管狀設(shè)備超聲相控陣內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的CIVA仿真比對(duì)

，， ，

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048)

管座角焊縫、壓力管道等管狀設(shè)備的超聲檢測(cè)常采用探頭置于其外表面的探傷方法[1]。對(duì)管子-管板角焊縫而言，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行外表面超聲探傷。將超聲探頭置于管狀設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)的方法對(duì)其內(nèi)部的焊縫缺陷、分層、點(diǎn)蝕、劃痕、凹坑、裂紋等，往往具有很好的檢測(cè)效果。目前，國(guó)外較知名的檢測(cè)公司如美國(guó)的Tuboscopc GE PII、英國(guó)的British Gas、德國(guó)的Pipetronix、加拿大的Corrpro開(kāi)發(fā)了管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)是將各種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備加在島清管器上，通過(guò)清管器的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到檢測(cè)管道缺陷的目的，其產(chǎn)品已基本實(shí)現(xiàn)了系列化和多樣化。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)管狀設(shè)備的超聲相控陣內(nèi)檢測(cè)也有一定的研究[2-4]，但由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，探頭、裝置開(kāi)發(fā)困難等原因，該方法未得到大規(guī)模的應(yīng)用。而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊縫，特別是管子-管板角焊縫、管座角焊縫等，更容易產(chǎn)生坡口未熔合、根部未焊透等缺陷。常規(guī)超聲的外檢測(cè)方法存在缺陷信號(hào)識(shí)別、定位、定性難，聲束難以完全覆蓋焊縫等問(wèn)題，特別是對(duì)于根部未熔合、未焊透等缺陷的檢出率較低，因此極容易產(chǎn)生漏檢[5]。NB/T 47013.3《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》中對(duì)于特定管徑和壁厚的管座角焊縫也采用了常規(guī)超聲內(nèi)檢測(cè)的方法，但其適用范圍有限，受壁厚、曲率和馬鞍狀焊縫形式的影響較大，且受檢測(cè)位置的限制，對(duì)操作者的技能要求也很高。因此，筆者提出了用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)管狀設(shè)備的內(nèi)檢測(cè)。根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)特征、耦合方式、掃查方式、開(kāi)發(fā)專用探頭的成本等情況，結(jié)合CIVA聲場(chǎng)仿真和缺陷響應(yīng)，分析比對(duì)了線陣、凸面陣、柔性相控陣直接耦合法、柔性相控陣水套耦合法等(文中所述相控陣探頭均為一維線陣排列)幾種檢測(cè)方法的特點(diǎn)和適用范圍，以為專用超聲相控陣探頭的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考。

1 平面和凸面相控陣列的聲場(chǎng)模型

1.1 平面線陣聚焦聲壓表達(dá)式

假設(shè)線陣的幾何參數(shù)如圖1所示，Δtn為相控陣列第n陣元的延時(shí)時(shí)間，N為相控陣列的陣元個(gè)數(shù)，P0為陣元在單位距離上產(chǎn)生的聲壓，a為單個(gè)陣元的幾何寬度，k為波數(shù)。只考慮xOz平面上的聲場(chǎng)分布，在xOz平面上任意一點(diǎn)處產(chǎn)生的聲壓可通過(guò)各個(gè)陣元在該處的聲壓疊加得到[6]

exp{j{w{t-Δtn-k[r-(n-1)dsinθ]}}}

(1)

式中：r為某一陣元中心到xOz平面上任意一點(diǎn)的距離;θ為r與z軸的夾角;t為時(shí)間。

圖1 相控陣的幾何參數(shù)

設(shè)相控陣聲束偏轉(zhuǎn)角度為θ0，由上述聲場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，可得陣元的指向性函數(shù)[6]

H(θ)=

(2)

利用式(2)可以計(jì)算出聲束的主瓣、旁瓣及柵瓣的情況。聚焦性能優(yōu)良的探頭必須具備以下3個(gè)條件：主瓣尖銳、較低的旁瓣以及無(wú)柵瓣。

1.2 凸面超聲相控陣聚焦聲壓表達(dá)式

|Ri|=|R-ai|=

(3)

圖2 凸陣陣形尺寸示意

圖3 凸面陣坐標(biāo)選取

根據(jù)亥姆霍茲積分公式可得N條陣元同時(shí)在M點(diǎn)形成的聲壓為[7]

