编码相控阵的应用.docx

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编码相控阵的应用

超声编码相控阵的应用

晏

摘要:

介绍超声编码相控阵的技术特性和典型应用，包括腐蚀检测、小径管检测、大径管检测、管道自动检测和钢厂在线检测等，意在为国承压设备焊缝无损检测,推广符合国际法规要求的半自动或全自动超声相控阵技术，提供有用借鉴。

关键词：

超声检测;相控阵技术；定位编码；专用扫查器；承压设备；焊缝

ApplicationsofUltrasonicEncodedPhasedArrays

LIYan

Abstract：

Thisarticledescribedtechnicalcharacteristicsandapplicationsofultrasonicencodedphasedarray,includingcorrosionmapping,smalldiameterpipeinspection,largediameterpipes,pipelineAUT,in-lineinspectionsystems（pipemills）,etc.Theintentionistoprovideusefulreferencestopromotingfurthertheuseofauto-orsemi-autoPAUTtechnologyathome,meetingtherequirementsoftherecentinternationalcodeandstandards.

Keywords:

Ultrasonicexamination;PhasedArraytechnology;Locationencoding;Specialscanner;Pressureequipment;Weldedjoints

最新国际标准ASME（2011a）要求：

承压设备焊缝UT应采用半自动或全自动计算机成像超声技术（即CITs——ComputerizedImagingTechniques）。

目前可作半自动或全自动CITs的有两类：

TOFD和相控阵（PA），而编码相控阵是实施半自动或全自动PAUT的重要条件。

这里，先简述超声相控阵原理，再说明相控阵超声编码线扫查的技术特性优势，然后介绍使用匹配专用扫查器的各种成套检测系统在工业上的应用实例，如配用充水型探头扫查器（Hydro-FORM）测量腐蚀，配用手镯式扫查器（Cobra）检测小径管焊缝，配用漫游式扫查器（WeldROVER）检测大径管，配用跟踪式扫查器（PipeWIZARD）检测管道环焊缝，以及钢管厂的生产现场整套在线检测系统。

