李 衍

（無錫市鍋爐壓力容器學(xué)會(huì)無損檢測專委會(huì)，無錫 214026）

能有效表征和評定超聲顯示是計(jì)算機(jī)成像（CI）技術(shù)的重大貢獻(xiàn)，但CI技術(shù)也可用于改善探傷掃查的基本功能。計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)分析，可與設(shè)備自動(dòng)或半自動(dòng)掃查機(jī)構(gòu)聯(lián)用，獲取缺陷二維或三維圖像，提高承壓設(shè)備重要部件和結(jié)構(gòu)的檢測能力。計(jì)算機(jī)處理可用于定量評定UT（超聲檢測）或其他NDE（無損檢測）法檢出的缺陷類型、大小、形狀、位置和方向（即完成缺陷“五定”：定性、定量、定形、定位、定向）。

ASME 2013有關(guān)PAUT（相控陣超聲檢測）的標(biāo)準(zhǔn)主要有五個(gè)：①M(fèi)A－ⅣPA（相控陣）線陣手動(dòng)光柵法。②MA－ⅤPA交集掃：E掃＋線掃法和S掃＋線掃法。③NA－P PA 圖譜解讀。④SE－2 700 焊縫PAUT 法。⑤SE－2 491PA 儀器和系統(tǒng)特性校驗(yàn)。

1 PA線陣手動(dòng)光柵法

ASME 現(xiàn)行版規(guī)定承壓設(shè)備焊縫UT 應(yīng)使用全自動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)備進(jìn)行。但手動(dòng)UT 仍然是全自動(dòng)或半自動(dòng)UT 的基礎(chǔ)。即使焊縫全部全自動(dòng)或半自動(dòng)UT，也允許個(gè)別區(qū)域用手動(dòng)法進(jìn)行補(bǔ)充檢測。MA－Ⅳ規(guī)定了最基礎(chǔ)的相控陣技術(shù)，PA 線陣探頭和手動(dòng)光柵法UT 的技術(shù)要求，包括單一法（固定角度）、E掃法（固定角度）和S掃法（變角變向）。

通常，按超聲探頭移動(dòng)方式，有光柵法和線掃法；按聲束動(dòng)態(tài)變化特征，有E 掃法和S 掃法。實(shí)際檢測時(shí)，往往組合使用［1］。

1.1 光柵法

光柵法借用了光學(xué)術(shù)語涵義：光柵掃描顯示器顯示圖形時(shí)，電子束依照固定的掃描線和規(guī)定的掃描順序進(jìn)行掃描。UT 中是指PA 探頭作類似于光柵行蹤的移動(dòng)方式，典型的光柵法如圖1（a）所示。

圖1 相控陣光柵法和線掃法示意

1.2 線掃法

線掃法即單軸掃查法，只用一個(gè)定位編碼器（掃查軸或進(jìn)位軸）來確定數(shù)據(jù)采集位置。線掃是沿一直線行程行進(jìn)的一維掃查。必須提供的調(diào)整值是：①速度。②沿掃查軸或進(jìn)位軸的行進(jìn)距離范圍。③數(shù)據(jù)采集間隔（取決于編碼器分辨力）。

線掃常用于焊縫檢測、腐蝕測繪等。用電子掃的線掃比常規(guī)UT 光柵掃快一個(gè)數(shù)量級。與典型光柵法等效的PA 線掃法如圖1（b）所示。

1.3 E掃法

E掃描又稱電子光柵掃法，如圖2所示，激勵(lì)晶片的電子束直線移動(dòng)，試件和探頭均不移動(dòng)。將單一聚焦法則通過多路傳輸，逐次遞加于多組主動(dòng)陣元，使壓電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生角度恒定的超聲波束，沿PA 探頭長度方向，以給定步進(jìn)增量進(jìn)行快速掃查。按設(shè)定的聚焦法則，E掃法可用0°縱波掃查，也可用斜角橫波掃查。圖3即表示以單一定角程控的E 掃，頗似常規(guī)單晶探頭產(chǎn)生的斜聲束。探頭無需前后移動(dòng)，聲束即可以單一探頭－焊縫距離，掃查焊縫整個(gè)橫斷面［2－3］。

圖2 相控陣E掃法原理示意

圖3 跨越探頭長度的聲束定角E掃原理示意

1.4 S掃法

S掃法又稱扇形掃法、扇區(qū)掃法或方位角掃法，如圖4所示。S掃法，可指聲束移動(dòng)，也可指數(shù)據(jù)顯示：①聲束移動(dòng)是指將一組聚焦法則，逐次遞加于多組陣元，通過壓電轉(zhuǎn)換，使其在被檢材料中產(chǎn)生一系列給定角度范圍的扇形聲束。②數(shù)據(jù)顯示是指由特定陣元組產(chǎn)生的所有A 掃描兩維視圖，這些A掃描的時(shí)間延遲和聲束折射角均經(jīng)校準(zhǔn)。掃查體積已校準(zhǔn)的S掃圖像一般顯示扇形圖像，圖像中缺陷形位可測。