(4)

式中：γi為第i個(gè)陣元的矢徑與x軸的夾角，其表達(dá)式為

(5)

Δti為第i個(gè)陣元相對(duì)中心點(diǎn)的延時(shí)，延時(shí)量可按式(6)計(jì)算。

(6)

式中：C為超聲聲速。

2 聲場(chǎng)仿真

在超聲相控陣檢測(cè)中，聲場(chǎng)特性直接關(guān)系到被檢區(qū)域的聲束可達(dá)性和能量覆蓋的有效性。因此，超聲相控陣的聲場(chǎng)建模仿真是開(kāi)發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器和制定檢測(cè)工藝的基礎(chǔ)。由于超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)須將探頭伸入到管子內(nèi)部實(shí)施檢測(cè)，故不太適宜檢測(cè)小徑管，因此，建議超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在管子內(nèi)徑大于128 mm時(shí)使用。目前，10 mm左右的接管在承壓設(shè)備中被廣泛地使用，加之角焊縫的寬度約為3～10 mm，故筆者針對(duì)內(nèi)徑為170 mm，壁厚為15 mm，角焊縫寬度為5 mm的插入式管座角焊縫模型進(jìn)行了線陣探頭檢測(cè)(凸面楔塊耦合)、凸面相控陣檢測(cè)(水耦合)、柔性相控陣探頭檢測(cè)(直接耦合)、柔性相控陣探頭檢測(cè)(水套耦合)的CIVA仿真比對(duì)研究。

2.1 線陣探頭檢測(cè)(凸面楔塊耦合)

利用線陣探頭進(jìn)行管狀設(shè)備內(nèi)檢測(cè)時(shí)，往往采用陣列沿管子軸線方向布置并匹配凸面楔塊的手工掃查方式。若陣列沿著徑向布置，則難以通過(guò)電子線掃描得到C掃圖像，且存在凸面陣聲場(chǎng)在凹面結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)散問(wèn)題。因此，該方法的優(yōu)點(diǎn)是耦合良好，聚焦性能好，無(wú)聲場(chǎng)擴(kuò)散問(wèn)題，通過(guò)增減激勵(lì)陣元的個(gè)數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格管徑的檢測(cè)。但由于檢測(cè)不同規(guī)格的管子需要不同曲率的楔塊來(lái)匹配，因此該方法增加了檢測(cè)成本。此外，檢測(cè)時(shí)只能進(jìn)行手工掃查(自動(dòng)掃查裝置開(kāi)發(fā)困難)，無(wú)法形成自動(dòng)C掃描圖像，這也加大了人工成本。圖4所示為剛性一維線陣檢測(cè)的CIVA聲場(chǎng)仿真圖，其采用有機(jī)玻璃耦合，采用的激勵(lì)陣元數(shù)為12，陣元寬度為0.7 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，頻率為5 MHz。從圖4(a)所示人仿真圖可看出，超聲波穿過(guò)有機(jī)玻璃楔塊到達(dá)鋼中指定的焦點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)了很好的匯聚;從圖4(b)所示的聲壓幅值曲線圖可看到聲波具有較好的聚焦性能，克服了異質(zhì)界面的衰減。

圖4 線陣探頭聚焦聲場(chǎng)

2.2 凸面相控陣檢測(cè)(水耦合)

采用凸面相控陣檢測(cè)進(jìn)行管狀設(shè)備內(nèi)檢測(cè)時(shí)，為了形成自動(dòng)掃查圖像，可將陣列設(shè)計(jì)成一個(gè)圓形整圈凸面陣，將探頭置于管子中心，探頭與管子的空隙間要求充滿水以利于耦合的進(jìn)行，最后，通過(guò)電子線掃描自動(dòng)形成C掃圖像。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)快速、高效，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化掃查，因此不需要周向的掃查裝置。其缺點(diǎn)是隨著激發(fā)陣元個(gè)數(shù)的增加，聲場(chǎng)在凹面結(jié)構(gòu)上的空間發(fā)散愈發(fā)嚴(yán)重，檢測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)界面波形紊亂的現(xiàn)象。此外，該方法往往需要256，甚至更多陣元的相控陣探頭，研發(fā)成本較高。

