相控阵超声检测系统特性评价的具体要求(一、二)(节选)
Specific Requirements for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems

李衍 无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会
Li YanNDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society

超声相控阵技术对缺陷的检出能力,对缺陷定位、定量、定性表征的准确性,相关于相控阵仪器和系统特性的综合功能。本文介绍ASME BPVC (美国锅炉压力容器法规)最新版(2009增补)有关相控阵超声检测仪器和系统特性评价的具体要求,包括相控阵:(1)声束轮廓的测定;(2)声束变角范围的测定;(3)阵元激活性的测定;(4)聚焦能力的测定;(5)参数和数据显示的计算机控制;(6)探头楔块衰减和延迟补偿的评价:(7)仪器垂直线性和水平线性及动态范围的评价。期望为国内承压设备相控阵超声检测的有效应用和标准化,提供法定依据和有用借鉴。
The capability of detecting flaws and the accuracy of locating, sizing and characterizing flaws by phased-array ultrasonic technology are related to the validity of phased-array instruments and systems. This article described the specific requirements for evaluating performance characteristics of phased-array ultrasonic examination instruments and systems regulated in the latest edition of ASME BPVC (2009b), including determination of phased-array’s(1) beam profile; (2) beam steering limits; (3) element activity; (4) focusing ability; and assessment of phased-array’s(5) computer control of parameters and data display; (6) wedge attenuation and delay compensations; (7) instrument amplifying linearity and time-base linearity. The intention is to provide an authorized basis and a source of reference for effective application and standardization of phased-array ultrasonic examination for pressure equipment in our country.

超声检测,相控阵,仪器和系统,特性评价,具体要求
Ultrasonic Examination,Phased-Array,Instruments and Systems,Performance Evaluation Specific Requirements

ASME 最新版(09增补)推出的SE-2491有关相控阵超声波探伤仪和系统特性评价的一般要求,笔者已撰文介绍。本文详述具体要求。
ASME列出的相控阵超声检测系统特性粗分7类,细分10项,即:声束宽度,变角范围,阵元激活,聚焦能力,参数微控,数据显示,楔块衰减,延迟修正,垂直线性,水平线性。测试评价的要点是:每一特性参数的测试意义,测试配置条件和方法程序,及结果评价。

1.相控阵声束轮廓的测定

1.1概述

相控阵声束轮廓(宽度)影响检测分辨力,它相关于焦深和折射角。通常要测定相控阵两个方向的声束宽度:一个是主动窗(平行于阵列探头长度)方向的,另一个是被动窗(平行于阵列探头宽度)方向的。
要测定声束宽度的相控阵探头可为直接接触式探头或水浸探头。但要注意,测定接触式探头时,务必采取适当措施,确保接触耦合良好,否则会引起测试误差,评价失当。

1.2配置和测试要点
1.2.1定态声束与动态声束对声束固定的单一聚焦法则(即不采用电子扫描或扇形扫描方式),且探头用水浸法时,可使用球体作测试标靶(target),或用水听器(hydrophone,参阅ASTM E 1065)测试声束宽度。对声束为动态性的相控阵探头,因其使用多个聚焦法则进行扇形扫描或电子扫描,无需机械移动或稍作探头移动,即可完成声束宽度的测试。作机械移动测试时,应有定位编码器,使信号时间和波幅能与探头移动距离相关联。编码器的准确度应通过校验,控制在声束测试合适的误差范围内。用接触式探头测评电子扫描和扇形扫描的声束宽度时,应作适当说明。但要求用水浸法测试时,可用适当杆体或球体代替机械加工的测试标靶。
1.2.2线阵列探头的声束测评线阵列探头声束发射方向具有主动面和非主动(被动)面。主动面平行于阵列探头轴线;被动面平行于阵列探头宽度或阵元长度。评价主动面中的声束,探头应使用电子扫描程序,并有足够阵元数,以用电子方法使声束扫查到要测试的所有标靶。对使用大部分可用阵元来形成声束的相控阵探头,作电子光栅的剩余阵元数可能偏少,以致有些标靶不能被声束扫查到。在这种情况下,就需要通过有编码的机械移动,分别对声束沿主动面移动时所预置的各聚焦法则一一测评。
(略)

