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超声相控阵技术检测奥氏体不锈钢焊缝,完美!
发布:kittyll   时间:2018/8/29 9:29:27   阅读:181 
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工业射线照相检测技术(RT)是一种经受住了长时间考验,并已被广泛使用的无损检测技术,该技术主要用于在产品制造完成后对其焊接接头和热影响区域进行检测。但是,工业射线照相检测技术也具有一些明显的局限性,例如,它对取向错误的平面缺陷并不敏感,不能立即向检测人员提供检测反馈,并且还会对现场进行的其他工作造成一定干扰,此外还有一个大问题是,它具有一定的辐射,因此对人体健康也存在安全隐患。

超声相控阵检测技术(PAUT)是通过超声探头晶片的组合,按一定的规律逐次激发各个晶片,使所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面,能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向,进而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。然后,采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像的成像。它在确定不连续性缺陷的形状、大小和方向等方面显示出了比单个或多个探头系统更强大的能力。

利用相控阵探头对焊缝进行检测时,无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动,相控阵探头只需沿着焊缝长度方向(平行于焊缝)进行直线扫描检查,进而对焊接接头进行全体积检测。该扫描方式可借助于装有阵列探头的机械扫描器沿着精确定位的轨道滑动完成,也可采用手动方式完成,可实现快速检测,并且检测效率非常高。

现在,一些工业规范、标准和技术已经发展到允许使用超声相控阵检测技术来代替射线照相技术对奥氏体不锈钢焊缝进行检测。自从大约在15年前首次被核电厂大规模采用后,双(二维)矩阵阵列探头组件的使用已经迅速扩展到石油、天然气以及其他一些需要快速、可靠、安全地检测高度衰减奥氏体不锈钢焊缝的工业领域中。

二维矩阵技术

具有强大嵌入式软件的最新便携式相控阵单元可以快速有效地对二维矩阵阵列探头进行设置、部署以及处理最终检测结果,而无需导入利用外部计算器创建的一些聚焦规则文件,也无需使用基于PC的先进软件进行额外的远程控制。

目前,对于不锈钢及异种金属焊缝的圆周和轴向缺陷,基于二维矩阵阵列探头的检测技术可以显示出优秀的检测能力。标准化的二维矩阵阵列配置可以有效地覆盖不锈钢焊缝的整个检测区域,并且可以有效检测出平面缺陷和体积缺陷。

置于可交换楔形组件上的二维矩阵阵列的轮廓,需要与所考虑组件的OD表面相匹配。使用1.5 MHz的低频可以对异种金属焊缝和其他衰减材料进行检测,使用2~3.5 MHz可以对均质锻造不锈钢基材和焊缝进行检测。

双T/R(发射/接收)配置具有以下一些优点:不存在近表面检测“盲区”;消除楔形内部反射造成的干扰回波;由T和R波束的卷积能够获得更好的灵敏度和SNR(信噪比)。

下面,就让我们来了解一下用于奥氏体不锈钢产品焊缝检测的超声相控阵检测技术。

与焊缝平行的缺陷

在利用超声相控阵技术代替射线照相技术进行产品检查时,需要覆盖到整个焊接位置和热影响区域。通常情况下,在碳钢焊缝检测过程中,建议使用剪切波束从两侧对检查区域进行声穿透处理,同时采用后半程跳跃获得焊缝缺陷的镜面反射。

类似的剪切波技术在较低的频率下可用于检查不锈钢焊缝的近侧斜面区域,但并不适用于对奥氏体焊接材料进行检查。而且,对于所谓的CRA焊缝,由于在碳钢管的内径处会存在抗腐蚀合金包层,导致不能有效地使用剪切波束来实施检查。

让我们来看一下使用便携式超声相控阵检测仪器和软件对某个样品进行的示例检测,其示意图如图1所示。

 

图1:TRL模式下的二维矩阵阵列装置

通过使用二维矩阵阵列探头,可以产生从30°到85°的折射纵波波束,以完全覆盖需检查体积。对于厚度在15~50毫米之间的壁厚,1.5~2.25MHz之间的频率被认为是非常合适的,当然,这还取决于基材的衰减。

