超声相控阵检测技术在风电塔筒焊缝检测上的应用初探
王宏宝 李鹏
北京新兴日祥科技发展有限公司
摘 要：超声相控阵是目前超声技术方面一项较先进的检测技术。本文通过三个不同的实验：相控阵检测塔筒焊缝结果，TOFD检测塔筒焊缝结果，DR检测塔筒焊缝结果，验证了超声相控阵检测技术在检测焊缝上使用的可行性；对使用中可能出现的问题进行了分析，并给出了相应的解决办法。
关键词：超声相控阵 焊缝检测 实验；
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、超声相控阵的基本原理及应用
1.1超声相控阵方法介绍
本质来说相控阵探头就是一个较长的常规超声探头，然后将其切割成许多小的晶片，并可独立激发。就像是将许多小的常规超声探头集成进入一个探头中。相控阵探头由一系列独立晶片组成，每一个晶片都有自己的接头、延时电路和数模转换器，每个晶片在声学上都是独立的。通过预先计算好的延时对每个晶片进行激发，以得到所需的波形。可形成的不同声束类型[1]。
1.2超声相控阵的行业趋势：
相控阵在当今和未来工业无损检测中发挥的作用日益彰显，无论是在制或在用检测，为确保结构完整性，相控阵无疑是极为重要的检测手段，能灵活、快速、可靠、有重复性地检出和定量缺陷，适应多种工业需求。目前，相控阵技术正推向一个新高度、新境界，即聚焦、检测、定量、图像显示（简称*四优化*），解决了很多经典难题。随着工业和科技发展，相控阵技术应用还将向高、精、深、细推进[2]。
本文通过实验超声相控阵在风电塔筒焊缝缺陷检测中的使用可行性进行了验证，并对实验和现场使用中发现到的问题，尝试性提出了解决办法。
二、实验与说明
为了验证超声相控阵在风电塔筒焊缝的可靠性，我们采用DR和TOFD两种检测方法，对同处焊缝进行验证对比。
2.1、超声相控阵实验
2.1.1、实验材料：
1、Q345钢焊接试板一块，以下简称Q345板。规格为：2700mm×480 mm×17.5mm，余高2mm不等。
2、超声相控阵设备、TOFD探伤设备、DR探伤设备各一套、ADT自动分析一套、自动扫查器一套、卷尺一个、记号笔一支。
2.1.2、超声相控阵实验步骤：
1、采用5MHZ，16晶片相控阵探头，分别放在焊缝的左右两侧；
2、楔块采用中心入射角55度；
3、聚焦法则采用扇形扫查，检测角度40°~70°，未聚焦，晶片数量16个，探头偏移焊缝中心22mm，扫查速度118mm/S。
2.1.3、超声相控阵实验结果：
1、检测结果显示如图1~图4。图1左上是C扫检测视图，右上是S扫检测视图，左下是B扫检测视图，右下是A扫检测视图。图2的视图分布和图1一样。
图1：探头放置在焊缝的左侧（简称PA1）
图2：探头放置在焊缝的右侧（简称PA2）
2、把图1和图2检测出来的局部位置放大后，能明显看到缺陷的走向，呈现连续条状，PA1和PA2能发现了该处缺陷。见图3和图4的光标所放位置。
图3：PA1检测出来缺陷放大图
图4：PA2检测出来缺陷放大图
为了确保数据的可信性，再用ADT自动分析软件将PA1和PA2数据融合在一起，分析数据列表结果如下：
2.1.4、TOFD实验结果：
本次TOFD检测，采用7.5MHZ探头，70度楔块，PCS=112mm。检测结果见图5。
图5：TOFD检测完整图像
考虑到和超声相控阵检测的对比性，对TOFD检测的图像进行了放大。见图6。
图6：TOFD局部放大图像
2.1.5、DR实验结果：
考虑到和超声相控阵检测的对比性，对DR检测的图像进行了放大。见图7~9。
图7：DR局部放大图像
图8：DR局部放大图像
图9：DR局部放大图像
2.2、检测实验结果说明
1、缺陷描述：
该焊口缺陷的长度、反射波幅、自身高度均超标，缺陷的性质都为层间未熔合；缺陷其长度在10mm以下。
2、原因分析：
- 焊工焊接速度过快，焊渣没有完全浮出铁水表面就冷却凝固；
- 在每一层焊接完成后清渣不干净；
- 焊工焊接手法的问题，导致层间坡口上没有完全熔合好。
3、三种检测方法对比：
（1）检测速度效率：超声相控阵和TOFD在前期的参数设置方面占用的时间比DR多，现场检测效率比DR高；
（2）成像性：TOFD对缺陷的走向较差，DR在灰雾度方面还需要改进，超声相控阵从B和C扫视图，能很清晰看到缺陷的连续走向；
（3）定量和定性：TOFD对于自身高度的判断，优于超声相控阵和DR。超声相控阵和DR对于缺陷的长度判断，优于TOFD。对于缺陷所在焊缝的位置判断，超声相控阵优于DR和TOFD。定性方面，超声相控阵优于DR和TOFD。
4、检测中发现的问题和解决办法：
（1）超声相控阵采用脉冲回波法，重复性实验差异很大，每次扫查的缺陷DB值不一样，笔者发现很大原因是由于行走中扫查偏移不一样造成的。
解决办法：采用电动扫查器，这也可后期用在风电塔筒焊缝运维中，实验中发现，采用电动扫查器后，水平和垂直的行走误差能控制在±1mm。能很好的解决扫查偏移的问题。
（2）对于缺陷的定量判断往往很难下手。A扫视图和B扫视图定义，以及测量光标和参考的选择。
解决办法：采用厂家的ADT自动分析软件，能很好辅助分析和判断。
（3）对于判断缺陷的自身高度，往往采用-6dB法在S扫上测量，其测量的结果往往比实际偏大。
解决办法：tofd能很好的检测缺陷自身高度。采用分路器，从超声相控阵通道里分离两个出来做TOFD检测。从而TOFD和超声相控阵一起加载到扫查器上，进行一次性检测。
三、结束
风力发电塔筒在运行时承受较大的机组载荷及风载荷[3]。倒塔事故时不时在警示我们。其中的焊缝质量是不可忽视的环节。
超声相控阵采用多晶片多角度，对于缺陷的走向以及定量方面，都具有很大的优势。参与和开发超声相控阵技术在风电运维中的应用，具有很大前景。
参考文献
[1] 奥林巴斯PAUT培训资料 p 4
[2]超声相控阵检测应用 国防科工2010 年4月 P3
[3] TOFD检测技术在风电塔筒焊缝检测中的应用 山东电力技术 P4