2.相控阵声束变角范围的测定

2.1概述
(1)这里说明测定相控阵探头声束转向能力的变角范围,所述方法只涉及在主动面内的声束变角情况。探头可用水浸法,也可用接触法测试。但要注意,用接触法测试时,若不采取适当措施,确保耦合条件稳定,遇到的变量有可能使测试值超差。
(2)相控阵探头声束扫查有效角度范围的推荐值,相关于探头阵列中各阵元的声束扩散角。当采用脉冲回波法时,可考虑单个阵元用6dB回波包络法确定的变角范围。因此,可根据标称频率和制造方提供的阵元尺寸,计算出相控阵探头声束可变角范围的理论值。但有几个参数会影响理论计算。这些参数主要相关于探头的标称频率。有些参数则影响实际频率,如脉冲长度、阻尼、延迟线或折射楔的使用、以及制造过程中厚度搭接层和匹配层的变化等。
(3)对本标准规定的程序,声束可变角能力的评价是基于改变角度位移时的信噪比的比较。声束可变角能力也受声束投影要求的影响。要求声束聚焦的应用,可不要求达到非聚焦声束一样的可变角范围。
(4)可变角能力随声程距离、阵列窗口(aperture)及材质而异。

2.2配置和测试方法
(略)

3.相控阵元有效性的测定

3.1概述

此特性评价用于确定相控阵探头的所有阵元是否有效(可激活),各阵元发射声能是否一致。这是因为在正常的时控操作过程中,每一阵元均需有单独的脉冲发生器和接收器编址,所用方法必须确保相控阵仪器的电子性能对各阵元保持一致,任何差别只可归属于探头本身。为确保阵元特性的变化只能归属于探头结构,每一阵元只能选定一个脉冲发生器-接收器连接通道。

3.2配置和测试方法
(1)将要测试的相控阵探头连接到相控阵超声仪器上,使延迟线或折射楔在探头上移动。
(2)将探头置于IIW试块25mm厚度的探测面上,探头与试块接触面之间有均匀的耦合层。为此可采用间隙接触法,探头-试块充水耦合,也可采用水程固定的水浸法(用水-钢界面信号监视耦合状态)。
(略)

4.相控阵聚焦能力的评定

4.1概述

超声波束的聚焦是基于众所周知的原理。但与普通单晶探头不同的是,相控阵系统可设置成在一系列声程范围内聚焦,而且发射和接收两种方式均可聚焦。聚焦算法的有效性可通过声束特性尺寸的测定来评价。这类似于本文第1节所述相控阵声束轮廓的测定。聚焦的限度是探头参数所固有的,它受制于相控阵超声仪器的最低延时能力。

4.2配置和测试方法
(略)

5.相控阵参数和数据显示的计算机控制评价

5.1概述
(1)原理:相控阵的超声声束控制是基于费尔马原理,即声传播遵循时间最短的行程。此原理可用于相控阵探头阵元发射的超声波前传播声程的声线跟踪,以计算出使声束对准特定位置时定时电子设备所需要的延迟时间。利用费尔马原理,输入材料声速,就可算出折射角和焦点位置。只要材料声速准确,算出的声束位置也会准确。
(2)变量:计算的准确性相关于几个变量,包括:被检材料声速,探头组件尺寸(阵元尺寸,主频率,楔内延迟声程),以及影响相位干涉图形的脉冲发生器的定时准确性。若所有变量都能准确代入相应公式,则声束应能准确定位。在计算机控制系统,操作者唯一可获得的证据,就是数据显示。显示图会提供坐标系统,由此可测出两维或三维人工标靶的回波位置。将显示图上的理论测绘位置,与特定标靶的实际已知位置联系起来,是评价组合变量与计算机算法影响显示准确性的唯一有效方法。

5.2配置和测试方法
(略)

