小徑管相控陣超聲檢測的缺陷信號識別方法

劉敘筆，馬君鵬，呂 博2，岳賢強(qiáng)

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京211102；2.圖邁檢測技術(shù)(成都)有限公司，成都 610031)

火力發(fā)電廠受熱面由省煤器、水冷壁、過熱器、再熱器等管排組成,其特征是:管徑較小，一般在φ32 mm～φ89 mm之間；壁厚較薄，一般在4～14 mm之間。受熱面作為電站鍋爐熱交換的主要場所，管排密集，對接焊口數(shù)量大。通常一臺600 MW機(jī)組鍋爐，受熱面對接焊縫制造焊口有5萬～6萬道，安裝焊口有3萬～4萬道。另外，在鍋爐檢修過程中經(jīng)常要更換部分受熱面，所涉及焊口一般也會有數(shù)千道到上萬道不等[1]。

小徑管對接焊縫的常規(guī)超聲波檢測工作，在電力系統(tǒng)已開展多年，但仍存在以下問題：

(1)壁厚?。撼暡▊鞑ミ^程中波型轉(zhuǎn)換多，缺陷反射波復(fù)雜，同時各種回波距離很近，識別困難。

(2)定量難：探測范圍處于超聲波近場區(qū)或附近區(qū)域，缺陷定量困難。

(3)曲率大：二次波在內(nèi)壁會發(fā)生擴(kuò)散，三次波在外壁會發(fā)生聚焦，聲場從而產(chǎn)生畸變，定量困難。

(4)常規(guī)超聲檢測沒有對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，可追溯性差，不利于監(jiān)督檢查。

(5)焊口數(shù)量大，管排間距小，檢測空間有限。

(6)常規(guī)超聲數(shù)據(jù)不能存儲，可監(jiān)督性不強(qiáng)。檢測結(jié)果受檢測人員的技術(shù)水平和責(zé)任心影響大。在監(jiān)督檢查時，常會發(fā)生在同一個工程中，小管焊縫射線檢測的合格率在94%左右，而超聲檢測的合格率在99%以上。

上述這些問題都限制了小徑管常規(guī)超聲檢測的應(yīng)用，因此相控陣超聲檢測在小徑管檢測中具有不可替代的作用[2]。

1 相控陣超聲檢測技術(shù)分析

相控陣超聲檢測的基本概念來源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)。20世紀(jì)60年代，Brand Field最早提出將相控陣概念引入無損檢測領(lǐng)域。早期相控陣主要應(yīng)用于高分辨率的醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，由于其系統(tǒng)復(fù)雜且制作成本高，在工業(yè)無損檢測的應(yīng)用上受到限制。

近年來，隨著壓電復(fù)合材料技術(shù)、微電子技術(shù)、聲學(xué)理論、探頭設(shè)計制造工藝、強(qiáng)大功能軟件的發(fā)展，相控陣超聲檢測逐漸應(yīng)用在技術(shù)要求比較高的航空航天、交通運輸、石油天燃?xì)?、電力、機(jī)車、冶金鋼鐵等工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。該技術(shù)逐漸成為應(yīng)用更為廣泛、技術(shù)更為先進(jìn)的無損檢測方法[3]。

1.1 相控陣超聲波角度控制

相控陣角度控制是聲波波前合成的結(jié)果。線性陣的聲波波前示意如圖1所示，圖中模擬的是一個線性多陣元探頭在激發(fā)過程中產(chǎn)生的有多處同心圓的聲波，圖中的同心圓來自同一個陣元。所有波前與激發(fā)陣元距離相同，各波前的包跡平行于探頭激發(fā)平面。這與同尺寸的單一晶片探頭的激發(fā)過程非常相似[4]。

圖1 線性陣的聲波波前示意

通過相控陣單元，可以連續(xù)、精確地控制探頭各陣元的延時。按照延時依次激發(fā)不同的陣元，產(chǎn)生的各同心圓形成一個新的波前，這個新波前不再平行于探頭激發(fā)平面，即傳播方向與探頭入射面存在一定的角度。這樣就可以通過控制延時來改變波束的傳播(偏轉(zhuǎn))角度[5]。線性陣波束偏轉(zhuǎn)光彈照片如圖2所示。

圖2 線性陣波束偏轉(zhuǎn)光彈照片

相控陣波束的偏轉(zhuǎn)與每個晶片的寬度和陣元數(shù)都有關(guān)系。采用帶角度的楔塊時，相控陣偏轉(zhuǎn)的角度區(qū)域可以改變[6]。

1.2 相控陣超聲波聚焦分析

通過精確控制探頭各陣元的延時，可以使各陣元的波前在相同的時間以相同的相位到達(dá)同一點，產(chǎn)生聲束聚焦的效果。即在探頭陣列中，各個陣元按設(shè)定延時激發(fā)，聲波在焦點處同相疊加增強(qiáng)，在焦點以外異相疊加減弱甚至抵消，合成的波陣面為凹球面，這樣合成波束在焦點產(chǎn)生最強(qiáng)的聲波，從而產(chǎn)生聚焦波束。線性陣的波束偏轉(zhuǎn)聚焦原理示意如圖3所示。

