CN109358111A - 一种基于曲面靠肩耦合装置的boss焊缝相控阵超声检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法，属于无损检测技术领域。该检测方法采用一套包括相控阵超声检测仪、集成分析软件的计算机、相控阵超声线阵探头及对应曲面靠肩耦合装置的超声检测系统进行检测。针对BOSS焊缝规格，选择合适的线阵探头，设计加工耦合装置，并以此设置阵元发射延时。针对不同检测范围设置激发阵元和声束偏转角度，聚焦方式选择真实深度聚焦，对焊缝实施检测。本发明提出的基于曲面靠肩耦合装置的相控阵超声检测方法，克服了常规相控阵检测方法在焊缝表面检测BOSS焊缝时声能难以进入焊缝、在支管上检测时声束无法覆盖焊缝表层区域等问题，实现了BOSS焊缝高效全覆盖检测，具有重要工程应用价值。

Description

一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

作为核电设施中常见结构，BOSS是连接支管和母管的补强性管件。BOSS焊缝为支管与母管通过焊接形成，尺寸变化范围较大，结构较复杂。焊接过程中液态金属流动性受限，容易产生气孔、夹渣和未熔合等缺陷。此外，BOSS焊缝服役过程中承受运行振动和应力腐蚀等作用，容易出现裂纹等缺陷，进而导致放射性物质泄漏，严重影响核电站安全运行。因此，必须对BOSS焊缝进行有效无损检测。

根据法国RCC-M法规，目前主要采用分层渗透方法对核电站BOSS焊缝缺陷实施检测，但只能检测表面开口裂纹，无法检出内部缺陷。BOSS焊缝表面曲率和厚度梯度变化范围较大，采用射线检测方法会造成底片布置困难和检出缺陷畸变严重；同时，射线检测容易导致裂纹等面积型缺陷漏检、检出缺陷无法定位且返修困难，难以满足检测要求。在超声检测方面，基于A扫信号的常规超声检测难以实现待检区域的声束全覆盖。相控阵超声检测技术具有声束易偏转和聚焦、覆盖范围广、检测效率高等优点，为BOSS焊缝检测提供了可能。然而，BOSS焊缝表面曲率始终变化，导致耦合检测困难，从焊缝表面处直接检测或者结合标准楔块检测时，声能难以进入待检焊缝；若将探头安置于支管上，则声束无法覆盖BOSS焊缝表层区域。目前，多采用高成本的柔性相控阵超声探头对BOSS焊缝进行检测，但探头易磨损，影响检测效果，干扰缺陷识别与判读。因此，急需一种实用的无损检测方法对BOSS焊缝实施全覆盖检测。

发明内容

本发明提供一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法。其目的是针对常规相控阵超声从BOSS焊缝表面检测时声能难以进入，支管检测时声束无法覆盖焊缝表层区域的问题，设计加工了BOSS焊缝曲面靠肩耦合装置，根据装置尺寸修改阵元发射延时，并设置与焊缝曲率相适应的聚焦法则，以保证声束能够有效聚焦在待检测位置。通过相控阵超声检测特有的S扫查图像，实现BOSS焊缝内部缺陷的有效检出及准确定位、定量。

本发明采用的技术方案是：一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法，针对BOSS焊缝规格，选择合适的相控阵超声线阵探头，设计加工曲面靠肩耦合装置，并根据装置尺寸修改阵元的发射延时；针对不同检测范围设置激发阵元和偏转角度，聚焦方式选择真实深度聚焦，对焊缝进行检测，存储检测数据，读取并记录缺陷尺寸和位置信息，所述检测方法步骤如下：

（1）对相控阵超声检测仪及探头进行检验及校准，保证所有设备均满足检测要求；对检测场地进行整理，以方便开展检测；选择合适的耦合剂；清除焊缝表面焊渣杂物，并对焊缝表面进行打磨以满足检测过程中表面粗糙度要求；在BOSS焊缝表面做出清晰的位置标识，包括焊缝位置标识线及检测位置参考点；

（2）根据BOSS焊缝支管尺寸选择合适的相控阵超声线阵探头，并加工曲面靠肩耦合装置；其中，曲面靠肩耦合装置尺寸满足检测活动范围和焊缝表面贴合要求，并遵循待检测范围在相控阵探头近场内原则；曲面靠肩耦合装置内外表面要求光滑，内侧曲率半径变化与焊缝表面曲率半径一致；探头与曲面靠肩耦合装置间用耦合剂填充以确保声能进入曲面靠肩耦合装置，并利用螺丝将探头与曲面靠肩耦合装置相连接；

