(1.葫蘆島北檢科技有限公司，葫蘆島 125001；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100043；3.上海特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；4.陽(yáng)江核電有限公司，陽(yáng)江 529941)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的新方向，也是最先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。該技術(shù)的檢測(cè)原理是：將按一定規(guī)律排列的相控陣探頭中的多個(gè)晶片(陣元)，按預(yù)先規(guī)定的設(shè)置激活，利用被激活的晶片發(fā)射(或接收)偏轉(zhuǎn)和聚焦的聲束檢測(cè)工件中的缺陷，并對(duì)缺陷進(jìn)行超聲成像。相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果以圖像形式顯示，分為A掃描、B掃描、S掃描、E掃描及P掃描等，掃描結(jié)果直觀易懂，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)回放功能，并且還能記錄掃查位置。這些功能是常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。目前相控陣超聲檢測(cè)普遍采用扇形掃描檢測(cè)(即S掃描)，扇形掃描成像方式有兩種模式(見(jiàn)圖1)，一種是按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像，其特點(diǎn)是顯示直觀、易定性、容易區(qū)分偽顯示；另一種是按聲程成像進(jìn)行試驗(yàn)，其特點(diǎn)是顯示不直觀、給分析缺陷增加難度。這兩種成像方式代表兩種不同類型的相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備。

圖1 相控陣扇形掃描的兩種成像方式

筆者對(duì)厚度為22 mm的模擬試塊中的近表面裂紋缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，其特點(diǎn)是近表面裂紋缺陷的反射波與焊縫余高幾何反射波容易混淆在一起，不易區(qū)分，給成像結(jié)果的分析增加難度。通過(guò)相控陣扇形掃描的兩種成像方式顯示近表面裂紋缺陷，分析這兩種成像方式的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證了采用按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像方式的優(yōu)勢(shì)。

1 試驗(yàn)對(duì)比

1.1 相控陣超聲設(shè)備

相控陣超聲設(shè)備采用以色列的ISONIC設(shè)備和美國(guó)的ZETEC設(shè)備。ISONIC相控陣超聲設(shè)備采用按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式，而ZETEC相控陣超聲設(shè)備采用按聲程成像的方式。

1.2 相控陣探頭

采用的一維線性相控陣探頭參數(shù)為5 MHz，32晶片，兩晶片中心線間距(p)為0.5 mm，單個(gè)晶片寬度(e)為0.4 mm，兩晶片間隙(g)為0.1 mm，楔塊角度為36°。

1.3 參考試塊

采用DL/T 1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中PRB-Ⅱ試塊。

1.4 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為厚度為22 mm的模擬試塊中的近表面裂紋缺陷，其長(zhǎng)度為(30±5) mm，深度為0～0.5 mm，自身高度為(4.0±1) mm,結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 近表面裂紋缺陷結(jié)構(gòu)示意

1.5 檢測(cè)設(shè)置

兩種類型相控陣超聲設(shè)備的主要檢測(cè)設(shè)置要求如下。

(1) 一次激發(fā)16晶片(即9～24)。

(2) 采用相控陣扇形掃描技術(shù)檢測(cè)。

(3) 采用平行于焊縫方向的線性掃查方式(即非平行掃查方式)。

(4) 扇形角度范圍為40°～75°。

(5) 在PRB-Ⅱ試塊上制作DAC(距離-波幅)曲線。

采用ISONIC相控陣設(shè)備制作DAC曲線，ZETEC相控陣設(shè)備制作TCG(距離增益補(bǔ)償)曲線。

1.6 檢測(cè)結(jié)果及分析

1.6.1 近表面裂紋缺陷檢測(cè)結(jié)果

使用以上兩種設(shè)備對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)兩種設(shè)備的掃查起始點(diǎn)位置相差12 mm，聲束角度為48°時(shí)指針位置相同。