圖3 線性陣的波束偏轉(zhuǎn)聚焦原理示意

2 CIVA仿真分析與檢測結(jié)果對比分析

CIVA超聲波檢測仿真模塊可以實現(xiàn)整個超聲檢測過程的數(shù)字仿真，可以將結(jié)果以探頭聲場覆蓋的強(qiáng)度來呈現(xiàn)，也可以直接展示缺陷及工件結(jié)構(gòu)的回波。其支持的檢測技術(shù)涵蓋了脈沖回波掃查仿真、TOFD檢測仿真、相控陣檢測仿真等[7]。

仿真前期建模準(zhǔn)備是一個非常重要且耗時的過程，模型的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(1)利用矩形平面缺陷來對側(cè)壁未熔合型缺陷進(jìn)行仿真，具體設(shè)置如下：缺陷高度為2 mm，長度為10 mm，缺陷中心位置為壁厚的50%處，與坡口線重合，缺陷角度與坡口平行及與法線成30°。

(2)利用矩形平面缺陷對根部未熔合型缺陷進(jìn)行仿真，具體設(shè)置如下：缺陷高度為1.5 mm，長度為10 mm，缺陷下緣緊貼工件內(nèi)壁，角度與工件內(nèi)壁成90°。

(3)中心線裂紋由定制化幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，表現(xiàn)出裂紋生長方向的隨機(jī)性和高度方向反射面角度的不一致性等特點。中心線裂紋高度為4 mm，長度為10 mm，沿周向，中心位置與焊縫中心線重合，深度為壁厚的50%。

(4)焊趾裂紋的建模方式與中心線裂紋一致；焊趾裂紋高度為4 mm，長度為10 mm，沿周向，缺陷上端靠近焊趾，為開口型缺陷。

(5)利用仿真軟件平臺中的球體幾何結(jié)構(gòu)仿真密集型氣孔，球體直徑為2 mm，6個密集氣孔分布在焊縫中心位置附近。

(6)熱影響區(qū)裂紋與中心線裂紋建模方式一致，位置靠近坡口的母材一側(cè)，角度與坡口平行，與法線成30°角。

針對上述模型，進(jìn)行了缺陷回波圖譜的仿真工作，經(jīng)過大量解析運算之后得到了上述缺陷的仿真圖譜。圖譜的特征主要通過將扇形掃查結(jié)果與焊縫計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)圖重疊，并綜合分析對應(yīng)角度的A掃波形來獲得。

通過大量現(xiàn)場檢測圖譜的搜集，篩選出了能夠與上述缺陷類型匹配的缺陷檢測結(jié)果，用于對比驗證,更利于缺陷特征的總結(jié)。

2.1 坡口未熔合型缺陷

(1)形貌特征：回波沿坡口熔合線呈線段型回波。坡口未熔合缺陷回波特征與其真實檢測結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 坡口未熔合缺陷回波特征

圖5 坡口未熔合缺陷真實檢測結(jié)果

(2)位置特征：坡口未熔合回波與焊縫坡口熔合線基本重疊。操作時，將扇掃一次或者二次波與工件CAD圖進(jìn)行重疊，確保探頭位置與實際檢測時位置一致。

(3)自身高度特征：自身高度通常與焊接工藝有關(guān)，焊縫未熔合自身高度與焊接過程中一次焊材堆砌厚度有關(guān)，大致為2～3 mm。操作時，利用-6 dB法或者衍射波距離法對回波進(jìn)行自身高度測量。

(4)長度特征：在C掃描時利用端點-6 dB法可以測出根部未焊透長度。

(5)A掃信號特征：波形脈沖峰值較高，脈沖直上直下，信號拖尾較少。操作時，在扇掃圖上將光標(biāo)移至缺陷回波最大峰值處。

2.2 根部未焊透型缺陷

(1)形貌特征：幅值較強(qiáng)的直角反射波伴隨上部較弱的衍射信號。根部未焊透型缺陷仿真圖譜及其真實檢測圖譜如圖6，7所示。

圖6 根部未焊透型缺陷仿真圖譜

圖7 根部未焊透型缺陷真實檢測圖譜

(2)位置特征：回波在焊縫根部，且靠近探頭一側(cè)；可以參考根部余高信號為其定位。未焊透缺陷信號一般比根部余高信號更靠近探頭，距離與間隙寬度接近。

(3)自身高度特征：自身高度與坡口形式有關(guān)，大致與鈍邊高度接近，為2～3 mm。操作時，利用直角反射波與端角衍射信號測得其高度。

(4)長度特征：在C掃描時利用-6 dB法可以測出根部未焊透焊縫。

(5)A掃信號特征：波形脈沖峰值較高，信號有一定拖尾，其拖尾信號為端點衍射信號。

2.3 中心線裂紋特征分析

(1)形貌特征：多個連續(xù)回波信號沿裂紋方向排列，強(qiáng)弱不均。中心線裂紋型缺陷仿真圖譜及其真實檢測結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 中心線裂紋型缺陷仿真圖譜