圖5 凸面相控陣聚焦聲場(chǎng)

圖5為凸面相控陣檢測(cè)的CIVA聲場(chǎng)仿真圖，其采用水耦合，激勵(lì)陣元數(shù)為12，陣元寬度為0.7 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，頻率為5 MHz。從圖5(a)所示的仿真圖可看出，超聲波透過(guò)水層到達(dá)鋼中指定的焦點(diǎn)處，聲波具有一定的匯聚，陣列凸面布置的聲場(chǎng)聚焦性能比圖4所示的平面陣的聚焦效果差；從圖5(b)所示的聲壓幅值曲線圖可看出，聲波在水鋼界面處的聲能損失較大，但在焦點(diǎn)附近能實(shí)現(xiàn)一定程度的聲束聚焦。

2.3 柔性相控陣探頭檢測(cè)(直接耦合)

由于柔性相控陣探頭采用了柔性可彎曲的材料，這使得其能很好地貼在復(fù)雜工件表面，實(shí)現(xiàn)探頭與工件的直接耦合。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可直接耦合，減少了聲波從晶片發(fā)出到穿入工件過(guò)程中的聲能衰減，能適用于曲面工件的檢測(cè),有效地解決剛性相控陣探頭存在曲表面聲耦合、界面波型轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。但該方法不適宜利用自動(dòng)掃查裝置實(shí)現(xiàn)C掃描，因?yàn)槠鋾?huì)對(duì)探頭造成很大的磨損，且掃查裝置研發(fā)是一個(gè)很大的難點(diǎn)。此外，柔性探頭的盲區(qū)較大，不適宜檢測(cè)薄壁工件。

圖6所示為柔性相控陣直接耦合法檢測(cè)的CIVA聲場(chǎng)仿真圖，其采用的激勵(lì)陣元數(shù)為12，陣元寬度為0.7 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，頻率為5 MHz。從仿真圖和聲壓幅值曲線可以看出該聲場(chǎng)聚焦性能良好，在焦點(diǎn)附近能實(shí)現(xiàn)理想的聲束聚焦。

圖6 柔性相控陣聚焦聲場(chǎng)(直接耦合)

2.4 柔性相控陣探頭檢測(cè)(水套耦合)

凸面相控陣檢測(cè)法(水耦合)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，但不能根據(jù)管徑調(diào)節(jié)凸面陣的曲率，且研發(fā)成本高(需多陣元完成管子周向電子線掃查);而柔性相控陣探頭直接耦合法能根據(jù)管徑調(diào)節(jié)凸面陣的曲率,研發(fā)成本低，但需手工掃查，不適宜自動(dòng)化檢測(cè)。因此，在柔性相控陣和剛性凸面相控陣的基礎(chǔ)上，筆者提出了柔性相控陣凸面水套耦合法。該方法克服了剛性凸面陣曲率不可調(diào)和，柔性相控陣無(wú)法自動(dòng)化檢測(cè)的缺點(diǎn)。其基本思路是利用夾具將柔性探頭彎曲成一定的曲率來(lái)匹配管子的內(nèi)壁，接著利用自動(dòng)水套耦合系統(tǒng)使得探頭與工件之間形成一個(gè)水腔，最后利用自動(dòng)掃查裝置控制探頭完成管子內(nèi)壁的整圈掃查，形成C掃描圖像。該方法采用線陣列柔性相控陣探頭，加工方便，可開(kāi)發(fā)掃查裝置實(shí)現(xiàn)周向自動(dòng)化掃查，也可通過(guò)多陣元探頭布滿管子內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)掃查裝置的自動(dòng)化掃查。該方法的缺點(diǎn)是有界面波干擾，需要通過(guò)調(diào)節(jié)水層厚度來(lái)規(guī)避；另外，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化掃查時(shí)，開(kāi)發(fā)掃查裝置是一個(gè)難點(diǎn)。

圖7所示為柔性相控陣水耦合檢測(cè)的CIVA聲場(chǎng)仿真圖，其采用的激勵(lì)陣元數(shù)為12，陣元寬度為0.7 mm，陣元間距為0.1 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，頻率為5 MHz。從圖7(a)所示的仿真圖可看出，超聲波透過(guò)水層到達(dá)鋼中指定的焦點(diǎn)處，聲波具有一定的匯聚；從圖7(b)所示的聲壓幅值曲線圖可看出，聲波在水鋼界面處的聲能損失較大，但在焦點(diǎn)附近能實(shí)現(xiàn)一定程度的聲束聚焦。

