压电超声波检测设备与电磁超声波检测设备比较

无损检测新技术-超声波相控阵检测技术简介夏纪真无损检测资讯网 广州市番禺区南村镇恒生花园14梯701 邮编：511442摘要：本文简单介绍了超声波相控阵检测技术的基本原理、应用与局限性关键词：无损检测超声检测相控阵1 超声波相控阵检测技术的基本原理超声波相控阵检测技术是一种新型的特殊超声波检测技术，类似相控阵雷达、声纳和其他波动物理学应用，依据惠更斯（Huyghens-Fresnel）原理：波动场的任何一个波阵面等同于一个次级波源；次级波场可以通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到。

并显示保真的（或几何校正的）回波图像，所生成材料内部结构的图像类似于医用超声波图像。

常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片来产生超声波，一个压电晶片只能产生一个固定的声束，其波束的传递是预先设计选定的，并且不能变更。

超声波相控阵检测技术的关键是采用了全新的发生与接收超声波的方法，采用许多精密复杂的、极小尺寸的、相互独立的压电晶片阵列（例如36、64甚至多达128个晶片组装在一个探头壳体内）来产生和接收超声波束，通过功能强大的软件和电子方法控制压电晶片阵列各个激发高频脉冲的相位和时序，使其在被检测材料中产生相互干涉叠加产生可控制形状的超声场，从而得到预先希望的波阵面、波束入射角度和焦点位置。

因此，超声波相控阵检测技术实质上是利用相位可控的换能器阵列来实现的。

超声波相控阵激发的超声波进入材料后，仍然遵循超声波在材料中的传播规律。

因此，对于常规超声波检测应用的频率、聚焦的焦点尺寸、聚焦长度、入射角、回波幅度与定位等等，超声波相控阵也是同样应用的。

超声波相控阵探头的每个压电晶片都可以独立接受信号控制（脉冲和时间变化），通过软件控制，在不同的时间内相继激发阵列探头中的各个单元，由于激发顺序不同，各个晶片激发的波有先后，这些波的叠加形成新的波前，因此可以将超声波的波前聚焦并控制到一个特定的方向，可以以不同角度辐射超声波束，可以实现同一个探头在不同深度聚焦（电子动态聚焦）。

无损检测技术对比研究作者：李新蕾邹伟光莫永兴许衎来源：《工业技术创新》2018年第02期摘要：对常见的无损检测技术进行对比研究，优选性能更优越的无损检测方法。

分别采用射线检测技术（RT）、传统超声检测技术（UT）、超声波衍射时差法（TOFD）和相控阵超声检测技术（PAUT）对同一对接焊缝进行无损检测，从定量、定位、定性等方面探讨其优劣势。

TOFD检测对缺陷定位、定量的准确性和适用性具有独特优势，且具有操作方便、检测快捷、灵活性强等特点，在四种无损检测方法中性能最好。

后续应继续探索提高其检测精度的途径，并加强其缺陷定性可行性的研究。

关键词：相控阵超声检测；射线检测；超声检测；超声波衍射时差法中图分类号：TB553 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 02-102-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.02.023引言近年来，我国工业快速发展，对各类生产服务设备、设施的安全性和可靠性提出了更高要求。

无损检测技术是检测以上性能的常用技术[1-7]。

本文对四种常见的无损检测技术——射线检测技术（RT）、传统超声检测技术（UT）、超声波衍射时差法（TOFD）和相控阵超声检测技术（PAUT）开展对比研究，从定量、定位、定性等方面对相应技术的优劣势进行探讨。

1 试板与设备1.1 试板试板上有厚度为30 mm的20#钢对接焊缝。

焊缝长度为300 mm，采用手工焊接，坡口为X型，检测面打磨合格。

试板编号为HA-030-02。

1.2 设备（1）RT检测，采用XXQ-3005型X射线机；（2）UT检测，采用武汉中科HS600型超声波探伤仪；（3）TOFD检测，采用以色列ISONIC 2007超声波探伤记录仪；（4）PAUT检测，采用以色列ISONIC PA STAR型超声相控阵检测系统。