通过优化楔角和矩阵探头的元件配置,可以在没有相关旁瓣的情况下有效地产生大扫描折射角(如图2所示)。值得一提的是,楔形组件在入射平面上的占地面积应保持最小,因为这样可以允许将声束出射点尽可能地靠近焊缝定位处。
 

图2:2.25MHz的双10X3矩阵阵列(TRL)的设计

304不锈钢板焊缝试样

在TRL模式下,利用标准的2.25MHz双10×3矩阵阵列对304不锈钢板焊缝进行检测评估,测试样品壁厚为25mm。该试样具有典型的V形坡口和表面焊接状态,并且包含与焊缝平行的焊接缺陷。
 

图3:利用标准的2.25MHz双10×3矩阵阵列对304不锈钢板焊缝进行检测评估

图3显示了整个焊缝长度上来自所有折射角度(从30°到85°LW)的合并相控阵数据的图像。其中数据采集是在低增益设置下进行的,以避免高反射率缺陷饱和。16位数据分辨率可以为各种缺陷类型提供适当的软增益设置。通过对投影栅进行充分定位可以有效促进数据解析过程。
 

图4:将从焊缝的一端检测到的所有单个缺陷数据进行合并后的vc端视图

图4显示了使用相同的合并数据组生成的各个缺陷的图像。让我们来看看检测结果:

通过上下边缘的非镜面反射检测到焊缝近侧含有熔合不完全缺陷。

一个不完整的穿透缺陷(1.5毫米高),它很容易与常规回波信号进行区分进而被检测出来;实际上,低折射角对焊缝两侧的ID裂纹也有良好的检测能力;通过解析尖端信号,可以从焊缝近侧精确地确定小裂纹的尺寸。

高角度纵波波束可以很好地检测近表面裂纹,而不会有旁瓣信号产生的噪声。

可以很好地检测到焊接材料中心的一组孔隙,并充分展现了纵向波束在焊接材料中的传播能力。

不锈钢盖面焊缝的轴向裂纹检测

在进行检测之前,如果你不希望移除焊缝的盖面,可以采用一种替代性检测技术来检测管焊缝的轴向(横向)裂纹:单矩阵阵列探头在脉冲回波模式下可用于探测盖面下的声束。由于声束基本上在基体材料中传播,因此剪切波可以非常可靠地检测到焊缝近侧的缺陷。

理想情况下,应该从四个光束方向来检查焊缝(如图5所示),并且需要两个对称的楔形组件来从相反方向进行检查,即顺时针和逆时针方向。
 

图5:不锈钢盖面焊缝的轴向裂纹检测

根据阵列中各个元件的频率和大小,可以优化楔块组件以产生折射角在40°~65°之间的剪切波束,相对于扫描轴方向,在25°~50°之间形成4或5个倾斜角,在每个搜索单元位置发射超过50个声束,如图6所示,这些看似复杂的处理过程交给一个PAUT设备加上一个机载计算器就很容易可以完成了。
 

图6:盖面焊缝的轴向裂纹检测设置

通常使用双线检查序列来完全覆盖检查体积。两条扫描线的轴向位置需要根据管道厚度和焊接冠部宽度来确定。第一条扫描线应尽可能靠近焊缝底部,旨在检测位于焊接根部附近的缺陷,而第二条扫描线应完成热影响区域的覆盖。探头组件的实际大小将被优化,以使射束出射点能够尽可能接近焊缝根部,而不会在楔形物中产生大量的内部反射。

实践证明,这种检测方法对于检测轴向缺陷非常有效。图7显示了在不锈钢焊缝的轴向裂纹上获得的相控阵图像,可以看出该裂纹以各种倾斜角度被检测到,并且呈现出较高的信噪比。
 

图7:不锈钢焊缝轴向裂纹的相控阵合并检测数据(各种倾斜角度):常规投影视图(左)和极坐标视图(右)

先进的超声相控阵检测技术代替传统的射线照相技术具有许多的好处,并且已经引起了石油、天然气、电力、制造业以及其他需要对奥氏体焊缝进行可靠检查的行业领域的高度关注。而且,随着完全集成的超声相控阵检测仪器、功能强大的配套软件和二维矩阵阵列探头的不断进步发展,这种无损检测技术将具有更高的检测效率和成本效益。


作者:Guy Maes
译者:Vince
译自:qualitymag
 
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