圖4 相控陣S掃法示意

2 PAUT規(guī)程及其評定

PAUT 規(guī)程和規(guī)程評定應(yīng)同時(shí)滿足一般UT通用量化要求和PAUT 特定量化要求，如表1 所示，其中第3項(xiàng)中的有效高度是指由聚焦法則中使用的第一個(gè)和最后一個(gè)晶片的外端兩者之間測出的距離。第5、6項(xiàng)是指附加的E 掃要求，第7、8項(xiàng)是指附加的S掃要求。

3 PA校驗(yàn)要求

PA 系統(tǒng)校驗(yàn)細(xì)則詳見SE－2491標(biāo)準(zhǔn)。以下是MA－Ⅳ提到的兩項(xiàng)一般要求［4］。

3.1 聚焦法則

聚焦法則定義為PA 操作文件，用于確定激活的探頭陣元及其時(shí)間延遲法則，由此確定聲束聚焦位置。聚焦法則適用于聲波的發(fā)射和接收。校驗(yàn)與檢測用的聚焦法則也應(yīng)相同。圖5即為PA 聚焦原理，圖6～8為PA 聚焦法則的三個(gè)應(yīng)用示例（水平聚焦，斜角聚焦和深度聚焦）。

表1 ASME規(guī)定的PA手動(dòng)光柵掃查UT工藝特定量化要求

圖5 PAUT 聚焦原理示意

3.2 聲束校驗(yàn)

檢測用的所有聲束均應(yīng)校驗(yàn)，以提供檢測聲程中距離和波幅已作校準(zhǔn)的量值。此聲束校驗(yàn)應(yīng)包括對楔塊聲程變化和楔塊衰減效應(yīng)所作出的補(bǔ)償修正。

4 PA經(jīng)典掃法

MA－Ⅴ所規(guī)定的（E 掃＋線掃）法和（S掃＋線掃）法，可稱之為PA 經(jīng)典掃法，是PAUT 完成焊接接頭體積檢測最典型、常用的掃查方式。具體說來，MA－Ⅴ規(guī)定了用線陣列PA 探頭，通過聲束角度固定的PA 電子掃描（即E掃）或聲束角度可變的扇形掃查（即S 掃），進(jìn)行編碼線掃查、完成體積檢測的方法要求［5］。

圖6 相控陣E掃水平聚焦應(yīng)用示例

圖7 相控陣S掃斜角聚焦應(yīng)用示例

4.1 焊縫PA特征

圖8 相控陣深度聚焦原理及應(yīng)用示例

對焊縫作線掃（也稱“行掃”）時(shí)，探頭以固定的焊縫－探頭距離、平行于焊縫軸線作單道掃查。探頭在線掃每一位置，相控陣對準(zhǔn)焊縫作E 掃或S 掃，即令聲束對焊縫整個(gè)橫斷面作定角或變角掃查，借助于沿焊縫長度方向的線掃動(dòng)作，完成對被檢焊縫的全體積檢測。圖9即為用兩種角度的橫波（SW）E掃法，即60°橫波（一次波）＋45°橫波（二次波），結(jié)合線掃法，完成焊縫體積檢測的示例，這里可用一個(gè)PA 探頭在焊縫兩側(cè)分別作E 掃和線掃，也可用兩個(gè)PA 探頭在焊縫兩側(cè)同時(shí)作E掃和線掃。

圖9 用相控線陣以兩種角度的E掃法＋一維線掃法檢測焊縫體積示例

4.2 PA 線掃UT規(guī)程及其評定

用相控線陣探頭作E 掃和S掃＋線掃時(shí)，其檢測規(guī)程和規(guī)程評定應(yīng)同時(shí)遵循一般UT 通用量化要求和PAUT 特定量化要求（見表2）。

4.3 PA 掃查布圖

用線陣探頭，作相控陣E 掃（固定角度）和S掃編碼線掃查檢測前，ASME 要求必須先給出掃查布圖或施探示意圖，示出探頭的位置、移動(dòng)方式和聲線跟蹤路程，以為焊縫檢測提供標(biāo)準(zhǔn)化和有重復(fù)性的方法。掃查布圖中除含有表2所示數(shù)據(jù)（重要變量11項(xiàng)，次要變量1項(xiàng)）外，還應(yīng)指明聲束角度和相對于焊縫軸線參考點(diǎn)的方向、焊接接頭的幾何形狀尺寸、以及檢測區(qū)域數(shù)［6］。表中第6～8項(xiàng)是附加的E掃要求，第9～11項(xiàng)是附加的S掃要求。