圖9 中心線裂紋型缺陷真實檢測圖譜

(2)位置特征：回波在焊縫中心位置，具有一定垂直高度；可以參考根部余高信號為其定位。未焊透缺陷信號一般比根部余高信號更靠近探頭，距離與間隙寬度接近。

(3)自身高度特征：通過衍射波可以對裂紋自身高度進(jìn)行較準(zhǔn)確測量。

(4)長度特征：在C掃描時利用邊緣-6 dB法可以測出中心線裂紋型缺陷。

(5)A掃信號特征：波形脈沖峰值較高，信號有一定拖尾，其拖尾信號為端點衍射信號。

2.4 焊趾裂紋特征分析

(1)形貌特征：多個連續(xù)回波信號沿裂紋方向排列，強(qiáng)弱不均。焊趾裂紋型缺陷仿真圖譜及其真實檢測結(jié)果如圖10，11所示。

圖10焊趾裂紋型缺陷仿真圖譜

圖11 焊趾裂紋型缺陷真實檢測回波圖譜

(2)位置特征：回波從焊趾位置沿內(nèi)部延伸，具有一定垂直高度。

(3)自身高度特征：通過衍射波可以對裂紋自身高度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

(4)長度特征：在C掃描時利用邊緣-6 dB法可以檢測出焊趾裂紋。

(5)A掃信號特征：波形脈沖峰值較高，信號有一定拖尾，其拖尾信號為端點衍射信號。

2.5 密集型氣孔特征分析

(1)形貌特征：空間隨機(jī)密集分布多個連續(xù)的較弱回波。密集型氣孔缺陷仿真圖譜及其實際檢測結(jié)果如圖12，13所示。

圖12 密集型氣孔缺陷仿真圖譜

圖13 密集型氣孔缺陷真實檢測回波圖譜

(2)位置特征：回波在焊縫區(qū)域內(nèi)，具有一定空間范圍，具體位置較為隨機(jī)，幅值當(dāng)量低。

(3)自身高度特征：單個氣孔高度較小，可以統(tǒng)計出密集氣孔深度范圍。

(4)長度特征：單個氣孔長度較小，可以統(tǒng)計出密集氣孔長度范圍。

(5)A掃信號特征：波形脈沖較低，有較長拖尾的連續(xù)脈沖。操作時，在扇掃時將光標(biāo)移至多個回波范圍中部區(qū)域。

2.6 靠下表面熱影響區(qū)裂紋特征分析

(1)形貌特征：靠近底面有信號較強(qiáng)回波，伴隨多個強(qiáng)弱不均的連續(xù)回波信號，沿裂紋方向排列。熱影響區(qū)裂紋型缺陷仿真圖譜及其真實檢測結(jié)果如圖14，15所示。

圖14 熱影響區(qū)裂紋型缺陷仿真圖譜

(2)位置特征：回波在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，具有一定高度，在底面較強(qiáng)直角回波上部及下部都有連續(xù)的較弱回波。

(3)自身高度特征：通過衍射波可以對裂紋自身高度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

(4)長度特征：在C掃描圖上利用邊緣-6 dB法進(jìn)行長度測量?？梢詸z測出熱影響區(qū)裂紋型缺陷。

圖15 熱影響區(qū)裂紋型缺陷真實缺陷檢測回波圖譜

(5)A掃信號特征：波形脈沖峰值較高，信號前后有一定拖尾，其拖尾信號為裂紋衍射信號。

通過對坡口未熔合型缺陷、根部未焊透型缺陷、中心線裂紋缺陷、焊趾裂紋缺陷、密集型氣孔缺陷、靠下表面熱影響區(qū)裂紋缺陷等的分析，結(jié)合CIVA軟件的建模仿真、現(xiàn)場實際檢測結(jié)果分析，得出仿真與實際檢測結(jié)果比較接近的結(jié)論，說明了檢測效果良好；但是，仿真結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場實際檢測結(jié)果還存在一定的差異性，主要與材料的噪聲反射、晶粒反射引起的各種雜波，以及探頭的頻率選擇有關(guān)系。仿真波形非常干凈，而實際檢測結(jié)果會存在各種各樣的雜波，這對檢測判定存在一定的影響。下面給出分析表格，對幾種缺陷進(jìn)行對比分析(見表1)。

表1 幾種缺陷的特征、仿真波形、實際波形的對比

3 結(jié)語

對電站常用小徑管結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了分析，并對焊縫中常見缺陷的分布位置及特點進(jìn)行分類，利用CIVA軟件進(jìn)行了仿真分析，通過對坡口未熔合型缺陷、根部未焊透型缺陷、中心線裂紋缺陷、焊趾裂紋缺陷、密集型氣孔缺陷、靠下表面熱影響區(qū)裂紋型缺陷等6種缺陷進(jìn)行仿真建模，并與實際檢測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，給出了小徑管關(guān)鍵部位的檢測圖譜[7]，仿真結(jié)果與實際檢測結(jié)果接近。