D 掃描測(cè)其長(zhǎng)度范圍）。圖5（b）中焊根形狀信號(hào)的識(shí)別，其重要性與常規(guī)A－掃描形狀信號(hào)（俗稱(chēng)假信號(hào)）的識(shí)別一樣。

2.5 近表面密集氣孔

圖6表示焊縫中近表面密集氣孔用超聲二次波檢測(cè)圖像。注意掃描鏡像中氣孔群、單面焊根部及蓋面焊角（余高與母材交界部位）的聲成像特征與實(shí)際形態(tài)的對(duì)應(yīng)性和特異性。諳悉此特征，將有助于對(duì)焊接缺陷相控陣超聲成像的表征、定性和分類(lèi)。

2.6 T型接頭根部未焊透和翼板側(cè)未熔合

圖7表示T 型接頭組合焊縫中存在的根部未焊透和翼板側(cè)未熔合的相控陣S 掃描圖像。線(xiàn)陣列縱波直探頭置于翼板側(cè)表面（探頭陣列主動(dòng)窗長(zhǎng)度垂直于腹板端面），加一定范圍的橫向移動(dòng)，并作一定角度范圍的相控陣S掃描，即可檢出此類(lèi)焊接接頭中的缺陷（包括根部未焊透、翼板側(cè)未熔合以及焊接裂紋和焊道下裂紋等）。翼板側(cè)S掃描外加縱向D 掃描所得相控陣組合圖像，對(duì)上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。另外，還應(yīng)注意缺陷信號(hào)圖像與焊縫幾何信號(hào)（即表面形狀信號(hào)）圖像的識(shí)別。

2.7 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋縱波聲像

圖8表示T 型接頭中存在的焊道下裂紋用線(xiàn)陣縱波直探頭的相控陣檢測(cè)圖像。在圖8（b）所示的S 掃描圖像中，裂紋的自身高度用豎線(xiàn)光標(biāo)測(cè)量，而裂紋離翼板底面的深度用橫線(xiàn)光標(biāo)測(cè)量。注意用光標(biāo)對(duì)缺陷測(cè)高測(cè)深時(shí)，缺陷圖像端點(diǎn)和特征點(diǎn)的截取位置。

2.8 T型接頭翼板側(cè)焊道下裂紋橫波聲像

由于被檢工件和被檢部位的可接近性受到限制，有時(shí)不能將超聲直探頭放在圖8所示翼板平面上用縱波進(jìn)行掃查，而只能在翼板另一面（即靠近組合焊縫和腹板的一面）用斜探頭用橫波進(jìn)行探測(cè)。圖9為圖8所示T型接頭中存在的翼板側(cè)焊道下裂紋，在翼板另一面用線(xiàn)陣斜探頭橫波二次波的相控陣檢測(cè)原理和S 掃描圖像。對(duì)缺陷信號(hào)圖像定量測(cè)定時(shí)，同樣要注意用豎光標(biāo)和橫光標(biāo)對(duì)該焊道下裂紋鏡像的測(cè)高測(cè)深取點(diǎn)問(wèn)題（圖示裂紋自身高度測(cè)量值為8 mm，離探測(cè)面深度距離測(cè)量值為1.4mm）。

2.9 T型接頭翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合

圖10表示T 型接頭組合焊中存在的翼板側(cè)焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合，在翼板組合焊縫側(cè)表面用線(xiàn)陣斜探頭橫波二次波作相控陣檢測(cè)時(shí)的S 掃描圖像和相應(yīng)探測(cè)布置（包括二次波的傳播聲路）。在掃描鏡像中用橫線(xiàn)光標(biāo)測(cè)出的焊趾裂紋高度為6.7mm，而裂紋實(shí)際高度為6.8 mm。與上述圖2中的單面焊焊趾裂紋相控陣掃描圖像相似，T 型接頭組合焊中焊趾裂紋用橫波二次波掃查時(shí)，裂紋信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)特征鏡像，即端角反射信號(hào)圖像和尖端衍射信號(hào)圖像，準(zhǔn)確移動(dòng)光標(biāo)，測(cè)取兩特征信號(hào)間距，同樣是對(duì)T 型接頭焊趾裂紋準(zhǔn)確測(cè)高的重要細(xì)節(jié)。

圖10 T 型接頭組合焊焊趾裂紋和翼板側(cè)未熔合

3 小結(jié)

（1）線(xiàn)陣探頭的超聲波相控陣S掃描可作為超聲波成像工具。

（2）相控陣檢測(cè)時(shí)，焊縫缺陷的S掃描圖像顯示易于判讀評(píng)定，缺陷信號(hào)和幾何信號(hào)圖像較之于常規(guī)的A 掃描脈沖波形，易于分辨。

（3）相控陣S掃描圖像加上含有聲傳播路徑的探測(cè)布置圖，是焊縫相控陣檢測(cè)讀譜解譜的有效方法。特別是用二次波檢測(cè)時(shí)，要善于辨別鏡像的實(shí)際位置和形貌特征。

（4）缺陷測(cè)深測(cè)高可依據(jù)S 掃描圖像進(jìn)行評(píng)定，測(cè)量時(shí)應(yīng)注意垂直和水平光標(biāo)的的截取位置。

（5）S掃描與D 掃描結(jié)合使用，可完善缺陷定量表征信息，獲取缺陷三維數(shù)據(jù)。

（6）若將相控陣掃描數(shù)據(jù)輸入三維圖，并利用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件包，即可利用三維相控陣數(shù)據(jù)重建被檢工件中的缺陷形態(tài)。

［1］ ASME BPVC（A09）Section V，Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds，Mandatory Appendices IV Phased Array Manual Raster Examination Techniques Using Linear Arrays［S］.

［2］ ASME SE－2491Standard Guide for Evaluating Per－formance Characteristics of Phased－Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.

［3］ ASME Code Section Ⅴ：Code Cases 2557and 2558［S］.

［4］ 李 衍.焊縫超聲檢測(cè)相控陣參數(shù)與缺陷顯示的相關(guān)性［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2009，25（12）：37－41.

［5］ Ciorau P A.Contribution to phased array ultrasonic inspection of welds.part 1：data plotting for S－and Bscan displays［J］.CINDE Journal，2007（5）：1－9.

［6］ 李 衍.超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)系列講座［J］.無(wú)損探傷，2007，31（4）：12.