2 方法与结果2.1 RT检测采用柯达胶片和前、后屏厚度均为0.1 mm铅箔增感屏。

无缝钢管超声波探伤检验方法2010-1-25发布时间：2008年08月05日实施时间：2009年04月01日规范号：GB/T 5777—2008发布单位：中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会本标准修改采用ISO 9303:1989(E)《承压无缝和焊接(埋弧焊除外)钢管纵向缺陷的全周向超声波检测》。

本标准根据ISO 9303:1989(E)重新起草。

在附录A中列出了本标准章条编号与ISO 9303:1989(E)章条编号对照一览表。

本标准在采用国际标准时做了一些修改。

有关技术性差异用垂直单线标识在它们所涉及的条款的页边空白处。

在附录B中给出了技术性差异及其原因的一览表以供参考。

为便于使用，对于ISO 9303:1989(E)还做了下列编辑性修改：——“本国际标准”一词改为“本标准”；——删除ISO 9303:1989(E)的前言和引言。

本标准代替GB/T 5777—1996《无缝钢管超声波探伤检验方法》，与GB/T 5777—1996相比主要变化如下：——范围增加“电磁超声探伤可参照此标准执行”(见第1章)；——增加了对斜向缺陷的检验及检验方法(见第4章和附录B)；——修改了管端人工槽位置的限制(GB/T 5777—1996中的第5章；本标准的第5章)；——修改了人工缺陷的尺寸和代号(GB/T 5777—1996中的第5章；本标准的第5章和附录E)；——探头工作频率由2.5MHz～10MHz修改为1MHz～15MHz(GB/T 5777—19 96中的第6章；本标准的第6章)。

本标准的附录A、附录B和附录E是资料性附录。

附录C、附录D是规范性附录。

本标准由中国钢铁工业协会提出。

本标准由全国钢标准化技术委员会归口。

本标准主要起草单位：湖南衡阳钢管(集团)有限公司、冶金工业信息标准研究院、宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司。

本标准主要起草人：左建国、张黎、彭善勇、黄颖、邓世荣、赵斌、刘志琴、赵海英。

无损检测无损检测（Nondestructive Testing，缩写就是NDT）,工作中也被叫做无损探伤。

是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。

无损检测通常被称为无损评估（NDE，non-destructive evaluation），但从技术上讲，它们涵盖的领域略有不同。

NDE 方法通常用于更定量的测量，例如定位缺陷以及提供有关缺陷的测量信息，例如尺寸、形状和方向。

NDE 方法还用于确定材料的物理性能，例如成形性和断裂韧性。

传统的无损检测的方法比较常见的是以下的几种：1、目视检测（VT，Visual and Optical Testing）这是最基本的无损检测方法，范围从简单的肉眼目视检查到计算机控制的远程摄像系统。

这些设备能够自动识别和测量组件的特征。

2、射线照相法（RT，Radiographic Testing）工业射线照相涉及使用辐射穿透测试对象来识别缺陷或检查内部特征。

X 射线通常用于较薄或密度较小的材料，而伽马射线则用于较厚或较密的材料。

辐射穿过被检查的物体到达胶片等记录介质上，生成的阴影图可识别厚度和密度变化等特征。

3、超声波检测（UT，Ultrasonic Testing）该方法涉及将超高频声波传输到材料上，然后将其返回到接收器（可以在视觉显示器上呈现）。

如果材料特性存在缺陷或变化，这些反射将记录不同的声密度和速度。

最常见的UT 技术是脉冲回波。

4、磁粉检测（MT，Magnetic Particle Testing）该方法用于定位铁磁材料中的表面和近表面缺陷或缺陷。

感应磁场后，表面会撒上铁颗粒（干燥或悬浮在液体溶液中），这些铁颗粒也可能是有色或荧光的。

如果存在不连续性，它将扰乱磁场的流动并迫使部分磁场在表面泄漏，从而使检查人员能够明显地识别缺陷。

5、渗透检测（PT，Penetrant Testing）渗透检测法涉及用含有可见或荧光染料的溶液涂覆干净的测试物体。

油气管道无损检测技术管道作为大量输送石油、气体等能源的安全经济的运输手段,在世界各地得到了广泛应用,为了保障油气管道安全运行,延长使用寿命,应对其定期进行检测,以便发现问题,采取措施。

