PAUT技术在大藤峡水利枢纽工程右岸弧形闸门检测中的应用

谢济安，潘 宏，何启莲，陈壮生，刘 涛

(1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530000；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

水工钢闸门是水工建筑物重要的挡水设备之一，其作用是调节上下游水位，以获得防洪、供水、灌溉、引水发电等效益，这些效益的发挥与水工钢闸门的各类焊缝的焊接质量紧密相关，根据其重要性可将焊缝分为一、二、三类焊缝，这些焊缝内部质量优缺关系着水工钢闸门的安全和工程效益的发挥[1]。

为保证闸门焊缝内部质量，水利行业通常使用常规超声波方法或射线成像对闸门焊缝进行无损检测，常规超声波检测中焊缝内部缺欠的位置、取向和形状对检测结果有一定的影响，不同角度的缺欠，反射声压相差甚大；射线检测成本高、效率低，对人体有危害，部分试件和现场条件不适合射线检测[2]；能源行业规范也提到了可用超声波衍射时差法(TOFD)代替射线检测对焊缝进行检验，但TOFD探头工作原理是一发一收，即一个探头发射声波，另外一个探头接收声波，导致TOFD对一些位置受限的焊接结构件无法进行有效检测。

大藤峡水利枢纽工程低孔弧形闸门单扇闸门重量713 t，单扇闸门吨位位列国内前茅，焊接体量大，检测难度高。随着近些年PAUT技术的成熟，相应的检测规范发布，PAUT技术在风电行业、船舶行业及压力容器行业内已经得到了广泛的认可(如扬州宝应县融宝达100 MW风电项目风塔锚笼螺栓在役检测)，本文将以大藤峡水利枢纽工程右岸低孔弧形闸门为研究对象，采用PAUT技术对闸门焊缝进行检测，以先进的技术为闸门安全保驾护航。

1 PAUT技术的发展

PAUT技术(Phased-Array Ultrasonic Testing)，又称为相控阵超声检测技术(以下称PAUT技术)，PAUT技术与常规超声波技术均是基于脉冲反射法，但从原理、设备、工艺、信号处理各个方面，前者比后者要复杂很多。相控阵超声技术初期主要应用在医学领域，工业中最早的相控阵检测仪器出现于20世纪80年代，但体积庞大且价格昂贵，在数据处理上十分麻烦[3]，直到90年代后期微机技术高速发展，工业PAUT探头设计和制造技术进一步完善，小体积的相控阵设备才被人们生产出来。国内对PAUT技术的研究起步较晚[2]，始于2000年初期，但近年来发展迅速，国标在2016年发布实施，适用于承压设备的行业标准也在2021年发布实施。

2 PAUT技术检测基本原理

PAUT技术从惠更斯原理出发，推导出辐射声场延迟叠加计算公式[4]。通过费马原理计算各阵元到聚焦点的超声传播路径，确定声线的入射点和角度，根据不同声线的时间差确定延迟法则。

2.1 PAUT技术发射与接收

PAUT探头可以将多个独立的阵元按照一定的排列方式组合成某种特定的阵列(线型阵列、二维矩阵、环形阵列等)[5](图1)，每个阵元均可看作是一个可独立工作的换能器[6]，在发射过程中，换能器将触发信号传送至相阵器，后者将信号转换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟由聚焦定律定。每一个阵元只接收一个电脉冲，所产生的超声波束有一定的角度，并聚焦在一定的深度。该声束遇到不连续就即反射回来，接收回波信号后，相控器按照接收到的聚焦法则变换时间差，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号转送至设备。通过换能器控制阵元的激励顺序及延时，即改变阵列中不同阵元之间的驱动脉冲信号的相对延时Δt(延时法则)，就可以使得相控阵通过电子元件在不改变阵元运动状态的情况下声束朝不同方向偏转，从而达到预期的声束方向[7]。

图1 不同类型的阵列组合

2.2 PAUT技术声束的形成

PAUT探头的每一个阵元都可以看作是惠更斯原理中提到的次级子波源，各阵元发出的子波传播到下一时刻形成的包络，就是新的波阵面。通过换能器控制组合阵元的延迟，便可实现声束的聚焦或者偏转[8](图2)。

图2 相控阵超声检测声束的聚焦和偏移

2.3 PAUT技术成像

PAUT技术成像是通过扫描接收信号，经过设备对信号处理，再进行图像重构的方式进行。PAUT技术检测显示信号主要可分为5种，即A扫显示、B扫显示、C扫显示、D扫显示、S扫显示[9]，除此之外，相控阵超声的图像显示还有极坐标图、TOFD图、带状图以及各种组合图形[10]。

A扫显示反映的是超声波传播的声程相关的超声脉冲波形(幅度)的显示；B扫显示反映的是超声波传播方向的断面图；C扫显示反映的是检测部件的平面视图或者顶视图；D扫显示与B扫显示类似，但视图与B扫显示方向垂直，即B扫显示表示扫查轴与时间的关系，D扫显示表示进位轴与时间的关系[11]；S扫显示是声束做扇形扫描得到的图像。相控阵技术S扫显示可以用镜像原理解释及分析，将二次波辐射声场看做是实际探头P对应的两倍板厚底面虚拟探头P′在工件中产生的声场(图3)。

