相控阵超声波检测技术DMA探头的晶片检查

0 引 言

近年来，相控阵超声波检测技术在海洋石油天然气、LNG模块、FPSO船体工艺管线检测中得到了广泛的应用。实践检验中不仅存在碳钢材质管线，而且还有相当量的不锈钢、双相不锈钢、耐腐蚀合金(CRA)等材质的管线。由于此类材质晶粒粗大，组织不均，具有明显的各向异性。衰减大、信噪比低、声束偏离等降低了超声波的穿透能力，给超声波探伤带来许多困难。所以在相控阵超声波检测此类材质管线时，除了采用线性阵列探头外，还加入了DMA探头。DMA探头具有双晶纵波矩阵，可以在不锈钢等材料中发射和接收纵波，并可根据需要设置聚焦深度，增强了在此类材料中的穿透力，获得了比较优异的信噪比，大大降低了不锈钢等材料的检测难度。不同于线性阵列探头的DMA探头如何做晶片检查成了关键问题。

1 相控阵超声波探头晶片类型和检查标准

1.1 探头晶片类型

相控阵超声波探头有多种形状和尺寸，适用于不同的应用场景。典型的阵列探头频率在1～17 MHz之间，有10～128个晶片，其晶片类型也各式各样。

图1 相控阵探头晶片类型[1]

1.2 探头晶片检查标准

相控阵探头晶片检查主要包括仪器与探头线连接接口是否完好、探头线是否完好、探头中每个晶片是否完好三个内容。首先，我们可以通过外观检查确认接口和探头线是否存在破损等明显的物理损坏，完好无损后再通过脉冲回波按标准判定晶片是否完好。

按照ASME V附录SE-2491要求，相同设置包括增益多次测试以及每次测试中相邻晶片间的波高差值应当在±2 dB范围内。允许死晶片的总数量和相邻死晶片的数量取决于应用的法则文件要求的声束聚焦、偏转、灵敏度、分辨率等的能力是否满足程序要求。通常死晶片数量不能超过总数的25%[2]。

2 试验系统

本次试验我们选用的主机是Olympus OmniScanMX2，系统软件为MXU 4.4R1。MX2仪器配有宽大明亮的10.4 in屏幕，具有新式、独特、直观的触摸屏功能，内置NDT SetupBuilder和新版OmniPC软件，可以更高效地进行设置和检测。线性阵列探头选用的是目前最为常用的ARRAY 5L64-38.4×10-A12-P-2.5-OM，其阵列形式为Linear； DMA探头选用的是ARRAY 2.25DM7×4PM-19×12-A17-P-2.5-OM，其阵列形式为Dual 1.5-D。试块为IIW，耦合剂为机油。

线性阵列探头A12可以在主机或者电脑版NDT SetupBuilder设置聚焦法则；由于软件限制无法在MX2上定义双矩阵A17等此类探头，只能在电脑版NDT SetupBuilder设置聚焦法则导入MX2再进行校准和检验。并且双矩阵A17探头在电脑版NDT SetupBuilder软件里也不能设置激发晶片数量为1生成检查晶片的聚焦法则。所以有了我们下面的对比试验。

3 晶片检查

3.1 线性探头的晶片检查

按照ASME V附录SE-2491和MX2操作规程，连接相应探头到MX2仪器，按照如下步骤进行试验：

3.1.1 定义探头情况下的晶片检查

步骤1： 新建界面。

步骤2： 从向导中定义工件&焊缝： 厚度25 mm(IIW试块厚度)，材料为软钢，试样类型为平板，无焊缝；设置中选PA模式；探头选择5L64-A12，楔块选Contact；法则配置： 线性0度，晶片数量： 1，脉冲发生器： 1；起始晶片： 1，最后晶片： 64，晶片步距： 1；聚焦深度： 25 mm。

步骤3： IIW试块涂抹适量机油作为耦合剂，把A12探头加以适当的压力固定在试块上面。UT设置>常规>增益，把一次波高调至为满屏的80%，范围： 0～65 mm。

步骤4： 晶片检查。

测量>光标>类别： 数据>虚拟探头孔径(VPA)。

调节虚拟探头孔径，每一个数字表示的是第几个晶片。将探头中每个晶片从试块底面的脉冲一次回波响应调到80%显示高度。观察阵列中每个晶片的A扫描显示，并记录每个晶片信号幅度到达80%时的接收器增益。记录未激活的晶片.

