相控阵全聚焦技术应用于某主吸收塔横向裂纹检测分析

龚吉春

對某含硫天然气主吸收塔，采用超声横波进行检测发现大量横向裂纹，为了对该类缺陷更直观的成像和检测，选取两处采具有代表性位置的横向裂纹用相控阵全聚焦TFM技术对横向裂纹进行检测，然后与缺陷解剖后形态对比，对全聚焦在焊缝检测上的特点进行分析，为相控阵全聚焦TFM技术应用于带堆焊层焊缝横向裂纹检测提供一种解决办法。

超声横波;横向裂纹;带堆焊层焊缝;相控阵全聚焦TFM

1、概述

某天然气净化厂主吸收塔在进行定期检验过程中，采用超声横波检测主焊缝，发现焊缝内部存在大量超标横向裂纹，采用磁粉检测，发现存在表面开口的横向裂纹，为了对该类缺陷更直观的成像和检测，选取两处采具有代表性位置的横向裂纹，一处为焊缝内部横向裂纹，一处为表面开口横向裂纹，用相控阵全聚焦TFM技术对横向裂纹进行检测，然后与缺陷解剖后形态对比，对全聚焦在焊缝检测上的特点进行分析，为相控阵全聚焦TFM技术应用于带堆焊层焊缝横向裂纹检测提供一种解决办法。

2、主吸收塔主要技术参数

3、检测对象及范围

3.1、主吸收塔焊缝参数

4、全聚焦TFM技术

4.1、全聚焦TFM技术介绍

4.1.1全聚焦工作方式

对于多阵元相控阵探头，依次激励每一个晶片激发球形波射入材料，每一次发射后材料中不连续处的反射回波将同时被所有晶片接收。

4.1.2全聚焦数据采集方式FMC

以探头为4个晶片为例，第1个晶片T1发射信号，4个晶片接收信号;第2个晶片T2发射信号，4个晶片接收信号;第3个晶片T3发射信号，4个晶片接收信号;第4个晶片T4发射信号，4个晶片接收信号;这样一共得到4×4个信号。此过程被称为全矩阵捕捉FMC。具体过程见图3。

4.1.3全聚焦的数据处理方式

（1）以全矩阵捕捉FMC数据采集形成A扫数据为矩阵FMC（4x4）;

（2）自定义一个二维矩形成像区，得到区域中任意一点P（x，y） 到探头任意一对晶片组合（M，N）的声程S M，P = 探头晶片M到成像区中一点P的声程;SP，N = 成像区中一点P到探头晶片N的声程;

（3）以成像区中的声程数据为依据，结合采集的矩阵数据FMC进行相干处理，根据不同的波型及算法对图像进行重构，以达到在成像区中各点能量高度聚焦的效果。

4.2、探头及楔块选择

4.2.1线阵探头

由于一次激发64个晶片，可以聚焦得更深，焦点尺寸更小，分辨力更好，信噪比更高所以通常选用64个晶片，本次选用线阵探头：5L64-N55S，具体参数如下表：

4.2.2楔块

通常缺陷与表面呈一定的角度，故选用一定的角度的楔块，对发现缺陷非常重要，且在频率相同的情况下，折射横波波长相对于纵波波长更短，检测灵敏度更高，故选择合适角度的楔块，进行波型转换和入射角度选择，本次选用的楔块形状及参数见图2。

4.3、全聚焦设置

4.3.1设置要求

扫查范围要能覆盖整个深度范围，由于全聚焦64阵元的探头采集的矩阵数据FMC的尺寸很大，通常在10几个G左右，故分两个深度范围0-60mm，40-88mm进行扫查，且两个范围有10-20%的重复区域;扫查的长度范围能覆盖热影响区域和焊缝金属区域。具体的扫查覆盖范围见图3和图4。

4.3.2覆盖厚度范围为0-60mm扫查

4.3.3覆盖厚度范围为40-88mm扫查

4.3.4扫查长度和宽度范围

扫查的长度范围能覆盖热影响区域和焊缝金属区域，具体是从位置1到位置2，长度为80mm，见图3和图4;为了对整个区域进行扫查，从位置1到位置2扫查完后，将探头向右侧移动60mm，继续扫查相邻的区域，直到将整个区域覆盖。

5、全聚焦检测

5.1、相控阵全聚焦TFM对内部横向缺陷的检测

5.1.1全聚焦检测

采用4.3的设置要求，经相控阵全聚焦TFM检测，对焊缝内部的一处横向裂纹进行检测，缺陷编号为1#，扫查图像见图5。具体检测结果见下表：

5.1.2、解剖结果

解剖发现，裂纹长度50mm，深度在56-83mm之间，分布在焊缝金属范围内，裂纹面与筒体内外表面和焊接方向均呈45°夹角，具体形态见图6。

通过对比，发现全聚焦TFM在检测内部横向裂纹图像与实际形态一致，且检测数据与实际也很接近。

5.2、相控阵全聚焦TFM对表面开口缺陷的检测

采用4.3的设置要求，经相控阵全聚焦TFM检测，对焊缝的一处表面开口横向裂纹进行检测，缺陷编号为2#，扫查图像见图7。具体检测结果见下表：

该缺陷为表面开口缺陷，而检测结果显示该缺陷离表面2.0mm，故全聚焦检测也具有一定的盲区，但近表面盲区较小。

6、相控阵全聚焦技术应用于带堆焊层焊缝检测总结分析

采用相控阵全聚焦技术，能有效的对焊缝近表面及焊缝内部缺陷进行检测，检测精度高，近表面盲区小，同时对缺陷的还原度高，成像直观，且不受内表面的堆焊层影响。

与常规超声横波和相控阵对比，相控阵全聚焦TFM的检测方式具有以下优势：

（1）常规超声横波和相控阵在检測带堆焊层的焊缝时，由于堆焊层会因为晶粒较大而发生不确定的的折射，无法采用一次反射波，对焊缝上部无法检测，存在很大的盲区，而全聚焦不需要一次反射波就能对整个焊缝区域进行覆盖;

（2）与常规超声横波和相控阵对比，其成像更直观，对缺陷的细节显示更精确，还原度更高。

（3）同时相控阵全聚焦也有一定的局限性，如同样存在表面盲区，但相比之下盲区较小。

参考文献

[1]NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》

[2]TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》

[3]王悦民、李衍、陈和坤《超声相控阵检测技术与应用》

[4]李衍《超声相控阵全聚焦法成像检测》.