謝濟安，潘 宏，何啟蓮，陳壯生，劉 濤

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

水工鋼閘門是水工建筑物重要的擋水設備之一，其作用是調(diào)節(jié)上下游水位，以獲得防洪、供水、灌溉、引水發(fā)電等效益，這些效益的發(fā)揮與水工鋼閘門的各類焊縫的焊接質(zhì)量緊密相關，根據(jù)其重要性可將焊縫分為一、二、三類焊縫，這些焊縫內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)缺關系著水工鋼閘門的安全和工程效益的發(fā)揮[1]。

為保證閘門焊縫內(nèi)部質(zhì)量，水利行業(yè)通常使用常規(guī)超聲波方法或射線成像對閘門焊縫進行無損檢測，常規(guī)超聲波檢測中焊縫內(nèi)部缺欠的位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有一定的影響，不同角度的缺欠，反射聲壓相差甚大；射線檢測成本高、效率低，對人體有危害，部分試件和現(xiàn)場條件不適合射線檢測[2]；能源行業(yè)規(guī)范也提到了可用超聲波衍射時差法(TOFD)代替射線檢測對焊縫進行檢驗，但TOFD探頭工作原理是一發(fā)一收，即一個探頭發(fā)射聲波，另外一個探頭接收聲波，導致TOFD對一些位置受限的焊接結(jié)構件無法進行有效檢測。

大藤峽水利樞紐工程低孔弧形閘門單扇閘門重量713 t，單扇閘門噸位位列國內(nèi)前茅，焊接體量大，檢測難度高。隨著近些年PAUT技術的成熟，相應的檢測規(guī)范發(fā)布，PAUT技術在風電行業(yè)、船舶行業(yè)及壓力容器行業(yè)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的認可(如揚州寶應縣融寶達100 MW風電項目風塔錨籠螺栓在役檢測)，本文將以大藤峽水利樞紐工程右岸低孔弧形閘門為研究對象，采用PAUT技術對閘門焊縫進行檢測，以先進的技術為閘門安全保駕護航。

1 PAUT技術的發(fā)展

PAUT技術(Phased-Array Ultrasonic Testing)，又稱為相控陣超聲檢測技術(以下稱PAUT技術)，PAUT技術與常規(guī)超聲波技術均是基于脈沖反射法，但從原理、設備、工藝、信號處理各個方面，前者比后者要復雜很多。相控陣超聲技術初期主要應用在醫(yī)學領域，工業(yè)中最早的相控陣檢測儀器出現(xiàn)于20世紀80年代，但體積龐大且價格昂貴，在數(shù)據(jù)處理上十分麻煩[3]，直到90年代后期微機技術高速發(fā)展，工業(yè)PAUT探頭設計和制造技術進一步完善，小體積的相控陣設備才被人們生產(chǎn)出來。國內(nèi)對PAUT技術的研究起步較晚[2]，始于2000年初期，但近年來發(fā)展迅速，國標在2016年發(fā)布實施，適用于承壓設備的行業(yè)標準也在2021年發(fā)布實施。

2 PAUT技術檢測基本原理

PAUT技術從惠更斯原理出發(fā)，推導出輻射聲場延遲疊加計算公式[4]。通過費馬原理計算各陣元到聚焦點的超聲傳播路徑，確定聲線的入射點和角度，根據(jù)不同聲線的時間差確定延遲法則。

2.1 PAUT技術發(fā)射與接收

PAUT探頭可以將多個獨立的陣元按照一定的排列方式組合成某種特定的陣列(線型陣列、二維矩陣、環(huán)形陣列等)[5](圖1)，每個陣元均可看作是一個可獨立工作的換能器[6]，在發(fā)射過程中，換能器將觸發(fā)信號傳送至相陣器，后者將信號轉(zhuǎn)換成特定的高壓電脈沖，脈沖寬度預先設定，而時間延遲由聚焦定律定。每一個陣元只接收一個電脈沖，所產(chǎn)生的超聲波束有一定的角度，并聚焦在一定的深度。該聲束遇到不連續(xù)就即反射回來，接收回波信號后，相控器按照接收到的聚焦法則變換時間差，并將這些信號匯合一起，形成一個脈沖信號轉(zhuǎn)送至設備。通過換能器控制陣元的激勵順序及延時，即改變陣列中不同陣元之間的驅(qū)動脈沖信號的相對延時Δt(延時法則)，就可以使得相控陣通過電子元件在不改變陣元運動狀態(tài)的情況下聲束朝不同方向偏轉(zhuǎn)，從而達到預期的聲束方向[7]。