超声相控阵检测用的主机，属于便携式的典型仪器有OmniScanMX2，移动式的有FocusLT®等。

1相控阵工作原理

超声相控阵专著专述，早有发表[1][2]，有关操作细节此处不再详述。

简言之，相控阵是由一系列电隔离的晶片（称为阵元，每个阵元都有自己的连接器）、延时电路和模数转换卡组成的。

阵列自身可为线阵（直线排列状）、2D矩阵、环阵或其它特形阵。

其中线阵最常用（因编程容易）。

阵列中的阵元通常是定相成群激励脉冲的。

定相涉及到调整阵元的脉冲激励时间，以产生相长干涉或相消干涉，由此实现相位调整。

实际上，相控阵的使用有两种方法：

手动法[3]和编码法[4]。

两者的差别在于配置不一[5],但根本问题是：

只有编码线扫（或自动）相控阵，才是全数据采集——有位置记录，因此，检测数据可查阅、分析和重建。

国际权威法规ASME最新版（2011a）规定：

承压设备焊缝必须使用有编码定位的半自动或全自动相控阵仪器进行超声检测。

2相控阵技术优势

相控阵能通过施加于阵列的给定延时律（Focallaws或Delaylaws），使超声波束聚焦、扫查和变角、转向，见图1。

阵列要适于应用，如适合于平板尺寸、材料种类等。

若法规有规定，也要符合法规要求。

通常，用编码线扫相控阵，能提供优于传统技术——如手工UT或RT的优势如下：

（1）速度快；

（2）灵活性好；（3）数据便于查阅；（4）缺陷检测率高；（5）易于缺陷定量。

实际上，总的检测费用减小，有先进的成像技术，是相控阵之所以能在短时间在工业上推广应用、卓有成效的主要原因。

而且，相控阵并不改变超声物理特性，与常规UT的区别，主要是产生和接收超声信号的方法有所不同。

无疑，相控阵也有局限性。

也会碰到普通超声碰到的一些问题，如：

耦合、楔块磨损、阵列选择、盲区等。

另外，还会碰到相控阵所特有的一些问题，如：

栅瓣、S扫最佳角度、围校验，特别是人员培训[6]。

（a）水平变焦；（b）斜角变焦；（c）深度变焦

图1超声相控阵E扫、S扫和深度聚焦特性示图

3定位编码器技术特性

探头机械夹持器应装上定位编码器，编码器与A扫描取样同步。

编码器应按制造单位的推荐进行校验，至少每移动500mm验证一次，显示距离误差不大于实际移动距离的±1%。

编码器的校验周期：

时间间隔应不超过一个月，或初次使用后不超过一个月。

ASME第Ⅴ卷第四章强制性附录Ⅴ规定了用线阵列相控阵探头，通过声束角度固定的相控阵电子扫描（E扫）和声束角度可变的扇形扫描（S扫），进行编码线扫查的检测要求。

编码相控阵设备具有利用编码器收集和存储扫查数据及探头位置数据的能力。

将编码器加在电子设备上，还涉及到相关软件。

编码相控阵设备可收集完整的A扫描波形数据，存储和操作显示，给出顶视图、侧视图和端视图，能处理这些数据。

换言之，编码相控阵设备是轻便、低价的自动超声检测（简称AUT）设备，相控阵扫查数据可现场实时显示分析,也可存储后重新释放,作离线数据分析。

而一般的声束扫描相控阵设备,充其量只是配有可变角和可变焦换能器的超声检测设备。

编码相控阵设备对检测焊缝之类的对象，具有省时省费用的优势。

图2表示传统UT，要靠手工移动，使超声单斜探头对着焊缝作前后移动，即令超声波束对焊接接头横断面进行光栅式扫查，再加探头在焊缝长度方向的左右移动，以及两种移动方式的组合，反复循环，以此来完成对整个焊缝长度的体积检测。

图3则表示用相控阵UT的特征：

相控阵斜探头无需对焊缝前后移动，只需沿焊缝长度方向作单道直线状扫查——即所谓“线扫”，而探头阵列则进行光栅式扫查动作，光栅扫与线扫两结合，就能完成对整个焊缝长度的体积检测。