（3）结合实际BOSS焊缝中晶粒粗大特点，考虑超声衰减及表面盲区范围，对待检规格的焊缝实施分层检测；针对现有BOSS焊缝规格，采用以下分层方式：第一层为0-20 mm，检测频率3.75-5 MHz；第二层为20-40 mm，检测频率为2.25-3.75 MHz；第三层为40 mm-底面，检测频率为1-2.25 MHz；测量曲面靠肩耦合装置尺寸和声速，输入相控阵超声检测仪以修改发射延时，保证后续声束能够有效聚焦在待检测位置；针对不同检测范围设置激发阵元和偏转角度，聚焦方式选择真实深度聚焦，并调整时间窗口范围、设置检测灵敏度、扇扫角度间隔、脉冲重复频率和扫查速度及范围检测参数；

（4）根据步骤（3）中确定的参数实施检测，通过相控阵超声检测系统采集并存储检测信号和图像，在计算机分析软件中调用检测数据，利用S扫查图像识别缺陷影像，并对缺陷进行定位，记录缺陷位置；

（5）根据S扫查图像中缺陷显示影像，结合缺陷位置及焊接工艺，判断缺陷性质；面积型缺陷利用-6 dB方法定量；体积型缺陷用-6 dB方法和当量法进行定量，并做记录。

本发明的有益效果是：与现有的BOSS焊缝检测方法相比，基于曲面靠肩耦合装置的相控阵超声检测方法利用曲面靠肩耦合装置使得声能可以进入待检测位置，并确保待检区域声束全覆盖；根据装置尺寸修改阵元发射延时，可使声束聚焦到待检测位置，进而保证缺陷检出及准确定位、定量；通过相控阵超声检测技术特有的S扫查图像，可实现BOSS焊缝大范围检测和缺陷直观成像，提高检测效率并降低缺陷识别难度，具有较高工程应用价值。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

图1是相控阵超声检测系统连接示意图。

图2是典型BOSS焊缝结构照片。

图3是待检人工缺陷分布照片。

图4是设计加工的曲面耦合装置照片。

图5是相控阵周向扫查俯视示意图。

图6是孔1和孔2的A扫信号和S扫查图像。

图7是孔3的A扫信号和S扫查图像。

具体实施方式

一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法中，采用的相控阵超声检测系统如图1所示，其中包括相控阵超声检测仪、集成分析功能软件的计算机、相控阵超声线阵探头和设计加工的曲面靠肩耦合装置。测量及处理步骤如下：

（1）研究对象为图2所示BOSS焊缝试件，试件主管外径168.3 mm，壁厚18.3 mm，支管外径45.0 mm，壁厚16.5 mm，熔覆厚度约37 mm，待检工件平均纵波声速为5810 m/s。在焊缝上、下熔合线位置分别加工一处和两处横通孔，分别定义为孔1、孔2和孔3，孔的直径均为2mm，中心距焊缝表面深度分别为13.0 mm、10.0 mm、30.0 mm，如图3所示。检测前，需检验及校准相控阵超声检测仪及探头，清理检测场地，清除焊缝表面焊渣等杂物，打磨焊缝表面以满足检测过程中表面粗糙度要求，在BOSS焊缝表面做出清晰位置标识，并选择浆糊作为耦合剂。

（2）针对实验规格BOSS焊缝，设计加工图4所示曲面靠肩耦合装置。其中，装置尺寸满足检测活动范围和焊缝表面贴合要求，并遵循待检测范围在相控阵超声探头近场内的原则。加工的曲面靠肩耦合装置长度l为28 mm、宽度w为18 mm，高度h为11.5 mm。装置内外表面要求光滑，内侧曲率半径变化与焊缝表面曲率半径r一致，变化范围为15-18 mm。相控阵探头与装置间用耦合剂填充以确保声能进入装置，并利用螺丝将探头与装置相连接。装置材质为有机玻璃，经实验测得其声速为2650 m/s，将装置尺寸和声速输入相控阵超声检测仪以获取符合BOSS焊缝规格的延时聚焦法则。