图2 A12探头晶片检查屏幕截图(定义探头)

表1 A12探头晶片检查记录表图(定义探头)

3.1.2 不定义探头情况下的晶片检查

在设置中不定义探头，MX2连接的是3.1.1中使用的A12探头

步骤1： 新建界面。

步骤2： 从向导中定义工件&焊缝： 厚度25 mm(IIW试块厚度)，材料为软钢，试样类型为平板，无焊缝；设置中选PA模式；探头选择“未知”，楔块选Contact；法则配置： 线性0度，晶片数量： 1，脉冲发生器： 1；起始晶片： 1，最后晶片： 64，晶片步距： 1；聚焦深度： 25 mm。

步骤3： IIW试块涂抹适量机油作为耦合剂，把A12探头加以适当的压力固定在试块上面。UT设置>常规>增益，把一次波高调至为满屏的80%，范围： 0～65 mm。

步骤4： 晶片检查。

测量>光标>类别： 数据>虚拟探头孔径(VPA)。

调节虚拟探头孔径，每一个数字表示的是第几个晶片。将探头中每个晶片从试块底面的脉冲一次回波响应调到80%显示高度。观察阵列中每个晶片的A扫描显示，并记录每个晶片信号幅度到达80%时的接收器增益。记录未激活的晶片。

图3 A12探头晶片检查屏幕截图(未定义探头)

3.1.3 小结

以上试验证明定义和不定义A12线性探头检查晶片得出了同样的结论。后续我们使用ARRAY 5L32-19.2×10-A11-M-5-OM、 ARRAY 5L64-38.4×10-A2-P-2.5-OM、 ARRAY 7.5CCEV35-16-8×10-A15-P-2.5-OM等其他线性和线性弧形阵列探头做了同样的晶片检查试验，对比得出的结论是一致的。由此可以推断出定义探头与否，对晶片检查结果没有直接影响。

表2 A12探头晶片检查记录表图(未定义探头)

3.2 DMA探头的晶片检查

3.2.1 A17探头晶片检查

步骤1： 新建界面。

步骤2： 步骤同3.1.2步骤2。

步骤3： IIW试块涂抹适量机油作为耦合剂，把A17收发两个探头加以适当的压力固定在试块上面。UT设置>常规>增益，把一次波高调至为满屏的80%，范围： 0～65 mm。

步骤4： 晶片检查。

测量>光标>类别： 数据>虚拟探头孔径(VPA)。

调节虚拟探头孔径，每一个数字表示的是第几个晶片。将探头中每个晶片从试块底面的脉冲回波响应调到80%显示高度，观察阵列中每个晶片的A扫描显示，并记录每个晶片信号幅度到达80%时的接收器增益。记录未激活的晶片。

图4 A17探头晶片检查屏幕截图(未定义探头)

3.2.2 小结

A17探头发射和接收两个探头各有28个晶片，分别对应MX2 1-28和33-60编号的物理通道，图象中存在8条没有数据的白色区域，其他晶片完好无损。根据试验结果观察，A17探头晶片检查结果符合标准要求。后续我们使用ARRAY 4DM16×2SM-16×6-A27-P-2.5-OM做了同样的晶片检查试验，对比得出的结论是一致的。

表3 A17探头晶片检查记录表图(未定义探头)

4 结 语

本文根据试验得出了DMA探头晶片检查的方法，克服了软件无法生成晶片检查聚焦法则的问题，保证了DMA探头法则文件要求的声束聚焦、偏转、灵敏度等能力，为现场检验提供了坚实的基础保障。相控阵探头每个晶片都有一根独立的电线连接，并且对应MX2仪器固定的物理通道。鉴于此原理和本文试验，可以得出推论： 无论相控阵探头有多少晶片以及晶片以什么形式排列，都可以不定义探头进行晶片检查。