圖1 不同類型的陣列組合

2.2 PAUT技術聲束的形成

PAUT探頭的每一個陣元都可以看作是惠更斯原理中提到的次級子波源，各陣元發(fā)出的子波傳播到下一時刻形成的包絡，就是新的波陣面。通過換能器控制組合陣元的延遲，便可實現(xiàn)聲束的聚焦或者偏轉(zhuǎn)[8](圖2)。

圖2 相控陣超聲檢測聲束的聚焦和偏移

2.3 PAUT技術成像

PAUT技術成像是通過掃描接收信號，經(jīng)過設備對信號處理，再進行圖像重構的方式進行。PAUT技術檢測顯示信號主要可分為5種，即A掃顯示、B掃顯示、C掃顯示、D掃顯示、S掃顯示[9]，除此之外，相控陣超聲的圖像顯示還有極坐標圖、TOFD圖、帶狀圖以及各種組合圖形[10]。

A掃顯示反映的是超聲波傳播的聲程相關的超聲脈沖波形(幅度)的顯示；B掃顯示反映的是超聲波傳播方向的斷面圖；C掃顯示反映的是檢測部件的平面視圖或者頂視圖；D掃顯示與B掃顯示類似，但視圖與B掃顯示方向垂直，即B掃顯示表示掃查軸與時間的關系，D掃顯示表示進位軸與時間的關系[11]；S掃顯示是聲束做扇形掃描得到的圖像。相控陣技術S掃顯示可以用鏡像原理解釋及分析，將二次波輻射聲場看做是實際探頭P對應的兩倍板厚底面虛擬探頭P′在工件中產(chǎn)生的聲場(圖3)。

圖3 工件鏡像

3 工程應用

3.1 檢測工藝的設定

PAUT技術雖然基于脈沖反射法[12]，但在聲場、信號處理、成像、性能和功能等很多方面都與常規(guī)超聲技術有著很大的不同[13]，在應用中應根據(jù)實際板厚、坡口形式、焊接工藝、相關規(guī)程設定檢測工藝。

3.1.1設備硬件的選擇

依據(jù)相關規(guī)范要求及檢測母材的厚度，本次試驗選用可同時激發(fā)32陣元，最大支持激發(fā)64陣元的設備，探頭型號為5.0L32-0.6-10，楔塊型號為16N55S-I，靈敏度設定采用CSK-1A，使用RB-2制作TCG曲線，并保證不同深度的橫通孔反射的回波聲壓不超過±2 dB。

3.1.2設備工件及檢測參數(shù)的設定及檢測注意事項

根據(jù)焊接工藝在檢測前對工件進行設置(圖4)，探頭激發(fā)數(shù)量為32陣元，聚焦深度選擇60 mm(2倍板厚)，扇掃角度設置為40～70°，角度間距為1°，探頭距焊縫中心距離ET為44 mm(表1)。其中扇掃角度應嚴格按照規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)(35～75°)，若超出規(guī)定范圍應驗證其靈敏度能否滿足檢測要求。而在掃查過程中探頭距焊縫中心距離保持為設定值，否則將容易造成缺欠的誤判。

圖4 工件設置

表1 檢測參數(shù)的設置

3.2 檢測結(jié)果

使用常規(guī)超聲波對大藤峽水利樞紐工程右岸低孔20號壩段右孔弧形工作閘門安裝階段支臂對接焊縫進行檢測，共發(fā)現(xiàn)3處缺欠，并對其結(jié)果進行記錄(表1)，記錄的數(shù)據(jù)包括探頭參數(shù)、缺欠深度、長度及缺欠最高波幅(表2、3)，使用PAUT技術檢測，共發(fā)現(xiàn)4處缺欠(表4)，數(shù)據(jù)及圖譜由設備檢測過程中自行記錄，后期在軟件系統(tǒng)中進行評定，缺欠圖譜見圖5。

