随着超临界的不断发展,机组运行的温度、压力等参数不断提高,对小管径焊接的质量要求越来越高。由于小管径管道布置比较密集,空间狭窄,操作空间受到影响,目前小管径焊缝的超声波检测是常规的超声检测。一般超声波形复杂,要根据经验辨别回声,受影响很大。寻找新的小管径检查技术显得更加迫切。超声波相控阵技术是当今行业无损检测非常具有挑战性的新技术,测试结果直观,冗余性好,缺陷定位准确,能存储数据,在很多行业都很受欢迎。但是,目前国内对利用超声相阵列技术进行小管径焊接检查的研究尚处于起步阶段。本文利用超声相阵列技术,通过专用探头和扫描仪对小管径焊缝的超声相阵列检查进行了研究和实践。
一、相控阵检测技术的概况
相控阵检测技术首次运用在一家工厂，开始实施，为了测试效果，现场对100种不同规格的管道焊接分别使用相控阵、射线和超声波进行了100%的测试,并对分数进行了分析。100道焊接中10个焊接合格，通过比较分析发现。相控阵检查发现不合格的10件，其中面积型缺陷4件,体积型缺陷6件。射线检查发现不合格焊接9件，其中面积缺陷2件,体积缺陷7件；一般超声波检查发现不合格4件，其中点状缺陷1件，条状缺陷3件，相控阵超声检查的缺陷率为100%,射线检查的缺陷率为90%，普通超声波检查的缺陷率为50%.
二、相控阵检测原理
目前,超声波相控阵检测是无损检测技术中最先进的超声波检测方法,在焊接接头检测中表现的更为突出，金属、塑料、陶瓷及复合材料会使超声波波形发生转换，并且结构的材料厚度一旦改变，都会影响到回波，因此在工业领域应用相控阵技术有很大的困难。
超声波相控阵检测技术是通过控制换能器的各个阵列阶段,获得容易控制的合成光束,进行成像检测、动态聚焦等,相比于常规的检测手段，超声相控阵检测具有信噪比低、分辨率高、检测灵敏度高等特点，超声波相控阵的换能器是由阵元组成的，每个阵元相互独立，当阵元接到相同频率脉冲信号时，就会发出声波形成一个稳定的声场，根据最初设计的聚焦方法刺激转换器,可以形成具有聚焦特性的声场,改变聚焦方法,获得其他位置的聚焦和扫描功能。信号接收也遵循聚焦规律。超声波在一定的延迟时间内发射,因此接收信号也需要进行延迟补偿,以实现相位一致性,从而实现光束合成 [1]。
三、小管径超声波相控阵检测工艺设计
（一）周声束角度的选择
小管径管道在焊接过程中可能存在体积缺陷, 如气孔、碎屑等超声波相控阵检测主要用于管道裂纹缺陷，检测过程中要注意体积缺陷的扩张，根据不同主声音光束角度的探针楔片,模拟凹槽中回波信号的显示,对不同壁厚管道分别选择45°、50°、60°、65°、70°的主声音光束角度进行模拟。
（二）探针频率测定
使用超声波OMNi-Scan SX2相控阵装置执行模拟。与该仪器匹配的超声波相控阵探头有三个频率,分别为2,5,7.5MHz。通过CIVA模拟得到的结果是,用三个频率的阵列探针模拟薄壁管道环形焊缝的缺陷回波。在进行探测模拟过程中，反射体的深度为0.5毫米，长度为5毫米，,缺口宽度小于1毫米。分别使用2,5,7.5 MHz的相控阵探头进行了仿真测试,结果显示,5 MHz和7.5 MHz的相控阵探头被更好地检测到,3个大小相同(0.5 mm，5 mm)的槽故障信号,其中7.5MHz的相控阵探头被更好地检测到。频率为2 MHz的相控阵探头可以检测到缺陷,但分辨率会下降。设计的三个插槽信号相互连接,无法明确区分。
（三）小口径管超声波相控阵扫描仪
由于小径管的特点,检测时探针和表面之间会出现间隙。芯片边缘的点和中心的点传播时间不同，导致声场畸形,灵敏度降低，误差变大，在相同聚焦规则的基础上,普通线阵列探头的数量偏差较大,不适合小直径管检测。这需要专门设计的探针来检测小直径管阵列。为此,设计了曲面阵列探针和楔子。
(四) 小口径管超声波相控阵检测扫描过程
相控阵检测检查方法有线性检查(E-扫描)、扇区扫描通过更改固定阵列延迟值集,在一系列角度内检查声音束。S扫描可用于检测难以接近的部分,显示为相对直观的图像,并显示检测到的缺陷。
为了不漏掉某个检查区域,检测时声音束必须完全覆盖要检查的焊接范围(焊接两侧有特定宽度的热影响区域),并确保声音束在焊接凹槽中具有适当的入射角。用直射法检测时，它只能够检测到焊接处的下半部分，不能全部检测到，选择二次波检测，只要选取合适的入射角度，声束就能够检测整个焊缝，一般声束的入射角设定在35°到75°这个范围内，在相控阵超声波探伤仪一般会选用2.5倍厚度的显示屏，这样焊缝就能够完整的显示在屏幕上。
不同的管道直径和壁厚试管检查结果直观地表明,内径管检查系统结果仅对焊接体积类型缺陷敏感。因为相控阵列可以完成焦点和偏转的特征。对普通超声波难以确定的区域型融合缺陷及表面缺陷有相同的检测灵敏度 [2]。
结语:小管径环相控阵检测装置操作简单、灵活,有利于现场工作条件复杂的检测环境，相对比普通超声波检测，优势明显,能有效减少人为因素的干扰,提高检出率。和光线检测对比,任何空间下的检测都优于光线检测的效果,另一方面,可以有效地避免辐射原因对交叉工作的影响。相控阵检查可以通过多个视图获得缺陷的长度、深度等参数,并且能够可视化缺陷在焊接中的位置，可以非常直观的表示出焊缝的位置和其特征,为缺陷的定性提供参考，对焊缝根部及表面缺陷都有很好的检出率，让焊缝的每一区域都能被检测到。
参考文献：
[1]李阳.相控阵超声检测技术在海洋工程小径管对接焊缝检验中的应用[J].无损检测，2013(09）
[2]孙忠波.奥氏体不锈钢小径薄壁管焊缝超声相控阵检测工艺[J].无损检测2017（05）
[3]郝广平.相控阵探头扫查器检测管节点焊缝的位姿[J].焊接学报2006（30）
