承压设备对接焊缝超声相控阵检测图谱分析

摘要

承压类设备对接焊缝质量对工业的生产安全起着至关重要的作用。超声相控阵成像检测技术结合聚焦声束与阵列探头的移动能获得功能强大的检测信息。在承压设备对接焊缝检测中获得广泛的应用,但相控阵超声检测的扫描图像仍然需要一定的识别技能。承压设备对接焊缝的超声相控阵检测,其缺陷显示图像与衍射时差法的黑白条纹不同,也不同与常规的A型脉冲反射回波法。通过超声相控阵图像特征判别焊缝中缺陷性质、定位及定量是推广和发展该项新技术的关键,具有重要的研究意义。
　　本文采用数值模拟和实际检测相结合的方法对接焊缝超声相控阵检测图谱进行分析和识别研究。首先阐述了超声相控阵发射及接收声束控制、相位延时规律及相控阵成像原理。基于阵列探头的声场辐射,分析相控阵聚焦法则计算,建立一维阵列探头聚焦法则的计算模型。深入分析电子线性和扇形两种扫描方式及应用范围,确定采用扇形扫描作为钢对接焊缝主要缺陷图谱分析的主要检测方式。
　　其次,采用CIVA软件对钢板对接焊缝的超声相控阵检测进行模拟仿真。利用Esbeamtool软件研究了当相控阵声束覆盖检测区时探头的布设方式,在CIVA中建立对接焊缝模型,设置探头参数,并在焊缝相应部位模拟制作气孔、裂纹、未熔合、夹渣和未焊透这五种缺陷,并进行超声相控阵扇扫模拟检测,得出了不同种类型缺陷的超声相控阵扇扫图形特点,分析缺陷深度和方向等因素对超声相控阵检测结果的影响,给出了大量典型缺陷图谱,并与X射线检测结果进行了对比。
　　以数值检测结果为指导,在实验检测研究上参考ASTM E2700标准,采用国产便携式超声线性相控阵仪Phascan,设计制定了钢板对接焊缝超声相控阵检测工艺方案。给出了检测仪器与探头组合的声速、延时、灵敏度和时间增益修正(TCG)等参数校准方法。通过相控阵扇扫图谱识别缺陷几何尺寸大小,设计并定制了包含不同深度和倾角的裂纹和竖孔人工缺陷。分析了裂纹和竖孔长度、宽度及倾角对相控阵检测结果的影响。在此基础上对一组60块包含气孔、夹渣、未焊透、未熔合和裂纹典型缺陷的对接焊缝试板进行检测及图像分析。对于气孔,其扇扫图像呈光亮的圆形或椭圆形,衍射回波信号随气孔身后显示;夹渣缺陷,由于形状不固定,图像形状多不规则,边缘不清晰且其后衍射波图像位置不定;对于裂纹,当声波传播方向与裂纹有一定夹角时,由于裂纹对声波的衍射效应,裂纹上下尖端衍射回波图像清晰,并由此可测定裂纹几何尺寸及角度;未焊透缺陷,由于中间位置反射回波大,图像中间亮度大,两侧边缘不圆滑反差大;未熔合与未焊透缺陷类似,中间反射回波大导致扇扫图像中心面积大且亮度大。
　　相控阵超声检测时,对接焊缝缺陷的扇扫图像显示易于判读评定,缺陷信号和几何信号图像较之于常规的 A型脉冲波形易于分辨。相控阵扇扫图像结合含有声波传播路径的探测布置图是焊缝相控阵图谱分析识别的有效方法,特别是二次波检测时,要辨识清楚镜像的实际位置和形貌特征。本文的研究工作对推动我国超声相控阵检测技术和标准制定具有一定的参考价值。

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第1章 绪论

1.1 选题依据、目的和意义

1.2 国外相控阵检测焊缝图谱的发展概况

1.3 国内相控阵检测焊缝图谱的发展概况

1.4 项目研究的主要内容及创新性

第2章 超声相控阵理论研究

2.1 超声波相控阵检测技术

2.2 超声相控阵的声场辐射

2.3 聚焦法则计算

2.4 超声相控阵扫描方式

2.5 超声相控阵测量裂纹高度方法

2.6 相控阵的研究趋势

2.7 本章小结

第3章 对接焊缝超声相控阵检测数值模拟

3.1 相控阵声场模拟

3.2 不同类型缺陷CIVA模拟

3.3 ESBeamTool模拟焊缝声场覆盖区域确定探头位置

3.4 本章小结

第4章 对接焊缝超声相控阵检测实验及图谱分析

4.1 实验检测系统

4.2 超声相控阵仪器的校准功能

4.3 人工缺陷相控阵扇扫的识别与测量

4.4 典型缺陷检测图谱特征分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

致谢

附录