一、管道元件的无损检测（一）管道用钢管的检测埋地管道用管材包括无缝钢管和焊接钢管。

对于无缝钢管采用液浸法或接触法超声波检测主要来发现纵向缺陷。

液浸法使用线聚焦或点聚焦探头,接触法使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头。

所有类型的金属管材都可采用涡流方法来检测它们的表面和近表面缺陷。

对于焊接钢管，焊缝采用射线抽查或100 %检测，对于100 %检测，通常采用X射线实时成像检测技术。

（二）管道用螺栓件对于直径> 50 mm 的钢螺栓件需采用超声来检测螺栓杆内存在的冶金缺陷。

超声检测采用单晶直探头或双晶直探头的纵波检测方法。

二、管道施工过程中的无损检测（一）各种无损检测方法在焊管生产中的配置国外在生产中常规的主要无损检测配置如下图一中的A、B、C、E、F、G、H工序。

我国目前生产中的检测配置主要岗位如下图中的A、C、D、E、F、G、H工序。

图一大口径埋弧焊街钢管生产无损检测岗位配置（二）超声检测全自动超声检测技术目前在国外已被大量应用于长输管线的环焊缝检测，与传统手动超声检测和射线检测相比，其在检测速度、缺陷定量准确性、减少环境污染和降低作业强度等方面有着明显的优越性。

全自动相控阵超声检测系统采用区域划分方法，将焊缝分成垂直方向上的若干个区，再由电子系统控制相控阵探头对其进行分区扫查，检测结果以双门带状图的形式显示，再辅以TOFD (衍射时差法)和B扫描功能，对焊缝内部存在的缺陷进行分析和判断。

全自动超声波现场检测时情况复杂，尤其是轨道位置安放的精确度、试块的校准效果、现场扫查温度等因素会对检测结果产生强烈的影响，因此对检测结果的评判需要对多方面情况进行综合考虑，收集各种信息，才能减少失误。

（三）射线检测射线检测一般使用X 射线周向曝光机或γ射线源，用管道内爬行器将射线源送入管道内部环焊缝的位置，从外部采用胶片一次曝光，但胶片处理和评价需要较长的时间，往往影响管道施工的进度，因此，近年来国内外均开发出专门用于管道环焊缝检测的X 射线实时成像检测设备。

超声波仪器的原理和应用一、超声波仪器的原理超声波仪器是利用超声波在物质中传播和反射的原理，通过测量超声波在物体内部传播和反射过程中的特征参数，来实现对物体结构和性质的非破坏性检测和成像。

其原理包括超声波的产生、传播、接收和信号处理等几个方面。

1. 超声波的产生超声波的产生通常通过压电材料的压电效应来实现。

当压电材料受到外加电场时，会发生相应的形变，从而产生机械振动。

这种机械振动可以被传导到物质中间介质内，形成超声波。

2. 超声波的传播超声波在物质中的传播速度与该物质的密度、弹性系数和纵波声速有关。

传播过程中，超声波与物质中的界面发生反射、折射和散射等现象，进而形成回波信号。

3. 超声波的接收超声波在物体内部传播过程中，一部分被物体吸收，一部分被物体内部结构反射。

超声波接收器通过压电效应将反射回来的超声波信号转换为电信号，供后续信号处理和成像。

4. 信号处理超声波接收到的电信号经过放大、滤波和数字化等处理，用于生成超声波的接收信号。

通过对接收信号的处理，可以获取物体的结构和性质信息。

二、超声波仪器的应用超声波仪器作为一种非破坏性检测技术，被广泛应用于不同领域，包括医学、工业、材料科学和地质勘探等。

1. 医学应用超声波在医学领域有着重要的应用，如超声波成像、超声心动图、超声诊断等。

超声波成像技术可以通过对人体内部组织的反射信号进行处理，实现对人体结构的成像，用于辅助医生诊断疾病。

超声心动图可以观察心脏的结构和运动情况，帮助医生判断心脏疾病。

超声诊断则通过检测人体内部组织的声学特性，来提供细微病变的信息。

2. 工业应用在工业领域，超声波可以用于材料表面的缺陷检测、材料的质量控制和非破坏性测试等。

例如，在金属材料的焊接过程中，超声波可以检测焊缝的质量，并判断是否存在缺陷。

此外，超声波还能够用于测量材料的厚度、密度和硬度等重要参数。

3. 材料科学应用超声波在材料科学领域也具有广泛的应用。

通过测量超声波在材料中的传播速度和衰减特性等参数，可以评估材料的微观结构和物理性能。

无损检测技术之超声检测超波检测主要用于探测试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。

所谓超声波是指超过人耳听觉，频率大于20kHz的声波。

用于检测的超声波，频率为0.4～25MHz，其中用得最多的是1～5MHz。

超声波探伤方法很多，通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。

目前用得最多的是脉冲反射法。

超声信号显示方面，目前用得最多而且较为成熟的是A型显示。

下面主要叙述A型显示脉冲反射超声探伤法。

1.超声检测定义、作用及特性定义:一般指超声波与工件作用，就反射、透射和衍射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用进行评价的技术。

