超声相控阵与TOFD检测技术测试结果对比分析

吕 磊，涂安琪，张艳飞，刘 俊

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）在制造过程中，如果焊接工艺不当导致GIS设备壳体产生焊缝缺陷，将对GIS设备的安全运行造成隐患。超声相控阵（以下简称相控阵）及TOFD检测技术凭借其直观的检测结果、对缺陷定位定量准确等特点，被广泛应用于GIS设备等承压部件对接焊缝检测中，其检测结果具有可记录性，可据此进行溯源[1-3]。本文通过相控阵、TOFD和常规A型脉冲超声波（以下简称A型脉冲）检测技术对不同缺陷的模拟试块进行试验检测，验证TOFD及相控阵检测技术在承压部件对接焊缝检测中的准确性。

1 检测过程及结果对比

1.1 检测仪器与试块

相控阵检测采用Phascan便携式相控阵超声检测仪，探头型号为5L32-0.5-10-D2，楔块型号为SD2-N55S-IHC，采用MOS-01鼠标式单探头焊缝扫查器，聚焦深度为30 mm，扫查角度40°~70°。TOFD检测仪型号与相控阵检测仪相同，探头型号为TF5C6L，楔块型号为A60-6N-IHC，PCS为46.18 mm。A型脉冲检测仪型号为USM35X，探头型号为5Z10×10K2.5探头，实测探头折射角为68.8°。

模拟试块共3件，分别编号1号、2号、3号，尺寸为200 mm×150 mm×20 mm（长×宽×高），内部缺陷分别设置坡口未熔合、裂纹、夹渣。以下分别利用相控阵、TOFD、A型脉冲检测技术对试块进行检测。

1.2 坡口未熔合缺陷检测

1号试块内部预埋坡口未熔合缺陷，缺陷位于焊缝熔合线处，长度为18 mm，深度为8 mm，自身高度为5 mm。试块X射线底片见图1，相控阵检测图谱见图2，TOFD检测图谱见图3。图1中缺陷呈现连续平直的黑线，线的轮廓整齐且黑度大，黑线位于中心至焊缝边缘之间，沿焊缝纵向延伸，具有坡口未熔合的形貌特征。A型脉冲检测缺陷波形中反射波波峰十分尖锐，波峰宽度很窄，波高超过Ⅲ区，为RL+14 dB，缺陷位于偏离焊缝中心3 mm，在另一侧检测时也能发现缺陷波，但缺陷波波高很低，具有坡口未熔合缺陷波特征。图2的相控阵图谱主要由上部S扫图、右侧A扫图及底部C扫图构成，S扫图中缺陷沿着坡口纵向分布，A扫图中缺陷反射波十分尖锐且波高达到Ⅲ区，C扫图中红色区域为缺陷沿焊缝纵向长度，从缺陷位置及A扫图综合分析可推断，缺陷为靠近探头侧坡口未熔合。观察图3可知，TOFD缺陷图谱由A扫图及B扫图组成，B扫图中可以清晰看到缺陷上端点衍射波及缺陷下端点衍射波，缺陷衍射波平直，两端点呈现月牙状。对缺陷进行测长、测深、测高，结果见表1。

表1 1号试块坡口未熔合缺陷检测结果

图1 1号试块射线底片

图2 1号试块相控阵检测缺陷波形

图3 1号试块TOFD检测缺陷波形

1.3 裂纹缺陷检测

2号试块内部预埋裂纹缺陷，缺陷位于焊缝中心处，长22 mm，深7 mm，自身高度6 mm。试块X射线底片见图4，相控阵检测图谱见图5，TOFD检测图谱见图6。图4中在焊缝中心处呈现黑线，轮廓清晰，黑线上有微小锯齿，线的粗细和黑度有变化，线的尖端较细，端头有丝状阴影延伸，具有裂纹的形貌特征。A型脉冲检测缺陷波形中反射波波峰较尖锐，波峰较窄，波高为Ⅲ区，波高为RL，缺陷位于偏离焊缝中心0.3 mm，两侧均检测出裂纹缺陷波。观察图5可知，裂纹缺陷位于焊缝中心，A扫图显示缺陷反射波较尖锐且波高达到Ⅲ区，从缺陷位置及A扫图综合分析可推断，缺陷为焊缝中心裂纹。TOFD缺陷图谱中裂纹缺陷上下端点不规则，信号不连续，信号端部有许多小的端角。对缺陷进行测长、测深、测高，结果见表2。