圖7 柔性相控陣聚焦聲場(chǎng)(水套耦合)

2.5 仿真比對(duì)

在上述幾種相控陣的尺寸結(jié)構(gòu)(陣元寬度、陣元間距、陣元長(zhǎng)度)和激發(fā)條件(頻率、激勵(lì)陣元數(shù))一致的前提下，比較了不同形式的相控陣在不同耦合方式和掃查方式下的聲場(chǎng)。從仿真圖可看出，水鋼界面、凹面結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)影響相控陣的聚焦性能。

線陣、凸面陣、柔性相控陣(直接耦合)、柔性相控陣(水耦合)分別用①、②、③、④表示，對(duì)上述幾種相控陣檢測(cè)方法的聲場(chǎng)性能、掃查便捷性、探頭加工難度和耦合效果進(jìn)行比較，得出以下結(jié)果。

(1) 聚焦性能比較：①>③>④=②。

(2) 掃查便捷性比較：②>④>①>③。

(3) 探頭加工難度的比較：②>③=④>①。

(4) 耦合效果比較：③>①>④=②。

3 缺陷響應(yīng)

通過(guò)聲場(chǎng)仿真可以得到超聲波在介質(zhì)中傳播的聲場(chǎng)圖像，判斷并優(yōu)化相控陣的聚焦效果。為了更好地模擬超聲波對(duì)工件中缺陷的檢出情況，筆者針對(duì)內(nèi)徑為170 mm，壁厚為15 mm，角焊縫寬度為5 mm 的插入式管座角焊縫模型分別進(jìn)行了常規(guī)超聲檢測(cè)，線陣探頭檢測(cè)，柔性相控陣探頭檢測(cè)的CIVA缺陷響應(yīng)模擬。不同缺陷的響應(yīng)模擬如圖8所示，分別設(shè)置φ2 mm的短橫孔(左)、2 mm×2 mm的矩形缺陷(中)、φ2 mm的球孔(右)，相鄰缺陷相距2 mm，缺陷距探頭端面15 mm，進(jìn)行了缺陷響應(yīng)模擬。

圖8 不同缺陷的響應(yīng)模擬

圖9 常規(guī)超聲檢測(cè)的缺陷響應(yīng)與聲壓幅值曲線

3.1 超聲檢測(cè)

常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)受壁厚和曲率的影響大，特別是在探頭伸入接管內(nèi)壁進(jìn)行縱波掃查時(shí)，存在干擾波和缺陷波難區(qū)分、缺陷信號(hào)難識(shí)別、反射點(diǎn)曲率變化造成缺陷定位困難的問(wèn)題。而且常規(guī)超聲檢測(cè)只有A超顯示，需手工移動(dòng)探頭掃查，無(wú)法得到缺陷的C掃描圖像。圖9所示為仿真所得的常規(guī)超聲缺陷響應(yīng)與聲壓幅值曲線，從圖中可得到缺陷的反射波信號(hào)，其中矩形缺陷的回波最高，短橫孔次之，球孔回波最低，但無(wú)法對(duì)相距2 mm的3個(gè)缺陷進(jìn)行分離，因此分辨力不高，在檢測(cè)時(shí)會(huì)將其誤認(rèn)為是單個(gè)缺陷。

3.2 剛性相控陣檢測(cè)

圖10 剛性相控陣檢測(cè)的缺陷響應(yīng)

剛性相控陣探頭檢測(cè)時(shí)采用凸面楔塊耦合，產(chǎn)生聚焦。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以采用線性陣列探頭，因此設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，制作方便，另外還可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。但該方法一般適合手工掃查(自動(dòng)掃查裝置開(kāi)發(fā)困難)，無(wú)法形成自動(dòng)C掃描圖像。圖10所示為剛性相控陣扇形掃查的缺陷響應(yīng)模擬，可看出剛性相控陣扇掃能獲得這3個(gè)缺陷的回波信號(hào)，但分辨力不如單點(diǎn)聚焦，因此建議在初掃時(shí)采用扇掃，精細(xì)化掃查應(yīng)該采用單點(diǎn)聚焦的方式。

