超聲相控陣技術在實際檢測中的應用研究

最新 04-08

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超聲相控陣技術在實際檢測中的應用之在役超高壓水晶釜超聲相控陣技術研究

隨著水晶釜數量的增多及使用年限的增加，同時結合它的使用特點，對在役水晶釜的檢驗就變得非常必要。對於內外徑之比小於等於0.8的超高壓水晶釜，運行參數高（工作溫度＜400℃、工作壓力：137～147MPa）和介質有腐蝕性(NaOH溶液),在壓力、溫度循環應力共同作用下，在使用中易產生應力腐蝕裂紋等危害性缺陷。常規的周向超聲檢測技術檢測存在純橫波檢測困難、面積型缺陷反射波指向性的影響、聲波干涉導致內表面缺陷檢測靈敏度的降低、缺陷定位困難以及曲界面導致靈敏度降低等技術難點，國內外還沒有相應的檢測標準和成熟的檢測工藝［1 － 2］。由於相控陣技術可以實現不同角度掃描，聲束可達性好，實現偏轉和動態聚焦等立體化成像優點，再結合水晶釜結構及失效特點，基於實際實驗研究，本文提出採用超聲波相控陣技術對超高壓水晶釜進行探傷。實驗結果表明，本文提出的相控陣技術對超高壓水晶釜的表面和內部缺陷位置，分布和尺寸能直觀進行動態成像，具有很高的靈敏度和可靠性，為以後水晶釜的檢驗提供借鑒。

1水晶釜檢測特點

超高壓水晶釜的，設計壓力一般為140～160MPa，工作壓力：137～147MPa,設計溫度：400℃，工作溫度：＜400℃，內徑：Φ200～Φ300mm，壁厚80～120mm，長度：4000～6500mm，材質一般為PCnNi3MoVA,工作介質為NaOH溶液。從檢測的角度看，一般來說超高壓水晶釜檢測特點：

(1)在高溫、高壓、腐蝕性介質下運行，內壁容易產生應力腐蝕裂紋等危害性缺陷。

(2) 承受交變載荷，大概每月升降壓一次進行周期性操作，易產生疲勞裂紋。

(3)內徑小，筒體長，內壁無法進入做有效檢測。

(4)內徑小且壁厚，內外徑之比＜80%，無法使用超聲波檢測標準進行超聲波檢測。

(5)釜體底部和口部有台階，造成應力集中易產生裂紋，且結構複雜，增加了檢出難度。

2 超聲相控陣檢測方法原理及試塊

2.1檢測方法原理

相控陣超聲檢測技術是一種多聲束掃描成像技術，它所採用的超聲檢測探頭是由多個晶片組成的換能器陣列，陣列單元在發射電路激勵下以可控的相位激發出超聲波，產生的波陣面在水晶釜釜體傳播過程中波前相互疊加，形成不同的聲束，並在內壁進行會聚，並使聚焦入射到內壁。同樣，在反射波的接受過程中，按一定規則和時序控制接收陣元的接收並進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示，由此實現了超聲波聲束的動態聚焦［8］。

相控陣超聲探頭由晶片陣列組成，各聲束相位可控，可用軟體控制聚焦焦點，不移動探頭或盡量少移動探頭就能掃查厚大工件和形狀複雜工件的各個區域。通過優化控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，使得相控陣超聲在檢測水晶釜的分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優越性。

圖1 曲面相控陣聚焦原理

2.2超聲相控陣檢測試塊

根據水晶釜的規格，設計了相控陣對比試塊。試塊的材質與規格應與被檢工件相同，加工精度參照GB /T 11259—2015《超聲波檢驗用鋼製對比試塊的製作與檢驗方法》的要求。依據水晶釜的規格，做成從距外壁20mm，壁厚中心起並且依次7個的Φ1×20mm的橫孔，如圖2 所示。具體實物，見圖3所示。

檢測試塊

注:Ｒ=215 mm，r=125 mm，試塊高度100 mm，人工槽深度20mm，

長橫孔分別位於距外表面20mm，壁厚中心位置，距內表面50 mm

3超聲相控陣檢測方法

為了檢出水晶釜內部及內表面的各類缺陷，所以選擇的不同的檢測方法，以提高缺陷的檢出率。

3.1用超聲相控陣縱波檢測鍛件缺陷

由於釜體採用鍛件並經機械加工而成，所以檢測釜體鍛造缺陷，採用相控陣直探頭在外表面進行線性周向掃查。

選用探頭：探頭選5M32位相控陣探頭，楔塊曲率按工件實際製作。

圖4直探頭參數選擇

選用軟體：

圖5 選擇軟體類型

掃查方式：沿著周向進行掃查一周。

檢測說明：檢測圖像中，中間有規律的界面波是契塊的一次波，可以換不同厚度的契塊，以消除界面波對檢測結果的影響。

掃查試塊時的相控陣成像如圖：

3.2用相控陣橫波斜探頭做軸向掃查檢測周向裂紋

根據文獻資料表明，水晶釜爆炸事故發現，多數水晶釜爆破形式為底部台階或退刀槽處周向開裂爆炸。這是因為釜體底部台階或退刀槽處產生應力集中，因此對此處檢測顯得尤為重要。然而常規超聲波檢測對釜體內壁台階、螺紋加工退刀槽和螺紋區三處內壁周向裂紋缺陷的評定很難判斷，因此用常規超聲波檢測，容易漏檢和誤判。但用超聲相控陣就比較容易解決此問題。

選用探頭：5M32位相控陣探頭