图4 2号试块射线底片

图6 2号试块TOFD检测缺陷波形

表2 2号试块裂纹缺陷检测结果

图5 2号试块相控阵检测缺陷波形

1.4 夹渣缺陷检测

3号试块内部预埋夹渣缺陷，缺陷位于焊缝中心处，长20 mm，深10 mm，自身高度3 mm。试块X射线底片见图7，相控阵检测图谱见图8，TOFD检测图谱见图9。图7中影像在焊缝中心处呈现方块状，轮廓清晰、不圆滑、不规则，颜色较暗，根据形貌判断为夹渣。A型脉冲检测缺陷波形中反射波波峰不很尖锐，波峰较宽，波高为Ⅲ区，波高为RL，缺陷位于焊缝中心，两侧均检测出夹渣缺陷波。观察图8可知，夹渣缺陷位于焊缝中心，沿焊缝长度纵向分布。图9的TOFD缺陷图谱中条渣缺陷在长度方向有一段平直信号，时断时续，头尾呈现弧形，上下端点不规则，信号不连续，信号端部有许多小的端角。对缺陷进行测长、测深、测高，结果见表3。

表3 3号试块夹渣缺陷检测结果

图7 3号试块射线底片

图8 3号试块相控阵检测缺陷波形

图9 3号试块TOFD检测缺陷波形

2 试验数据分析

由以上分析可知，相控阵与TOFD检测技术较常规A型脉冲检测技术在缺陷测长、测高、测深方面更为精确。相控阵检测技术与TOFD检测技术均能够有效检测面积型缺陷（裂纹、未熔合）与体积型缺陷（气孔、夹渣），检测结果误差见表4。A型脉冲检测技术在缺陷深度定量及自身高度测量方面存在较大误差，这首先是因为不能有效检测缺陷上端点及下端点，从而导致测量缺陷自身高度有偏差；其次由于声束角度单一，其波幅最高处应为声束与缺陷垂直处，该处深度一般不是缺陷上端点，因此深度测量有较大差异。相控阵探头由一系列阵元组成，计算机可以控制各阵元激励时间及先后顺序，从而控制声束角度，不移动探头就能够实现大范围声束覆盖，找到角度合适的声束垂直射到缺陷上下端点，从而有效检测缺陷深度及自身高度。TOFD检测技术是利用缺陷上端点及下端点衍射波对缺陷进行定位定量。衍射波与反射波相比波幅更低，一般为反射波的1/8，因此TOFD检测技术对于微小缺陷的定位定量更准确，其缺陷测深及自身高度测量也比相控阵准确。在测长方面，A型脉冲检测技术使用-6 dB法，受人为影响较大，误差偏大；相控阵检测技术与TOFD检测技术采用编码器记录探头移动距离，最终通过软件分析得出缺陷长度，因此准确率更高。根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》，当采用不可记录的脉冲反射法进行超声检测时，应当采用射线检测或TOFD检测进行局部检测[4]。因此可采用常规超声检测技术对对接接头进行快速大范围扫查，大致了解部件缺陷情况，然后采用TOFD或相控阵检测技术对缺陷进行精确测量[5-7]。

表4 相控阵和TOFD检测误差 %

3 结语

相控阵、TOFD、A型脉冲3种检测方法对裂纹、未熔合、夹渣缺陷都能够有效检测。A型脉冲检测技术由于声束单一，对缺陷测深误差较大，因此需要选择合适探头。对现场检测空间限制较大的部件，推荐采多组角度探头进行超声检测。TOFD检测技术对缺陷高度定量最准确，且随着厚度增加其精度越高，推荐在壁厚较大的部件中采用。相控阵检测技术在不移动探头情况下实现多角度扫查，检测结果更直观，推荐在现场检测空间较好的中厚部件中采用。