声束扫描相控阵仅执行光栅式扫查，而编码相控阵除了光栅扫，还能进行线扫。

图2是为常规手工光栅扫，图3是相控阵线扫。

相控阵线扫在速度上能提供明显优势，约为常规单探头检测速度的5～10倍。

图2传统UT的光栅式扫查

图3相控阵UT的线扫（含阵列光栅扫）

除能收集和显示所有缺陷外，有些编码相控阵设备还能同时进行多种扫查，即只要阵列在焊缝两侧进行单道扫查，就能满足法规标准要求。

更为先进的设备，还能进行TOFD之类的附加扫查。

当然，编码相控阵设备的价格比一般的声束扫查式相控阵仪器要贵些，因为它有编码器性能，能存储相应数据、作显示重建，有更多通道，还能作某种信号处理。

另外，也要有更多培训事项。

但对正常应用来说，编码数据采集确是好得多、更为经济合算的解决办法，而且在许多情况下，是唯一可行的检测方法。

图4即为编码相控阵多组屏幕显示有助于检测结果评定分析的一例。

图4相控阵检测仪编码扫查的多组屏幕显示（OmniScanMX）

4编码相控阵的典型应用

超声相控阵在工业上的应用，其应用围的确很大。

实际上，可能有2/3的应用属于焊缝检测，其次是航空航天的各种应用。

这里重点介绍有关焊缝等工程检测，检测难度不一。

所有检测，均使用线阵列（或称1D阵列）和带编码器的扫查器。

4.1腐蚀检测

Olympus已推出了有充水探头的扫查器（HydroFORM型），这是借助于水程和带轮探头架，通过相控阵线阵探头，进行线扫而完成腐蚀检测动作的设备[7]。

这种扫查器通常是半自动的，即带编码器的扫查器靠手工推动，而不是靠机械驱动。

充水型探头扫查器（HydroFORM）的外观照片，见图5所示。

图5用于腐蚀检测的充水线阵探头扫查器（HydroFORM）外观

充水型探头扫查器（HydroFORM）通常连接OmniScanMX2型便携式相控阵仪器，获得的腐蚀检测图像显示结果图例，见图6。

图6用充水型线阵探头扫查器（HydroFORM）作腐蚀检测时所获得的A、B、C三种显示图像

由图6可见，在相控阵超声B扫描显示和C扫描显示图上，强腐蚀区域一目了然。

4.2小径管检测

小径管适用的手镯式扫查器（Cobra）已推入市售，其特点是高度较小，可通过聚焦使声束扩散减小到最低程度。

这种扫查器也是半自动设备，因为扫查器很容易通过手工推动，使探头绕小径管作转动扫查，占用通道空间要比机械驱动装置小。

这种扫查选项已包括在ASME最新版（2011a）强制性附录Ⅴ中，也是带编码器的编码定位扫查。

手镯式扫查器（Cobra）所设计的机械结构能适合于铁素体钢和不锈钢小径管环焊缝的相控阵超声检测[8]。

图7即为小径管手镯式扫查器（Cobra）的外观照片。

图7用于小径管焊缝相控阵检测的Cobra扫查器

这种扫查器适于检测的小管直径围为20~110mm。

主要是为检测锅炉管等应用设计的。

管子成排管分布，相邻管管之间间隙较小，或者为辐射防护安全起见，检测速度和覆盖围都受限制。

最初，手镯式扫查器（Cobra）用7.5MHz的聚焦阵列，后来要求频率降到2.25MHz或升到10MHz，要求用于纵波检测，甚至用于TOFD检测。

4.3大径管检测

漫步式扫查器（WeldROVER）适用于大口径管检测（见图8）。

这种扫查器结构紧凑，多功能，是为遵循法规标准要求而精心设计的[9]。

扫查器配用OmniScanMX2便携式相控阵仪器，可在仪器上将相控阵与TOFD双管齐下，组合使用[10]。

当然，对相控阵和TOFD的所有通用事项，包括培训、校验、数据采集和分析等要求，无一例外，都要遵循。

图8用于大口径管焊缝相控阵检测的漫步式扫查器（WeldROVER）

漫步式扫查器（WeldROVER）使用很简单，可直接连接到OmniScan型相控阵检测仪上。

就用手提装置进行控制，只有两三个按钮。

它能扫查直径大口径管，也能扫查平板。

与手镯式扫查器（Cobra）不同，漫步式扫查器（WeldROVER）能夹持一对相控阵探头，外加一对TOFD探头，完成整个被检焊缝的全体积扫查工作。

它没有电动控制器，但可由操作者手持探头架背面的操作柄，沿激光导向的行程，沿被检焊缝前进。

图9即表示用OmniScan型相控阵检测仪和漫步式扫查器（WeldROVER）检测大口径管环焊缝时，所获得的A型、S型和D型三种扫描显示的典型图像。

图9用OmniScan相控阵检测仪和漫步式扫查器（WeldROVER）检测

大口径环焊缝所获得的典型图像显示（A型、S型、D型）

4.4管道自动检测

管道超声自动检测最初是由某两家公司在加拿大西部的亜伯特省开发应用的。

当时就用线扫法，即令扫查器沿环焊缝转动一圈，作机械扫查，完成检测[11]。

本世纪初，我国从加拿大引进了11台套全自动UT设备，完成了西起新疆塔里木盆地东至全长4000kM西气东输长输管道的PAUT（笔者曾在参加了有关管道PAUT的企业标准制定工作）。

