超聲相控陣檢測技術在風電塔筒焊縫檢測上的應用初探

王宏寶 李鵬

北京新興日祥科技發展有限公司

摘　要：超聲相控陣是目前超聲技術方面一項較先進的檢測技術。本文通過三個不同的實驗：相控陣檢測塔筒焊縫結果，TOFD檢測塔筒焊縫結果，DR檢測塔筒焊縫結果，驗證了超聲相控陣檢測技術在檢測焊縫上使用的可行性；對使用中可能出現的問題進行了分析，并給出了相應的解決辦法。

關鍵詞：超聲相控陣   焊縫檢測   實驗；

 Preliminary Study on Application of Ultrasound Phased Array Detection Technology in Weld Detection of Wind Turret Tube

 WangHongBao  WangYuSong

BEIJIN XIN XING RI XIANG SCIENCE＆TECHNOLOGY TRADE CO.,LTD，

Chengdu, 610000, China

Abstract: Ultrasound phased array is an advanced detection technology in ultrasonic technology. In this paper, three different experiments are carried out: phased array inspection of the weld seam of the tower tube, TOFD inspection of the weld seam of the tower tube and DR inspection of the weld seam of the tower tube. The feasibility of the ultrasonic phased array inspection technology in the detection of the weld seam is verified. The possible problems in the use are analyzed and the corresponding solutions are given.

Key Words: PAUT, Welding Ling Inspection, Experiment;

一、超聲相控陣的基本原理及應用

1.1超聲相控陣方法介紹

    本質來說相控陣探頭就是一個較長的常規超聲探頭，然后將其切割成許多小的晶片，并可獨立激發。就像是將許多小的常規超聲探頭集成進入一個探頭中。相控陣探頭由一系列獨立晶片組成，每一個晶片都有自己的接頭、延時電路和數模轉換器，每個晶片在聲學上都是獨立的。通過預先計算好的延時對每個晶片進行激發，以得到所需的波形。可形成的不同聲束類型^[1]。

1.2超聲相控陣的行業趨勢：

    相控陣在當今和未來工業無損檢測中發揮的作用日益彰顯，無論是在制或在用檢測，為確保結構完整性，相控陣無疑是極為重要的檢測手段，能靈活、快速、可靠、有重復性地檢出和定量缺陷，適應多種工業需求。目前，相控陣技術正推向一個新高度、新境界，即聚焦、檢測、定量、圖像顯示（簡稱*四優化*），解決了很多經典難題。隨著工業和科技發展，相控陣技術應用還將向高、精、深、細推進^[2]。

