双全法（FMC+TFM）相控阵成像检测技术下篇之关键参数校验和应用案例

关键参数校验双全法的成像效果和质量与3个关键参数（图像分辨率、网格点间距和波幅稳定度）密切相关，对它们进行校验是非常重要的，下面我们来详细介绍校验要领。双全法是由数据采集和成像构成的方法，二者均涉及采样，故需要关注网格点间距。覆盖范围和分辨率可用下述方法作隐式测试（验证波幅稳定度的程序中包含ROI的设置确认和网格点间距的验证）。灵敏度也可用与波幅校正法相同的布置来进行校验。实施基本TFM算法时，图像中每个点的重建步骤为：在全矩阵数据时基轴上进行A扫描，并在网格点位置添加A扫描波幅值。A扫描信号来自未检波、未滤波的超声信号，若图像网格点密度过底，则A扫描信号可能出现反相位相互抵消的现象，故网格太粗时，小反射体的波幅会随探头的位置变化而出现增减。图像分辨率图像分辨率是指图像可分辨相邻目标物最小间距的能力。检测程序规定分辨率的同时，应说明验证方法。网格点间距网格点间距取决于检测所需分辨率、总覆盖区域、处理能力、波速、稳定波幅图像所需网格点的间距。网格可调粗调细，网格设置太粗时，可能导致小反射体漏检或量值偏小。一般网格点间距小于λ/5（λ为波长）时可得稳定波幅。波幅稳定度受多因素影响，如探头特性、波长等。波幅稳定度01验证设备要求验证关注区波幅稳定度的设备应与检测时使用的设备相同。验证所用的探头和楔块，其型式和制造商应与检测时的相同，检测试块或对比试块中应有竖排横孔。02验证设置关注区设置应与预期应用设置相同。设备应在竖排横孔上进行调试，使用夹钳将探头固定在对准横孔的3个不同位置：①在关注区中间；②离关注区左端约2mm；③离关注区右端约2mm。横孔回波的最大波幅应调为80%满屏高。03验证过程偏移增量i=λ/20，验证过程用于实时显示TFM图像，或通过后处理用于存储FMC数据，步骤为：①列表记录关注区每一横孔的最大波幅；②按要求进行偏移增量计算；③按偏移量计算TFM设置值；④按偏移量显示TFM图像，回到步骤①，直到完成20次递增时结束计算。探头摆放的3个位置都要执行该验证过程。04结果计算确定每一探头位置、每一横孔的最大波幅Hmax和最小波幅Hmin，则该位置、该横孔的波幅稳定度ΔHs为：ΔHs=20lg(Hmax/Hmin)若波幅稳定度为最大2dB（即±1dB，用波幅的绝对值测量）、最大4dB（即±2dB，定量方式不依据波幅的绝对值），则校验评定合格。若波幅稳定度超过上述规定数值，则减小网格点间距。05验证报告校验报告应包括验证过程、波幅稳定度、关注区参数（如TFM设置窗截屏）、增量值计算、横孔回波波幅、测试设置和设备（包括探头、楔块、仪器、试块、软件版本）、增益校正设置等。推荐设置和应用案例1高温氢蚀或类似损伤检测氢损伤01高温氢蚀（HTHA）定义为氢渗透到钢中与碳化物反应，导致钢构件产生微裂纹的过程，氢蚀缺陷可能位于基体金属或焊缝中。碳钢和低合金钢暴露于含硫化氢的酸性水介质中，也会受各种开裂机制的影响，例如压力容器壁面会发生电化学反应，导致钢吸收氢原子，金属韧性降低，金属键弱化。这些效应叠加在一起会产生多种失效机制，如氢致开裂（阶式破裂和起泡是氢致开裂的两种特殊形式）、硫化物应力开裂、应力取向氢致开裂。检测高温氢蚀使用的设备也可用于氢致开裂的检测。检测应力腐蚀开裂的设备也可用于应力取向氢致开裂的检测。检测设置02双全法可用作其他无损检测方法检测高温氢蚀损伤的补充方法。被检试件的表面粗糙度应不大于6.5μm。检测时需使用顶端线槽（宽0.2mm）或横孔（深度≈厚度，容差±20%）来设置仪器的灵敏度，检测信噪比至少为12dB。使用横孔来设置检测灵敏度时，应提高检测灵敏度，以保证衍射信号的检出。参考反射体的波幅应调至满屏高的80%~100%。使用校验试块三横孔进行灵敏度校正的案例如下图所示（频率为15MHz）。图2使用校验试块三横孔进行灵敏度校正的案例03探头选择为获得最佳的检测信噪比，纵波探头频率为7~15MHz，横波探头频率为3.5~7.5MHz。扫查方法04使用双全法进行高温氢蚀损伤检测时，母材区域推荐使用顶扫，焊缝和热影响区推荐使用侧扫，两种扫查方式如下图所示。