(1) ISONIC相控陣設(shè)備檢測(cè)結(jié)果及顯示，如圖3所示。圖3(a)中，指針標(biāo)記處為近表面裂紋缺陷；圖3(b)中，分析指針的位置為229 mm，聲束角度為45.5°時(shí)，測(cè)得的結(jié)果如下：長(zhǎng)度為33.9 mm，深度為1.0 mm，幅度>130%；圖3(c)中，分析指針的位置為216 mm，聲束角度為48°時(shí)，測(cè)得的結(jié)果如下：長(zhǎng)度為33.9 mm，深度為4.7 mm，幅度為71.8%。

圖3 ISONIC相控陣設(shè)備檢測(cè)近表面裂紋缺陷所得的圖像

(2) ZETEC相控陣設(shè)備檢測(cè)結(jié)果及顯示，如圖4所示。圖4(a)為分析指針位于204 mm，聲束角度為48°時(shí)的數(shù)據(jù)顯示圖，圖中指針標(biāo)記處為近表面裂紋缺陷；圖4(b)得到的近表面裂紋缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果如下：長(zhǎng)度為34 mm，深度為0.32 mm，幅度>100%。

圖4 ZETEC相控陣設(shè)備檢測(cè)近表面裂紋缺陷所得的圖像

(3) 射線檢測(cè)結(jié)果及底片，如圖5所示，其射線檢測(cè)顯示缺陷長(zhǎng)度為33 mm。

圖5 近表面裂紋缺陷的射線檢測(cè)底片

1.6.2 檢測(cè)結(jié)果分析

(1) 圖3采用了按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式，圖4采用了按聲程成像的方式。由圖3，4可看出，兩種相控陣設(shè)備的顯示方式均是成像顯示，都采用了三視圖形式，即S掃描顯示圖(主視圖)、B掃描顯示圖(側(cè)視圖)及C掃描顯示圖(俯視圖)。圖5是近表面裂紋缺陷的射線底片，印證了裂紋缺陷的存在、走向及形貌特征。

(2) 對(duì)圖3的分析

① 從圖3中的S掃描顯示圖(主視圖)可以很直觀地看出該圖像顯示是由二次波聲束檢測(cè)得到的，并且顯示在焊縫輪廓之內(nèi)，由其能很容易地判斷出該缺陷來(lái)源于焊縫上部、且接近上表面。

② 從圖3中的B掃描顯示圖(側(cè)視圖)看出該缺陷在深度方向深淺不一、變化大且不規(guī)則。

③ 從圖3中C掃描顯示圖(俯視圖)看出缺陷在長(zhǎng)度方向走向不規(guī)則、彎曲。

④ 從圖3中圖像的顏色能看出A掃描波形幅度變化明顯。

⑤ 圖3(b)是45.5°聲束二次波檢測(cè)近表面裂紋缺陷得到的圖像，顯示深度為1.0 mm，幅度>100%。圖3(c)是48°聲束二次波檢測(cè)近表面裂紋缺陷得到的圖像，顯示深度為4.7 mm，幅度為71.8%。兩者均符合缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)，且兩者測(cè)得的缺陷位置不同，體現(xiàn)出該缺陷深淺不一及幅度多變的特征。

⑥ 在圖3(c)的48°聲束S掃描圖中僅有x和y兩個(gè)圖像顯示。x顯示位于余高附近，y顯示位于焊縫近表面。兩者均由二次波檢測(cè)得到，并且都在焊縫輪廓之內(nèi)，圖像清晰、易于識(shí)別，很容易分析出該缺陷來(lái)源于焊縫表面或近表面。

根據(jù)上述缺陷圖像的特征可估判出該缺陷為表面裂紋缺陷，而不是余高幾何反射波顯示，再結(jié)合外觀檢查，可判斷為近表面裂紋缺陷。由此可見(jiàn)，采用按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像方式的獨(dú)特性及優(yōu)勢(shì)。