表2 ASME規(guī)定的PA線陣探頭線掃檢測規(guī)程必須量化的特定性要求

圖10～13給出了薄板、中厚板和厚板對接接頭對接焊縫及T 型接頭組合焊縫的典型相控陣掃查布置和聲線示例（有關(guān)要領(lǐng)和細(xì)節(jié)，就是ASME（2013）SE－2700標(biāo)準(zhǔn)的主題內(nèi)容，也是承壓設(shè)備焊縫實(shí)施PAUT 的重中之重，筆者已另文詳述［7］）。薄壁對接焊縫應(yīng)從焊縫兩側(cè)進(jìn)行探測，最好從開有坡口的焊縫一側(cè)探測（探頭可接近時(shí)）。對薄壁焊縫，只要探頭參數(shù)適當(dāng)，聲束足以全覆蓋檢測范圍，以單一探頭－焊縫距離作單行線掃即可。厚壁對接焊縫應(yīng)從焊縫兩側(cè)進(jìn)行探測，最好從開有坡口的焊縫一側(cè)探測（探頭可接近時(shí)）。對厚壁焊縫，可用兩種或兩種以上的探頭－焊縫距離，或多種聚焦法則的探頭－焊縫距離，進(jìn)行線掃，以確保全部覆蓋檢測體積。對T 型接頭，可將斜探頭置于腹板上，用類似于對接接頭對接焊縫的檢測方法進(jìn)行探傷。腹板厚度較薄時(shí)，可只用一種探頭－焊縫距離作E 掃或S掃。只要可接近，斜探頭應(yīng)從腹板兩面進(jìn)行檢測。只要可接近，T 型接頭焊縫最好從翼板外側(cè)進(jìn)行探測。為使焊縫熔合面（K 型坡口有三個(gè)熔合面）的缺陷獲得最佳檢出率，可三法并舉：0°E 掃＋小角度縱波掃＋橫波掃。

圖10 薄壁和中薄壁對接焊縫的S掃和E掃原理示意

圖11 厚壁對接焊縫的S掃和E掃原理示意

圖12 T 型接頭的S掃（腹板側(cè)斜探傷）原理示意

圖13 T 型接頭的組合掃查（翼板外側(cè)探傷）原理示意

4.4 儀器設(shè)備校驗(yàn)

PA 儀器垂直線性、水平線性和聚焦法則的校驗(yàn)方法及要求：前兩項(xiàng)與常規(guī)UT 法同。對相控陣E掃和S掃，特別提到定位編碼器的校驗(yàn)。

用線陣探頭加編碼器作E 掃或S掃檢測前，應(yīng)對所用編碼器進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)間隔不超過一個(gè)月，或在首次使用后不超過一個(gè)月；校驗(yàn)時(shí)，編碼器至少移動(dòng)500mm。顯示值偏差應(yīng)不大于實(shí)際移動(dòng)距離的1%。

4.5 掃查聲束覆蓋范圍

要檢測焊縫和熱影響區(qū)體積，應(yīng)使用帶編碼器的線陣探頭，用線掃法進(jìn)行檢測。每次線掃查應(yīng)平行于焊縫軸線，探頭－焊縫距離保持不變，聲束垂直于焊縫軸線。

（1）探頭離焊縫軸線的距離應(yīng)借助于固定的導(dǎo)軌或機(jī)械裝置，保持一定。

（2）E掃的檢測角度和S掃的角度范圍，應(yīng)針對被檢焊接接頭，適當(dāng)選定。

（3）掃查速度應(yīng)能產(chǎn)生符合要求的圖像。掃查速度的選定應(yīng)根據(jù)諸多因素：如延時(shí)法則數(shù)、掃查分辨力、信號平均值、脈沖重復(fù)頻率、數(shù)據(jù)采集頻率、及受檢體積等。被檢焊縫全長作分區(qū)掃查時(shí)，相鄰掃查區(qū)域之間至少應(yīng)有20mm 重疊長度。掃查環(huán)焊縫時(shí)，第一個(gè)掃查區(qū)始端與最后一個(gè)掃查區(qū)終端，也應(yīng)有相同重疊長度。

（4）對E掃法來說，相鄰主動(dòng)聲闌（即聲闌增量變化）之間的重疊應(yīng)至少為有效聲闌高度的50%。

（5）對S掃法來說，角度掃查增量變化最大應(yīng)為1°或足以確保50%的聲束重疊。

（6）當(dāng)需用多道線掃來覆蓋被檢焊縫和熱影響區(qū)母材時(shí)，相鄰線掃之間的重疊范圍，對E 掃，應(yīng)確保至少有10%的有效聲闌高度；對S 掃，至少為10%的聲束寬度。

4.6 掃查數(shù)據(jù)記錄

ASME規(guī)定：對關(guān)注的檢測區(qū)，應(yīng)記錄未作處理、未設(shè)門限值的A 掃數(shù)據(jù)，最小數(shù)字化頻率為檢測頻率的5倍，記錄增量最大值ΔRmax與材料厚度t關(guān)系如下：①t＜75mm 時(shí)，ΔRmax不大于1 mm。②t≥75mm 時(shí)，ΔRmax不大于2mm。

4.7 焊縫橫向缺陷的檢測

對橫切焊縫軸線的缺陷（如橫向裂紋），可使探頭對焊縫軸線傾斜一定角度，用斜平行法進(jìn)行手工掃查檢測。

（未完待續(xù)）