承压设备焊缝超声相控阵检测读谱

李 衍，薛飞展

（江苏太湖锅炉股份有限公司，无锡 214187）

ASME BPVC（锅炉压力容器法规）2009 增补版，在第Ⅴ卷2005 和2006 规范案例（Code Case）2557和2558的基础上，又增添了有关焊缝超声相控阵（PA）检测系统特性评价的标准。超声相控阵扇形扫描（以下简称S 扫描）结合聚焦声束和线阵列探头的移动，能获得功效强大的检测信息，因而在焊缝检测方面得到广泛应用。法规标准对该技术的确认和特定检测资格评定认证的开展，又为锅炉和压力容器压力管道焊缝超声相控阵检测的实际应用增添了动力、活力和实力［1－3］。

相控阵技术能用于检测几何形状较复杂的焊接件、可接近性较差的焊缝及异种金属焊缝。但相控阵超声检测的扫描图像仍然需要一定的识别技能。承压设备焊接接头的相控阵超声检测，其缺陷显示图像与衍射时差法（TOFD）的黑白条纹图固然不同，也不同于常规的A 扫描脉冲波形。通过相控阵图像特征，判别缺陷性质乃至定位、定量，是相控阵超声检测诊断技术的基本功。

笔者结合ASME 最新标准和国际国内应用动态，介绍按规范和标准的最新要求对承压设备焊接接头进行超声相控阵检测时，有关相控阵S扫描图像图谱的识别案例。主要介绍相对于通常X 型坡口双面焊有相当检测难度的V 型坡口单面焊和T型接头组合焊中一些典型焊接缺陷的相控阵S 扫描图像的识别，也包括依据PA 图像对焊接缺陷进行定位、定量和定向的一些新理念。

1 焊缝超声相控阵S扫描识图原理［4－6］

相控阵超声检测是在一定角度范围内进行声束扫查。通常，相控线阵斜探头（横波）检测的声束扫查范围为35°～75°。

图1表示相控阵超声探头声束扫查焊缝的截面图。当用直射法（即一次波或0.5S波）检测时，焊缝仅下半部被声束扫查到；但用底面一次反射法（即二次波或1.0S波）检测时，声束就能覆盖整个焊缝截面。比如，图示焊缝中的缺陷a，能被二次波检出，显示为镜像a－。在相控阵超声波探伤仪显示屏上，使用2.5倍的厚度范围，整个焊缝体积就能显示在单一图像中。

图1 焊缝超声相控阵检测概念图

2 典型焊接缺陷的相控阵S－扫描图谱

以下对V 型坡口单面焊和T 型接头组合焊两种典型焊接接头型式展示了9张典型焊接缺陷的相控阵S扫描图例。为便于图像解释和评定，笔者通过专用软件，特意添加了相应的焊缝探测布置截面图，绘出了焊接结构和线阵相控探头（包括线阵斜探头或线阵直探头）的布置。S扫描图加探测布置图就是焊缝相控阵超声检测的读谱“焦点”。注意，探测布置图中含有超声波在被检焊缝中的声束传播路径（声路），特别是用一次反射波（即二次波）检测时，二次波的S 扫描图像是用一次波在两倍板厚中的延伸图像表示的，凡用二次波检测到的缺陷或焊缝轮廓均用“镜像”表示。

2.1 焊趾裂纹

图2表示用线阵相控超声斜探头探测V 型坡口单面焊缝时所得焊趾裂纹声像图。因焊趾裂纹位于探测面一侧，该缺陷是是用超声二次波（或1.0S波）探到的。图中显示了被检焊缝和缺陷的镜像。裂纹高度是根据裂纹端角回波与裂纹尖端的衍射信号之间的传播时间差所对应的深度距离测出的。裂纹的相控阵测高指示值为3.6 mm，实测值为3.8mm，测量误差－0.2 mm。焊趾裂纹信号的镜像特征为：端角反射信号波幅强，声像较大，而尖端衍射信号波幅较弱，声像较小。为准确测出该表面开口裂纹的自身高度，要特别注意水平光标线通过该裂纹尖端衍射声像中的交点位置（垂直光标线为该裂纹在板厚方向的高度延伸线）。

图2 单面焊焊趾裂纹

2.2 近底面坡口未熔合

图3是靠近被检焊缝内表面的坡口未熔合的相控阵超声图像。该未熔合距内表面1.5 mm，自高16mm。图3（b）为D 扫描图，其探头沿焊缝轴线方向移动或作非平行扫查）。由S和D 扫描可得到未熔合的长度、高度和离内表面的深度。注意，线阵相控超声斜探头在图示一侧探测时，焊缝根部信号（或称几何信号）有可能被该未熔合缺陷信号所掩盖。若探头置于焊缝另一侧，则缺陷信号和几何信号图像均可见。

2.3 近表面坡口未熔合

图4是靠近被检焊缝上表面的坡口未熔合用超声二次波（1.0S波）检出时的图像。可见，二次波延伸了一次波的扫描图像，焊缝和缺陷均反映在镜像中。

2.4 内部密集气孔

图5为离上表面1.5mm 的密集气孔用超声一次波（0.5S 波）检出的图像。该气孔群尺寸为1.5mm×3 mm×10 mm（用D 扫描测其长度范围）。图5（b）中焊根形状信号的识别，其重要性与常规A－扫描形状信号（俗称假信号）的识别一样。