(3) 對(duì)圖4的分析

① 從圖4的S掃描顯示圖中不能很容易地看出該圖像顯示是由二次波聲束檢測(cè)還是由三次波聲束檢測(cè)得到的。在焊縫輪廓之內(nèi)和焊縫輪廓之外都有圖像顯示，不能直觀看出該顯示是表面缺陷顯示還是內(nèi)部缺陷顯示，也不能分辨出是否為余高幾何反射波顯示。其將缺陷顯示與偽缺陷顯示混合在一起，給缺陷性質(zhì)的分析增加了難度，同時(shí)也增加了誤判的可能性。

② 圖4中VC-B掃描顯示圖是48°角度聲束的B掃顯示，此圖說(shuō)明該缺陷有一定長(zhǎng)度，深度方向深淺基本一致，且形狀規(guī)則，符合條狀缺陷的圖像特征。融合VC-B掃描顯示圖是不同角度的聲束扇形掃描檢測(cè)到的該缺陷圖像的合成，此圖在深度方向變化很大，混亂、不規(guī)則，不像條狀缺陷圖像特征， 而像密集型缺陷特征。

③ 從圖4中融合C掃描顯示圖(俯視圖)看出缺陷有一定長(zhǎng)度、較規(guī)則且略有彎曲，符合條狀缺陷圖像特征。

④ 在圖4(c)的48°聲束扇形掃描主視圖中有A、B、C、D等4個(gè)圖像顯示。A顯示和B顯示是由二次波聲束檢測(cè)得到的，且在焊縫輪廓之內(nèi)。C顯示和D顯示是由三次波聲束檢測(cè)得到的，且在焊縫輪廓之外。圖像顯示復(fù)雜混亂，缺陷波顯示與偽缺陷波顯示混淆在一起，不易識(shí)別，給缺陷的分析評(píng)定增加了難度。

⑤ 圖4(c)中A點(diǎn)深度值為39.33 mm，距離檢測(cè)面的深度為4.67 mm；B點(diǎn)深度值為43.68 mm，距離檢測(cè)面的深度為0.32 mm；C點(diǎn)深度值為46.58 mm，距離檢測(cè)面的深度為2.58 mm；D點(diǎn)深度值為50.62 mm，距離檢測(cè)面的深度為6.62 mm。由此可見(jiàn)，A點(diǎn)和B點(diǎn)屬于二次波檢測(cè)范圍，深度值符合缺陷設(shè)計(jì)要求；而C點(diǎn)和D點(diǎn)屬于三次波檢測(cè)范圍，是超聲波在母材與焊縫余高交界附近發(fā)生反射形成的三次波聲束，檢測(cè)定位不準(zhǔn)，準(zhǔn)確性欠佳，檢測(cè)結(jié)果值得商榷，尤其D點(diǎn)顯示的深度值已經(jīng)超出缺陷設(shè)計(jì)參數(shù)范圍。

根據(jù)上述缺陷圖像在三視圖中的顯示特征，可以看出采用按聲程成像的方式不易分辨出該缺陷是焊縫內(nèi)部缺陷還是焊縫表面缺陷；而且，由于受余高反射波圖像的干擾，該缺陷顯示混亂不清晰、定位易出現(xiàn)偏差，特征性不明顯，無(wú)裂紋缺陷形貌特點(diǎn)，故無(wú)法判斷其為近表面裂紋缺陷。

2 結(jié)論

按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式具有顯示直觀、易定性，缺陷定位準(zhǔn)確，偽缺陷顯示易區(qū)分等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于按聲程成像的方式。

焊縫檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)中最普通的檢測(cè)對(duì)象，也是檢測(cè)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。由于焊縫檢測(cè)中存在影響缺陷分析評(píng)定的偽缺陷波，因此建議焊縫檢測(cè)時(shí)采用按實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)成像的方式，這樣更容易準(zhǔn)確判別缺陷，進(jìn)而更能有效地確保焊縫質(zhì)量、提升檢測(cè)效率。