6.相控阵探头楔块衰减和延迟校正的评价

6.1概述
(1)重要性:使用电子扫描或扇形扫描时,各个脉冲发生器和接收器电子线路之间的差异,探头阵元之间的差异,均可能引起聚焦法则之间在增益上的数值变化。而且,发生效率随角度而变化,会因楔块的自然角度而衰减。当使用折射楔或延迟线时,楔内声程的差异,会使一些聚焦法则需要加减放大器增益。因此需要有增益变异的调整方法,以使电子扫描或S扫描中的整套聚焦法则“规范化”。
(2)评价要求:当相控阵探头用延迟线或折射楔时,声束变角和投影显示的计算均基于费尔马原理。这就要求操作者能识别在探头阵元空间中的位置。这样才能确保阵元到楔块-钢界面的行程距离准确已知。要验证操作者使用的坐标能提供正确的深度计算值,以确保显示软件可正确定位检出的显示。
(3)校正方法:可按某一时刻的聚焦法则,对衰减差异和延迟时间进行校验调整;也可配置相应软件,进行动态校正。对半径50mm圆弧线上的横孔,可用为50mm焦距配置的聚焦法则;而对半径25mm圆弧线上的横孔,则用为25mm焦距配置的聚焦法则。

6.2楔块衰减校正
(略)

7.相控阵仪器线性的评价

7.1概述
相控阵超声仪各脉冲发生器和接收器的操作,基本上与任何单通道超声探伤仪相同。仪器线性要求可按ASTM E 317 所述评价。但由于所有相控阵仪器均有数控特性,再加使用多重脉冲发生器和接收器,因此对相控阵仪器要求评价不同于传统单通道仪器的线性。

7.2配置和测试方法
(1)相控阵仪器配置A扫描显示。
(2)将A扫描时基线调到适当范围,以显示选定的脉冲回波信号来验证线性。选用类似于ASTM E 317所示线性试块,以获取回波信号,评价仪器线性状态。图13即为安置了单晶探头的线性校验试块。
(略)

8.小结

(1)相控阵声束宽度相关于对相邻小缺陷的分辨力,也相关于缺陷测长精确度、特别是裂纹类小缺陷的测高精确度。
(2)相控阵声束变角范围相关于对焊接接头用一次波和二次波的可检范围。横波一次波通常设置为35°~75°的范围;二次波检出的缺陷,在S扫描显示中,常用其镜像表示。需要预制两种标靶设置不同的声束可变角评定试块:一种是标靶声程固定而方位各异的试块,另一种是标靶声程有变的试块,内设水平距离相同而深度位置各异的标靶,或深度位置相同而水平距离各异的标靶。
(3)相控阵阵元激活性相关于阵列探头的整体功能的有效性,包括可变角范围、聚焦法则、灵敏度和分辨力等。具体要求取决于应用对象。若不达标,要求停用或更换。
(4)相控阵聚焦能力相关于缺陷定位、定量、定性、表征的有效性。聚焦越清晰,分辨力越高;聚焦不好,会使缺陷显示图像大于实际尺寸。在材料衰减许可情况下,应尽可能采用较高频率。
(5)相控阵参数和数据显示的计算机控制涉及相关软件的使用。作为相控阵UT操作者,应充分熟悉常用检测软件、常用检测工具的应用程序,熟悉参变数的输入和图像数据的读出。要能通过评定试块试样的操作演示,善于将显示数据与实际数据进行比照分析。
(6)相控阵探头衰减和延迟校正,相关于缺陷定位、定量的准确性。可利用IIWⅠ型和Ⅱ型标准试块R100、R50、R25mm圆弧面,或专用评定试块进行校验。对电子扫描和扇形扫描应分别进行校验。
(7)相控阵仪器的垂直线性和水平线性偏差相关于缺陷定量定位。其测定方法与常规仪器的线性测定有同有异。可用定制的专用试块或IIW试块校验,将校验结果列表记录存档。

承压设备焊接接头采用超声波相控阵和TOFD之类的计算机成像技术,是承压设备无损检测现代化和高效化的必由之路,而推行新技术的重要条件是规范化和标准化。具有国际权威性的ASME法规最新版(2009.b)推出了有关相控阵超声检测系统特性评价的一般要求和具体要求,加上ASME 2008.b第Ⅴ卷第四章《焊缝超声检验方法》强制性附录Ⅳ《相控阵线阵列手动光栅式检测技术》的有关工艺要求,以及ASTM 2009公布的有关焊缝相控阵超声检测的标准操作方法,这些都为我们国内近年来正在积极推行的相控阵超声检测技术的完善与提高,提供了法定参考依据,值得很好借鉴。“华山再高,顶有过路。”相信相控阵超声之类的计算机成像主流技术,会在国内承压设备在制和在用无损检测中发挥无可取代的独特作用。

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