2.5 近表面密集气孔

图6表示焊缝中近表面密集气孔用超声二次波检测图像。注意扫描镜像中气孔群、单面焊根部及盖面焊角（余高与母材交界部位）的声成像特征与实际形态的对应性和特异性。谙悉此特征，将有助于对焊接缺陷相控阵超声成像的表征、定性和分类。

2.6 T型接头根部未焊透和翼板侧未熔合

图7表示T 型接头组合焊缝中存在的根部未焊透和翼板侧未熔合的相控阵S 扫描图像。线阵列纵波直探头置于翼板侧表面（探头阵列主动窗长度垂直于腹板端面），加一定范围的横向移动，并作一定角度范围的相控阵S扫描，即可检出此类焊接接头中的缺陷（包括根部未焊透、翼板侧未熔合以及焊接裂纹和焊道下裂纹等）。翼板侧S扫描外加纵向D 扫描所得相控阵组合图像，对上述焊接缺陷的定位、定量十分有用。另外，还应注意缺陷信号图像与焊缝几何信号（即表面形状信号）图像的识别。

2.7 T型接头翼板侧焊道下裂纹纵波声像

图8表示T 型接头中存在的焊道下裂纹用线阵纵波直探头的相控阵检测图像。在图8（b）所示的S 扫描图像中，裂纹的自身高度用竖线光标测量，而裂纹离翼板底面的深度用横线光标测量。注意用光标对缺陷测高测深时，缺陷图像端点和特征点的截取位置。

2.8 T型接头翼板侧焊道下裂纹横波声像

由于被检工件和被检部位的可接近性受到限制，有时不能将超声直探头放在图8所示翼板平面上用纵波进行扫查，而只能在翼板另一面（即靠近组合焊缝和腹板的一面）用斜探头用横波进行探测。图9为图8所示T型接头中存在的翼板侧焊道下裂纹，在翼板另一面用线阵斜探头横波二次波的相控阵检测原理和S 扫描图像。对缺陷信号图像定量测定时，同样要注意用竖光标和横光标对该焊道下裂纹镜像的测高测深取点问题（图示裂纹自身高度测量值为8 mm，离探测面深度距离测量值为1.4mm）。

2.9 T型接头翼板侧焊趾裂纹和翼板侧未熔合

图10表示T 型接头组合焊中存在的翼板侧焊趾裂纹和翼板侧未熔合，在翼板组合焊缝侧表面用线阵斜探头横波二次波作相控阵检测时的S 扫描图像和相应探测布置（包括二次波的传播声路）。在扫描镜像中用横线光标测出的焊趾裂纹高度为6.7mm，而裂纹实际高度为6.8 mm。与上述图2中的单面焊焊趾裂纹相控阵扫描图像相似，T 型接头组合焊中焊趾裂纹用横波二次波扫查时，裂纹信号也会出现两个特征镜像，即端角反射信号图像和尖端衍射信号图像，准确移动光标，测取两特征信号间距，同样是对T 型接头焊趾裂纹准确测高的重要细节。

图10 T 型接头组合焊焊趾裂纹和翼板侧未熔合

3 小结

（1）线阵探头的超声波相控阵S扫描可作为超声波成像工具。

（2）相控阵检测时，焊缝缺陷的S扫描图像显示易于判读评定，缺陷信号和几何信号图像较之于常规的A 扫描脉冲波形，易于分辨。

（3）相控阵S扫描图像加上含有声传播路径的探测布置图，是焊缝相控阵检测读谱解谱的有效方法。特别是用二次波检测时，要善于辨别镜像的实际位置和形貌特征。

（4）缺陷测深测高可依据S 扫描图像进行评定，测量时应注意垂直和水平光标的的截取位置。

（5）S扫描与D 扫描结合使用，可完善缺陷定量表征信息，获取缺陷三维数据。

（6）若将相控阵扫描数据输入三维图，并利用相关设计软件包，即可利用三维相控阵数据重建被检工件中的缺陷形态。

［1］ ASME BPVC（A09）Section V，Article 4 Ultrasonic Examination Methods for Welds，Mandatory Appendices IV Phased Array Manual Raster Examination Techniques Using Linear Arrays［S］.

［2］ ASME SE－2491Standard Guide for Evaluating Per－formance Characteristics of Phased－Array Ultrasonic Examination Instruments and Systems［S］.

［3］ ASME Code Section Ⅴ：Code Cases 2557and 2558［S］.

［4］ 李 衍.焊缝超声检测相控阵参数与缺陷显示的相关性［J］.中国特种设备安全，2009，25（12）：37－41.

［5］ Ciorau P A.Contribution to phased array ultrasonic inspection of welds.part 1：data plotting for S－and Bscan displays［J］.CINDE Journal，2007（5）：1－9.

［6］ 李 衍.超声相控阵检测技术系列讲座［J］.无损探伤，2007，31（4）：12.