该设备为附带TOFD和其它技术的相控阵检测设备。

这对法规标准（美API）所规定的管道焊缝检测完全能满足要求。

除此之外，还有其它方面对全自动超声检测设备的需求，也在日益增长，如无缝管管材的检测，奥氏体焊缝的检测，双管焊接的检测，以及提高定量精度的检测等。

另外，还有船舶船舰油气输送管道和油田长距离输送管道的检测需求。

图10即为在沙漠地带对长输管道进行相控阵超声自动检测的实例[12]。

图10在沙漠地带对长输管道环焊缝进行全自动相控阵超声检测

最近，Olympus又推出一种新型跟踪式扫查器的相控阵检测仪（PipeWIZARDV4），它带有最新版的TomoView软件，驱动盒和插头都改进了，还加了TOFD预置放大器，数据传递特快，有计算机，整个仪器结构改进了。

图11右即为跟踪式相控阵检测仪（PipeWIZARDV4型）的外观，左为其前身V2型。

图11管道全自动跟踪式相控阵检测仪（PipeWIZARDV4型）（右）及其前身V2型外观（左）

4.5钢管厂在线检测系统

Olympus公司已为数家钢管厂研制了专用相控阵设备，如在线旋转式相控阵检测装置，在线和非在线电阻焊相控阵检测装置，以及棒材和旋转棒材的相控阵检测装置（通常与涡流阵列联用）。

这些设备应用效果良好，每台价格1~4百万。

图12所示为电阻焊检测用的ERW-PA相控阵检测装置的外观图。

图12电阻焊在线检测用ERW-PA型相控阵专用设备

这些设备都是用QuickScanLTPA装置（见图13）驱动的，能在线进行快速扫查，重复性很好，性能独特，包括能完成自动校验和管端检测等。

图13为高脉冲发生频率而设计的QuickScanLTPA装置

5编码相控阵的其它应用

在开发相控阵的早期，Olympus（后是R/DTech）就撰写了有关便携式相控阵应用方面的论文[12]。

这些应用包括：

（1）对接焊缝检测；

（2）奥氏体焊缝检测；（3）桥梁结构T型焊缝检测；（4）涡轮根部检测；（5）氢致裂纹检测；（6）垫圈法兰腐蚀检测；（7）管接头检测；（8）轴类检测；（9）军用螺栓螺纹检测；（10）飞机起落架检测；（11）激光焊缝检测；（12）复合材料检测。

上述这些应用，至今有许多已很成熟，完全商业化了（如对接焊缝、螺栓、涡轮根部、法兰、起落架、复合材料检测等），但还有一些（如管接头检测）还在试验与改进过程中。

有的主要是手工检测（如氢致裂纹和起落架检测），有的则已采用或可望采用自动检测。

这些工业应用自本世纪初就已锋芒初露了，近年来，工业新应用还在不断涌现。

编码超声相控阵应用喜人。

6小结

（1）最新权威国际法规（ASME2011a）规定：

承压设备焊缝必须使用有编码定位的半自

动或全自动相控阵设备进行超声无损检测。

（2）采用编码线扫相控阵，是全数据采集，有位置记录。

检测数据可存储、查阅、分析、再建。

可展示S（扇形）扫描或E（电子）扫描图形，并依据A（直角坐标）扫描图形，给出多视图（顶视图，前视图，侧视图，或C显示，B显示，D显示）。

（3）相控阵可与TOFD同时并举，借助于适配扫查器，完成承压设备焊接接头全长的体积检测和质量评定。

（4）对在制承压设备焊缝，可采用全自动编码PAUT；对在用承压设备焊缝，可采用半自动编码PAUT；对局部返修复探部位，可采用手动PAUT。

（5）根据被检工件几何条件（平面、曲面、直径及接头形状等），配置适当的加有定位编码器的专用扫查器。

如小径管配手镯式扫查器，大径管配漫游式或跟踪式扫查器等。

（6）编码相控阵在工业上有广泛用途，除材料检测、腐蚀检测、对接接头检测外，还可用于奥氏体不锈钢焊缝、T型焊缝、安置式或插入式管接头、汽轮机转子、叶片、轴类、螺栓、起落架、复合材料等检测。

（7）熟悉相关法规标准的要求细节，熟练编码相控阵的操作、校验、记录、显示图的识别和结果分析评定，应是PAUT-

级和PAUT-

级人员日常训练有素、不断强化的基本功。

References

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