图3 工件镜像

3 工程应用

3.1 检测工艺的设定

PAUT技术虽然基于脉冲反射法[12]，但在声场、信号处理、成像、性能和功能等很多方面都与常规超声技术有着很大的不同[13]，在应用中应根据实际板厚、坡口形式、焊接工艺、相关规程设定检测工艺。

3.1.1设备硬件的选择

依据相关规范要求及检测母材的厚度，本次试验选用可同时激发32阵元，最大支持激发64阵元的设备，探头型号为5.0L32-0.6-10，楔块型号为16N55S-I，灵敏度设定采用CSK-1A，使用RB-2制作TCG曲线，并保证不同深度的横通孔反射的回波声压不超过±2 dB。

3.1.2设备工件及检测参数的设定及检测注意事项

根据焊接工艺在检测前对工件进行设置(图4)，探头激发数量为32阵元，聚焦深度选择60 mm(2倍板厚)，扇扫角度设置为40～70°，角度间距为1°，探头距焊缝中心距离ET为44 mm(表1)。其中扇扫角度应严格按照规范规定范围内(35～75°)，若超出规定范围应验证其灵敏度能否满足检测要求。而在扫查过程中探头距焊缝中心距离保持为设定值，否则将容易造成缺欠的误判。

图4 工件设置

表1 检测参数的设置

3.2 检测结果

使用常规超声波对大藤峡水利枢纽工程右岸低孔20号坝段右孔弧形工作闸门安装阶段支臂对接焊缝进行检测，共发现3处缺欠，并对其结果进行记录(表1)，记录的数据包括探头参数、缺欠深度、长度及缺欠最高波幅(表2、3)，使用PAUT技术检测，共发现4处缺欠(表4)，数据及图谱由设备检测过程中自行记录，后期在软件系统中进行评定，缺欠图谱见图5。

表2 常规超声波检测参数

表3 常规超声波检测数据

表4 PAUT检测数据

图5 PAUT-#2缺欠图谱

以图5为例对图谱进行解读，图5对应的缺欠为PAUT-#2，首先通过扇扫窗口，确定缺欠位于焊缝内，然后通过焊缝模拟窗口及A扫窗口确定缺欠的回波声压最大处的位置，最后结合C扫窗口、A扫窗口、扇扫窗口并根据规范所给的定位方法，得出缺欠的起点及长度。

3.3 结果对比分析

根据表3、4及图谱对2种试验方法的结果对其起始位置、缺欠深度及最高波幅进行逐一比较：①UT-#1和PAUT-#1为同一缺欠，起始位置偏差2.41 mm，缺欠深度偏差1.35 mm，缺欠长度偏差3.94 mm，最高波幅偏差4.12 dB；②PAUT-#2常规超声波技术检测未发现有发射体回波；③UT-#2和PAUT-#3为同一缺欠，起始位置偏差2.19 mm，缺欠深度偏差0.13 mm，缺欠长度偏差1.53 mm，最高波幅偏差1.70 dB；④UT-#3和PAUT-#4为同一缺欠，起始位置偏差3.88 mm，缺欠深度偏差3.78 mm，缺欠长度偏差5.49 mm，最高波幅偏差2.04 dB。

常规超声波技术检出3处缺欠，位置分别位于69、580、852 mm处。PAUT技术发现了4处缺欠，位置分别别位于71.41、300.13、577.81、855.88 mm，其中位于300.13 mm处缺欠常规超声波并未发现，其余缺欠在位置、深度、回波幅度上基本一致。

通过常规超声波技术和PAUT技术的图谱比较可知：常规超声波只能通过缺欠的回波幅度、深度及回波的包络线来判断缺欠性质，但单单通过这些信息无法得到缺欠准确的位置信息，从而无法对缺欠进行正确的评价，相比之下，PAUT技术通过A扫显示、S扫显示、焊缝模拟视图等不同的视图显示，能让检测员对缺欠进行进一步的分析，因此能更直观更准确地对缺欠进行解读。

4 结论

通过对比试验分析，常规超声波技术只能通过某个单一的角度，对缺欠反射回波进行显示，缺欠的判定需要过于依赖检测人员技能水平，若检测人员技能水平稍差，则会出现误判、漏判的可能。PAUT检测技术则是通过聚焦法则，使声束在一定范围的角度内在焊缝内传播，通过内置软件将声束的传播路径将焊缝内部反射体的状况反映在屏幕上并能永久保存，检测人员可以在最快的时间确定反射体的反射点，也可以通过图谱不同的显示图像直观地看出缺欠的位置、形态，从而更好地对缺欠进行定量、定性。本文应用PAUT技术对大藤峡水利枢纽工程右岸低孔20号坝段右孔弧形工作闸门支臂对接焊缝进行检测，弥补了传统超声波结果显示不直观和无法永久保存图谱的缺点，除此之外PAUT技术检测数据可实时回放，避免了因人员操作、主观臆断等原因造成的粗差，后期对数据的分析根据对不同的扫描视图分析使得PAUT技术对焊缝内部质量的解读、判断、评价比常规超声波技术更为直观，为闸门后期运行提供了有力的支撑，此外PAUT检测技术通过使用不同的扫查器，不仅可以对平板对接焊缝进行有效的检测，对一些T形、Y形、K形焊接接头的焊缝也可以适用。