本文通過實驗超聲相控陣在風電塔筒焊縫缺陷檢測中的使用可行性進行了驗證，并對實驗和現場使用中發現到的問題，嘗試性提出了解決辦法。

二、實驗與說明

為了驗證超聲相控陣在風電塔筒焊縫的可靠性，我們采用DR和TOFD兩種檢測方法，對同處焊縫進行驗證對比。

2.1、超聲相控陣實驗

2.1.1、實驗材料：

1、Q345鋼焊接試板一塊，以下簡稱Q345板。規格為：2700mm×480 mm×17.5mm，余高2mm不等。

2、超聲相控陣設備、TOFD探傷設備、DR探傷設備各一套、ADT自動分析一套、自動掃查器一套、卷尺一個、記號筆一支。

2.1.2、超聲相控陣實驗步驟：

1、采用5MHZ，16晶片相控陣探頭，分別放在焊縫的左右兩側；

2、楔塊采用中心入射角55度；

3、聚焦法則采用扇形掃查，檢測角度40°~70°，未聚焦，晶片數量16個，探頭偏移焊縫中心22mm，掃查速度118mm/S。

2.1.3、超聲相控陣實驗結果：

1、檢測結果顯示如圖1~圖4。圖1左上是C掃檢測視圖，右上是S掃檢測視圖，左下是B掃檢測視圖，右下是A掃檢測視圖。圖2的視圖分布和圖1一樣。

圖1：探頭放置在焊縫的左側（簡稱PA1）

圖2：探頭放置在焊縫的右側（簡稱PA2）

2、把圖1和圖2檢測出來的局部位置放大后，能明顯看到缺陷的走向，呈現連續條狀，PA1和PA2能發現了該處缺陷。見圖3和圖4的光標所放位置。

圖3：PA1檢測出來缺陷放大圖

圖4：PA2檢測出來缺陷放大圖

為了確保數據的可信性，再用ADT自動分析軟件將PA1和PA2數據融合在一起，分析數據列表結果如下：

2.1.4、TOFD實驗結果：

本次TOFD檢測，采用7.5MHZ探頭，70度楔塊，PCS=112mm。檢測結果見圖5。

圖5：TOFD檢測完整圖像

考慮到和超聲相控陣檢測的對比性，對TOFD檢測的圖像進行了放大。見圖6。

圖6：TOFD局部放大圖像

2.1.5、DR實驗結果：

考慮到和超聲相控陣檢測的對比性，對DR檢測的圖像進行了放大。見圖7~9。

圖7：DR局部放大圖像

圖8：DR局部放大圖像

圖9：DR局部放大圖像

2.2、檢測實驗結果說明

1、缺陷描述：

該焊口缺陷的長度、反射波幅、自身高度均超標，缺陷的性質都為層間未熔合；缺陷其長度在10mm以下。

2、原因分析：

1. 焊工焊接速度過快，焊渣沒有完全浮出鐵水表面就冷卻凝固；
2. 在每一層焊接完成后清渣不干凈；
3. 焊工焊接手法的問題，導致層間坡口上沒有完全熔合好。

3、三種檢測方法對比：

（1）檢測速度效率：超聲相控陣和TOFD在前期的參數設置方面占用的時間比DR多，現場檢測效率比DR高；

（2）成像性：TOFD對缺陷的走向較差，DR在灰霧度方面還需要改進，超聲相控陣從B和C掃視圖，能很清晰看到缺陷的連續走向；

（3）定量和定性：TOFD對于自身高度的判斷，優于超聲相控陣和DR。超聲相控陣和DR對于缺陷的長度判斷，優于TOFD。對于缺陷所在焊縫的位置判斷，超聲相控陣優于DR和TOFD。定性方面，超聲相控陣優于DR和TOFD。

4、檢測中發現的問題和解決辦法：

（1）超聲相控陣采用脈沖回波法，重復性實驗差異很大，每次掃查的缺陷DB值不一樣，筆者發現很大原因是由于行走中掃查偏移不一樣造成的。

解決辦法：采用電動掃查器，這也可后期用在風電塔筒焊縫運維中，實驗中發現，采用電動掃查器后，水平和垂直的行走誤差能控制在±1mm。能很好的解決掃查偏移的問題。

（2）對于缺陷的定量判斷往往很難下手。A掃視圖和B掃視圖定義，以及測量光標和參考的選擇。

解決辦法：采用廠家的ADT自動分析軟件，能很好輔助分析和判斷。

（3）對于判斷缺陷的自身高度，往往采用-6dB法在S掃上測量，其測量的結果往往比實際偏大。

解決辦法：tofd能很好的檢測缺陷自身高度。采用分路器，從超聲相控陣通道里分離兩個出來做TOFD檢測。從而TOFD和超聲相控陣一起加載到掃查器上，進行一次性檢測。

三、結束

風力發電塔筒在運行時承受較大的機組載荷及風載荷^[3]。倒塔事故時不時在警示我們。其中的焊縫質量是不可忽視的環節。

    超聲相控陣采用多晶片多角度，對于缺陷的走向以及定量方面，都具有很大的優勢。參與和開發超聲相控陣技術在風電運維中的應用，具有很大前景。

參考文獻

[1] 奧林巴斯PAUT培訓資料 p 4

[2]超聲相控陣檢測應用  國防科工2010 年4月  P3

[3] TOFD檢測技術在風電塔筒焊縫檢測中的應用 山東電力技術 P4