图3母材区域的顶扫示意图4焊缝和热影响区的侧扫示意05典型成像结果钢试块典型的高温氢蚀双全法成像结果如下图所示（探头频率为7.5MHz，成像方式为纵波成像）。可见体积合并成像可优化显示结果。图5钢试块典型的高温氢蚀双全法成像结果高温氢蚀的线性相控阵超声与双全法的成像结果如下图所示，可见双全法更有助于操作者识别高温氢蚀缺陷。图6高温氢蚀的线性相控阵超声与双全法的成像结果早期和中期高温氢蚀损伤的双全法成像结果和分析如下图所示。图7早期和中期高温氢蚀损伤的双全法成像结果和分析碳钢板试样水平裂纹和阶式裂纹的双全法检测结果及其宏观断面如下图所示（图中“1”为水平裂纹，“2”为阶式裂纹）。图8碳钢板试样水平裂纹和阶式裂纹的双全法检测结果及其宏观断面2腐蚀检测腐蚀损伤01腐蚀是指金属与环境间发生物理化学相互作用的过程。检测钢容器和管道部件中的腐蚀损伤时，应按损伤位置和形状特征来选择成像方式。腐蚀类型有均匀腐蚀、点蚀、侵蚀、沉积物侵蚀、间隙腐蚀、电化学腐蚀、焊缝区腐蚀。检测设置02腐蚀机制不同会产生不同形状、位置和类型的反射面。检测时，要根据材料厚度选择检测参数。用双全法进行腐蚀检测前，需了解材料的损伤类型，并考虑腐蚀的位置和形状。验证试块中实际损伤的位置、形状、大小、厚度范围等参数应覆盖试件预期存在损伤的位置、形状、大小和厚度范围。验证试块的材料应与试件的相同。探头选择03探头应根据试件的几何形状、材料、厚度、表面状态和涂层状况来选择。探头频率应根据待检腐蚀缺陷的类型选择。成像方式04根据腐蚀位置推荐的双全法成像方式如下：侧扫：腐蚀位置内表面缺陷母材纵波或横波成像焊缝纵波或横波成像，楔块角度不大于30°顶扫：腐蚀位置内表面缺陷表面开口缺陷母材纵波成像；直接接触或0°楔块纵波成像；直接接触或0°楔块焊缝纵波成像二次纵波成像，二次横波成像典型成像结果05浅宽内腐蚀缺陷的双全法成像结果如下图所示，可见双全法可大范围检测腐蚀缺陷的轮廓，可准确评定缺陷与试件后壁的连接角度。图9浅宽内腐蚀缺陷的双全法成像结果3应力腐蚀裂纹检测应力腐蚀裂纹（SCC）危害严重，其会导致结构迅速失效。检测SCC的多面轮廓（穿透壁厚可能小至1mm)，表征其形态、方向和尺寸对分析结构性能至关重要。不锈钢复合层中的应力腐蚀裂纹外观如下图所示（图中从左至右，3个裂纹壁厚方向的高度分别为0.12，0.45，3.13mm)。图10不锈钢复合层中的SCC外观碳钢管防腐蚀堆焊层中应力腐蚀裂纹外观如下图所示，其壁厚方向的高度约为1mm。图11碳钢管防腐蚀堆焊层中应力腐蚀裂纹外观01检测设置被扫查表面的粗糙度应不大于6.5μm。检测时需用典型试件的典型损伤作为基准，以得到最佳检测结果。检测各向异性、非均质材料（如堆焊层）中的SCC时，必须要使用含人工损伤(如电火花加工线槽)或实际损伤的对比试样。常用端角效应法来检测SCC，推荐成像方式为纵波成像或横波成像。检测各向同性或均质材料时，灵敏度可高于基准线槽或裂纹端角回波波幅的6dB。验收水平需按项目标准确定。若用裂纹端部衍射信号测量裂纹高度，灵敏度应高于基准线槽或裂纹端角回波波幅至少14dB。02探头选择根据结构完整性分析，应力腐蚀裂纹的尺寸可能很小，当其壁厚方向的高度小于1mm时，推荐用检测频率为10MHz，最少32阵元的探头。03成像方式采用双全法检测应力腐蚀裂纹时，母材与焊缝采用侧扫和顶扫皆可，两种扫查方法均根据衍射信号对SCC进行测高。04成像结果不锈钢堆焊层SCC双全法侧扫和顶扫的成像结果如下图所示。图12不锈钢堆焊层SCC双全法侧扫成像结果图13不锈钢堆焊层SCC双全法顶扫成像结果图13对应SCC的宏观金相照片如下图所示。图14图13中SCC的宏观金相照片结语1相比传统的相控阵超声检测方法，双全法的成像结果具有更高的信噪比和图像分辨率。2与传统成像技术相比，全聚焦法具有可随处聚焦的优势，使缺陷显示更接近实际形状，有利于缺陷的定量检测。3为检测关注区内的定向缺陷（面积型缺陷）和无向缺陷（体积型缺陷），应使用多种成像方式（包括端部衍射、反射、端角回波等）进行全聚焦法检测，但需注意分辨伪缺陷。4ISO双全法通则要求操作者评定网格分辨率，波幅稳定度不大于2dB。网格点间距小于λ/5时，可得稳定波幅，满足标准要求。5为减少需处理的信号数量，可采用半矩阵捕获、稀疏矩阵