工业检测中，超声检测通常指宏观缺陷检测和材料厚度测量。

作用：通过超声检测发现工件或设备中存在的缺陷，从而实现产品质量控制、节约原材料、改进工艺、提高劳动生产率、消除安全隐患。

超声波的重要特性：1）方向性好超声波是频率很高、波长很短的机械波，在超声波检测中使用的波长为毫米数量级。

像光波一样具有良好的方向性，可以定向发射，从而在被检工件中发现缺陷。

2）能量高超声波的能力（声强）与频率的平方成正比。

3）能在界面上产生反射、折射、衍射和波形转换超声波具有几何声学的特点，在介质中直线传播，遇到界面产生反射、折射、衍射和波形转换。

4）穿透能力强超声波在大多数介质中传播时，能量损失小，传播距离大，穿透能力强，在一些金属材料中穿透能力可达数米，这是其它检测方法无法比拟的。

2.超声波的发生及其性质2.1 超声波的发生和接收声波是一种机械波，机械波是由机械振动产生的。

工业探伤用的高频超声波，是通过压电换能器产生的。

压电材料可以将电振动转换成机械振动，也能将机械振动转换成电振动。

通常在超声波探伤中只使用一个晶片，这个晶片既作发射又作接收。

2.2 超声波的种类超声波有许多种类，在介质中传播有不同的方式，波型不同，其振动方式不同，传播速度也不同。

声波的介质质点振动方向与传播方向一致，叫做纵波。

绪论过程设备是各个工业部门不可缺少的重要生产设备，用于供电，供热，和储存各种工业原料及产品，完成工业生产过程必须的各种物理过程和化学反应，因此它成为石油，化工，电站，核能和军工等工业部门的重要生产装备。

其制造工艺以焊接为主，质量要求比较高。

焊缝质量直接决定着压力容器的使用安全和使用寿命，因此在制造和使用过程中的焊缝检测显得尤为重要，故需要寻找一种高效，经济，简便可行的无损检测技术及缺陷评定的方法。

无损检测技术主要包括超声检测，射线检测，磁粉检测，渗透检测，涡流检测和声发射等检测技术。

其中超声波探伤和射线探伤是检测压力容器焊缝内部缺陷的主要手段。

超声波探伤以其探伤距离大，探伤装置体积小，重量轻，便于携带，检测速度快，检测费用低等优势，在过程设备制造和检测工作中得到越来越多的应用。

如今，一些过程设备的检验，检测及缺陷评定仍存在很大问题，其检验、检测要求难以统一，制造质量难以保证。

给设备的维护和管理带来很大难度。

焊接缺陷的类型主要包括未焊透，未熔合，裂纹，气孔及夹渣等。

这些缺陷如不进行定期检查及有效的安全评定而盲目使用势必会造成重大恶性事故，给企业带来重大的经济损失，因此怎样实现对焊缝内部缺陷精确定位，定量和定性分析及缺陷评定，是需迫切解决的课题。

在焊缝缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效的常规无损检测方法之一，与其它常规检测相比具有明显的优势。

基于以上原因，本文重点研究焊缝内部缺陷的超声波检测方法，从而对焊接缺陷进行有效的安全评定。

1超声波检测的原理及其特点1.1设计任务书设计目的：为了让我们充分了解超声波检测的方法及原理，以及操作步骤和注意事项，并为我们以后工作打好良好的基础。

设计内容：详细介绍了超声波检测的原理及特点，并以中厚板横焊缝为例介绍了超声波检测的仪器设备，以及检测过程和缺陷评定等内容，最后还介绍了现场探伤，缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过标准对检测中的缺陷进行了等级评定并得出了检测工艺卡。