表2 常規(guī)超聲波檢測參數(shù)

表3 常規(guī)超聲波檢測數(shù)據(jù)

表4 PAUT檢測數(shù)據(jù)

圖5 PAUT-#2缺欠圖譜

以圖5為例對圖譜進行解讀，圖5對應的缺欠為PAUT-#2，首先通過扇掃窗口，確定缺欠位于焊縫內(nèi)，然后通過焊縫模擬窗口及A掃窗口確定缺欠的回波聲壓最大處的位置，最后結(jié)合C掃窗口、A掃窗口、扇掃窗口并根據(jù)規(guī)范所給的定位方法，得出缺欠的起點及長度。

3.3 結(jié)果對比分析

根據(jù)表3、4及圖譜對2種試驗方法的結(jié)果對其起始位置、缺欠深度及最高波幅進行逐一比較：①UT-#1和PAUT-#1為同一缺欠，起始位置偏差2.41 mm，缺欠深度偏差1.35 mm，缺欠長度偏差3.94 mm，最高波幅偏差4.12 dB；②PAUT-#2常規(guī)超聲波技術檢測未發(fā)現(xiàn)有發(fā)射體回波；③UT-#2和PAUT-#3為同一缺欠，起始位置偏差2.19 mm，缺欠深度偏差0.13 mm，缺欠長度偏差1.53 mm，最高波幅偏差1.70 dB；④UT-#3和PAUT-#4為同一缺欠，起始位置偏差3.88 mm，缺欠深度偏差3.78 mm，缺欠長度偏差5.49 mm，最高波幅偏差2.04 dB。

常規(guī)超聲波技術檢出3處缺欠，位置分別位于69、580、852 mm處。PAUT技術發(fā)現(xiàn)了4處缺欠，位置分別別位于71.41、300.13、577.81、855.88 mm，其中位于300.13 mm處缺欠常規(guī)超聲波并未發(fā)現(xiàn)，其余缺欠在位置、深度、回波幅度上基本一致。

通過常規(guī)超聲波技術和PAUT技術的圖譜比較可知：常規(guī)超聲波只能通過缺欠的回波幅度、深度及回波的包絡線來判斷缺欠性質(zhì)，但單單通過這些信息無法得到缺欠準確的位置信息，從而無法對缺欠進行正確的評價，相比之下，PAUT技術通過A掃顯示、S掃顯示、焊縫模擬視圖等不同的視圖顯示，能讓檢測員對缺欠進行進一步的分析，因此能更直觀更準確地對缺欠進行解讀。

4 結(jié)論

通過對比試驗分析，常規(guī)超聲波技術只能通過某個單一的角度，對缺欠反射回波進行顯示，缺欠的判定需要過于依賴檢測人員技能水平，若檢測人員技能水平稍差，則會出現(xiàn)誤判、漏判的可能。PAUT檢測技術則是通過聚焦法則，使聲束在一定范圍的角度內(nèi)在焊縫內(nèi)傳播，通過內(nèi)置軟件將聲束的傳播路徑將焊縫內(nèi)部反射體的狀況反映在屏幕上并能永久保存，檢測人員可以在最快的時間確定反射體的反射點，也可以通過圖譜不同的顯示圖像直觀地看出缺欠的位置、形態(tài)，從而更好地對缺欠進行定量、定性。本文應用PAUT技術對大藤峽水利樞紐工程右岸低孔20號壩段右孔弧形工作閘門支臂對接焊縫進行檢測，彌補了傳統(tǒng)超聲波結(jié)果顯示不直觀和無法永久保存圖譜的缺點，除此之外PAUT技術檢測數(shù)據(jù)可實時回放，避免了因人員操作、主觀臆斷等原因造成的粗差，后期對數(shù)據(jù)的分析根據(jù)對不同的掃描視圖分析使得PAUT技術對焊縫內(nèi)部質(zhì)量的解讀、判斷、評價比常規(guī)超聲波技術更為直觀，為閘門后期運行提供了有力的支撐，此外PAUT檢測技術通過使用不同的掃查器，不僅可以對平板對接焊縫進行有效的檢測，對一些T形、Y形、K形焊接接頭的焊縫也可以適用。