（3）考虑超声衰减及表面盲区范围，对待检规格的BOSS焊缝进行分层检测。第一层为0-20 mm，第二层为20 mm-底面。探头选择方面，第一层选择标称频率5 MHz探头，检测时激励8个阵元；第二层选择标称频率2.25 MHz探头，检测时激励16个阵元。探头晶片尺寸均为0.55 mm，晶片宽度均为10 mm。检测时将相控阵探头和耦合装置置于BOSS焊缝表面，依次设置检测参数：纵波声速5810 m/s、聚焦方式为真实深度聚焦、聚焦深度分别设置为10.0mm和30.0 mm、扇扫角度-35°-35°，采样频率60 MHz。

（4）参考图1，将装置固定在BOSS焊缝表面，探头随装置移动，沿俯视方向进行图5所示周向扫查，探头移动过程中要充分保障探头与装置、装置与工件耦合良好。采集检测A扫信号和S扫查图像，并存储于计算机中用于后续分析，记录缺陷检出时探头与焊缝相对位置。

（5）采用标称频率5 MHz的相控阵超声线阵探头对BOSS焊缝第一层实施检测，图6给出孔1和孔2的A扫信号，以及对应S扫查图像。由图可以清晰识别上、下熔合线位置处的横通孔回波，据此进行深度定位，结果分别为13.0 mm、10.6 mm，定位误差分别为0%和6.0%。

（6）采用标称频率2.25 MHz的相控阵超声线阵探头对BOSS焊缝第二层实施检测，图7给出孔3的A扫信号和S扫查图像。由图可以清晰识别出下熔合线位置横通孔缺陷回波。据此对缺陷进行深度定位，结果为30.3 mm，定位误差为1.0%。

Claims (1)

1.一种基于曲面靠肩耦合装置的BOSS焊缝相控阵超声检测方法，其特征是：针对BOSS焊缝规格，选择合适的相控阵超声线阵探头，设计加工曲面靠肩耦合装置，并根据装置尺寸修改阵元的发射延时；针对不同检测范围设置激发阵元和偏转角度，聚焦方式选择真实深度聚焦，对焊缝进行检测，存储检测数据，读取并记录缺陷尺寸和位置信息，所述检测方法步骤如下：

（1）对相控阵超声检测仪及探头进行检验及校准，保证所有设备均满足检测要求；对检测场地进行整理，以方便开展检测；选择合适的耦合剂；清除焊缝表面焊渣杂物，并对焊缝表面进行打磨以满足检测过程中表面粗糙度要求；在BOSS焊缝表面做出清晰的位置标识，包括焊缝位置标识线及检测位置参考点；

（2）根据BOSS焊缝支管尺寸选择合适的相控阵超声线阵探头，并加工曲面靠肩耦合装置；其中，曲面靠肩耦合装置尺寸满足检测活动范围和焊缝表面贴合要求，并遵循待检测范围在相控阵探头近场内原则；曲面靠肩耦合装置内外表面要求光滑，内侧曲率半径变化与焊缝表面曲率半径一致；探头与曲面靠肩耦合装置间用耦合剂填充以确保声能进入曲面靠肩耦合装置，并利用螺丝将探头与曲面靠肩耦合装置相连接；

（3）结合实际BOSS焊缝中晶粒粗大特点，考虑超声衰减及表面盲区范围，对待检规格的焊缝实施分层检测；针对现有BOSS焊缝规格，采用以下分层方式：第一层为0-20 mm，检测频率3.75-5 MHz；第二层为20-40 mm，检测频率为2.25-3.75 MHz；第三层为40 mm-底面，检测频率为1-2.25 MHz；测量曲面靠肩耦合装置尺寸和声速，输入相控阵超声检测仪以修改发射延时，保证后续声束能够有效聚焦在待检测位置；针对不同检测范围设置激发阵元和偏转角度，聚焦方式选择真实深度聚焦，并调整时间窗口范围、设置检测灵敏度、扇扫角度间隔、脉冲重复频率和扫查速度及范围检测参数；

（4）根据步骤（3）中确定的参数实施检测，通过相控阵超声检测系统采集并存储检测信号和图像，在计算机分析软件中调用检测数据，利用S扫查图像识别缺陷影像，并对缺陷进行定位，记录缺陷位置；

（5）根据S扫查图像中缺陷显示影像，结合缺陷位置及焊接工艺，判断缺陷性质；面积型缺陷利用-6 dB方法定量；体积型缺陷用-6 dB方法和当量法进行定量，并做记录。