3.3 柔性相控陣檢測(cè)

柔性相控陣技術(shù)采用具有良好柔韌性的材料來(lái)制作可以彎曲的探頭，用以替代傳統(tǒng)剛性探頭，檢測(cè)時(shí)將探頭伸入接管內(nèi)壁進(jìn)行縱波掃查，柔性探頭具有的良好柔韌性使其可以很好地貼合于接管內(nèi)表面，操作方便而且耦合程度好，同時(shí)可根據(jù)曲面形狀設(shè)置相控陣的聚焦法則，可在不更換探頭的情況下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域多角度、多方向掃查和動(dòng)態(tài)聚焦，并結(jié)合實(shí)時(shí)成像技術(shù)，直觀地顯示缺陷的位置、分布、尺寸等信息。圖11所示為柔性相控陣的缺陷響應(yīng)模擬，可看出由于采用了電子線掃描的方式，該方法能獲得3個(gè)缺陷的回波信號(hào)，并具有很好的分辨力，能實(shí)現(xiàn)3個(gè)缺陷的精確定位、定量。

3.4 小結(jié)

由以上的對(duì)承壓設(shè)備中常用規(guī)格管子的多種不同超聲相控陣檢測(cè)方法的比對(duì)試驗(yàn)，得到各方法在適用范圍、聚焦性能、掃查方式、耦合形式以及成本等方面的對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖11 柔性相控陣檢測(cè)的缺陷響應(yīng)

管狀設(shè)備內(nèi)測(cè)法陣元個(gè)數(shù)(激發(fā)/總數(shù))要求陣列布置聚焦性能耦合形式掃查方式成本優(yōu)勢(shì)線陣滿足設(shè)備檢測(cè)能力情況下越多越好陣列沿管子軸線方向布置好楔塊耦合手工掃查低操作方便,成像好凸面陣激發(fā)陣元數(shù)一般不超過(guò)16個(gè),陣元總數(shù)一般不低于256個(gè),但應(yīng)滿足設(shè)備檢測(cè)能力陣列沿管子周向布置的整圈凸面陣中水浸耦合自動(dòng)掃查,C掃描成像高自動(dòng)化掃查且精度高柔性相控陣(直接耦合)激發(fā)陣元數(shù)一般不超過(guò)16個(gè),陣元總數(shù)應(yīng)滿足設(shè)備檢測(cè)能力陣列沿管子周向布置的凸面陣好直接耦合手工掃查中曲面耦合好,聚焦性好柔性相控陣(水耦合)激發(fā)陣元數(shù)一般不超過(guò)16個(gè),陣元總數(shù)應(yīng)滿足設(shè)備檢測(cè)能力陣列沿管子周向布置的凸面陣中水浸耦合自動(dòng)掃查(可研發(fā)裝置),C掃描成像中自動(dòng)掃查

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 利用專用相控陣探頭能實(shí)現(xiàn)管狀設(shè)備的內(nèi)檢測(cè)，但需要根據(jù)工件的特征選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法和工藝，包括探頭、掃查裝置以及耦合方式等。

(2) 相控陣不同的布置方式、耦合形式等因素對(duì)聲場(chǎng)的聚焦性能和缺陷的檢出率有很大的影響。CIVA軟件可以進(jìn)行相控陣的聲場(chǎng)仿真與缺陷響應(yīng)模擬，利用該結(jié)果可以指導(dǎo)探頭的設(shè)計(jì)，工藝的編制等。

(3) 對(duì)承壓設(shè)備中常用規(guī)格的管子進(jìn)行多種不同超聲相控陣檢測(cè)方法的比對(duì)試驗(yàn)，得到了各方法的特點(diǎn)和適用范圍，可為推廣相控陣技術(shù)應(yīng)用于管狀設(shè)備的內(nèi)檢測(cè)提供參考。開(kāi)發(fā)新型專用相控陣探頭用于管狀設(shè)備內(nèi)檢測(cè)時(shí)，可以利用該對(duì)

比結(jié)果進(jìn)行各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較，最終選擇最為合適的一種檢測(cè)方法。

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