基于相控超聲的罐底缺陷檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)方法

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(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院， 北京 102200)

儲(chǔ)罐是石油行業(yè)的油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備和化工行業(yè)的通用設(shè)備，用量非常大。儲(chǔ)罐達(dá)到服役年限后繼續(xù)使用，容易受到損傷而泄漏。由于泄漏的介質(zhì)大多易燃、易爆、有毒、有害，成為裝置生產(chǎn)的巨大安全性隱患[1]。儲(chǔ)罐泄漏多為腐蝕引發(fā)，腐蝕發(fā)生在儲(chǔ)罐底板的概率高達(dá)80%，是導(dǎo)致儲(chǔ)罐失效的主要原因[2]。

目前石油儲(chǔ)罐缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、磁粉檢測(cè)及聲發(fā)射檢測(cè)等[3-7]。其中超聲波檢測(cè)與其它檢測(cè)方法相比具有方向性好、能量高及穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。相控超聲檢測(cè)方法是超聲波檢測(cè)方法的一種，具有深度缺陷檢測(cè)能力強(qiáng)、缺陷識(shí)別準(zhǔn)確、檢測(cè)速度快以及對(duì)焊縫等對(duì)象的檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且此檢測(cè)方法對(duì)人體沒(méi)有輻射，不會(huì)對(duì)人體和周圍環(huán)境造成影響，特別適合儲(chǔ)罐底板缺陷的檢測(cè)[8-11]。

針對(duì)儲(chǔ)罐底板缺陷的檢測(cè)，擬以相控超聲檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，建立有限元計(jì)算模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)罐底板缺陷檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)。借助MATLAB-FILED II軟件結(jié)合C#語(yǔ)言進(jìn)行混合編程，形成便于操作的人機(jī)交互界面，為檢測(cè)人員提供檢測(cè)參數(shù)選擇優(yōu)化和模擬檢測(cè)的測(cè)試平臺(tái)。

1 儲(chǔ)罐相控超聲檢測(cè)軟件架構(gòu)及功能設(shè)定

1.1 檢測(cè)技術(shù)原理

石油儲(chǔ)罐罐底缺陷檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)以相控檢測(cè)原理為基礎(chǔ)。相控超聲檢測(cè)原理示圖見(jiàn)圖1。

圖1 相控超聲檢測(cè)原理示圖

相控超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生波形脈沖信號(hào)，發(fā)射延時(shí)系統(tǒng)根據(jù)聚焦法則對(duì)接收到的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。聲束在遇到缺陷時(shí)被反射回來(lái)，反射波被壓電晶片接收，接收延時(shí)系統(tǒng)根據(jù)聚焦法則對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理，使缺陷信號(hào)時(shí)間對(duì)應(yīng)并進(jìn)行信號(hào)疊加放大，反饋給信號(hào)接收系統(tǒng)[12]。再經(jīng)成像系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的濾波、包絡(luò)檢波、圖像壓縮和時(shí)間增益等處理，就可以形成直觀的缺陷成像信息[13-16]。

1.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

基于相控超聲方法的石油儲(chǔ)罐罐底缺陷檢測(cè)軟件的系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 相控超聲仿真實(shí)驗(yàn)軟件架構(gòu)示圖

根據(jù)相控超聲檢測(cè)原理，相控超聲檢測(cè)系統(tǒng)分為換能器設(shè)置、缺陷設(shè)置和成像設(shè)置3大部分。針對(duì)石油儲(chǔ)罐罐底缺陷特征，換能器設(shè)置部分下設(shè)參數(shù)設(shè)置操作界面和分析顯示界面，缺陷設(shè)置部分下設(shè)缺陷自定義和缺陷信息導(dǎo)入操作界面，成像設(shè)置部分下設(shè)回波數(shù)據(jù)分析、缺陷成像顯示和聲波傳播動(dòng)態(tài)界面。

1.3 軟件功能設(shè)定

按照系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)軟件功能，包括：①換能器設(shè)計(jì)功能。進(jìn)行換能器參數(shù)的設(shè)置，包括換能器頻率、陣元數(shù)、陣元寬度、陣元高度、陣元間距、聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度和聲速等，通過(guò)可視化界面可查看所設(shè)置參數(shù)下的換能器指向性和輻射聲場(chǎng)的仿真情況。②缺陷設(shè)置功能。進(jìn)行缺陷的自定義設(shè)置，包括缺陷的形狀、大小以及中心坐標(biāo)位置，系統(tǒng)自帶了幾種常見(jiàn)缺陷，如焊縫、夾渣、裂紋等缺陷。③成像設(shè)置功能。具有回波數(shù)據(jù)查看和數(shù)據(jù)處理成像功能，可以選擇多種信號(hào)處理方式，可以進(jìn)行單點(diǎn)聚焦、多點(diǎn)聚焦、動(dòng)態(tài)聚焦[17]及動(dòng)態(tài)孔徑[18]等成像，可生成聲波在試件中傳播過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像[19]。④數(shù)據(jù)保存與導(dǎo)出。用于把回波數(shù)據(jù)和缺陷成像等信息保存在本地計(jì)算機(jī)上。

2 儲(chǔ)罐相控超聲檢測(cè)軟件界面設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和功能，運(yùn)用C#語(yǔ)言和MATLAB進(jìn)行混合編程制作軟件，得到的儲(chǔ)罐相控超聲仿真實(shí)驗(yàn)軟件主頁(yè)面見(jiàn)圖3。

圖3 儲(chǔ)罐相控超聲仿真實(shí)驗(yàn)軟件主頁(yè)面

2.1 換能器設(shè)置

2.1.1聲場(chǎng)輻射模型

儲(chǔ)罐相控超聲檢測(cè)軟件通過(guò)換能器設(shè)置部分為使用者提供不同參數(shù)下的輻射聲場(chǎng)指向性分析情況[20]和聲壓分布情況[21]。換能器設(shè)置部分的程序計(jì)算基于聲場(chǎng)輻射理論設(shè)計(jì)，建立的聲場(chǎng)輻射模型見(jiàn)圖4。

圖4 聲場(chǎng)輻射模型示意圖

2.1.2計(jì)算公式設(shè)置

根據(jù)惠更斯原理,輻射聲壓P(r,θ,t)計(jì)算公式如下。

(1)

指向性函數(shù)計(jì)算。按照指向性函數(shù)定義,為遠(yuǎn)場(chǎng)中任意方向θ上的聲壓與聚焦法則所定義的主聲束偏轉(zhuǎn)方向θ1上的聲壓之比，計(jì)算公式如下。

(2)

2.1.3檢測(cè)軟件操作

在儲(chǔ)罐相控超聲仿真軟件的換能器設(shè)置界面輸入換能器參數(shù)，換能器頻率f=5 MHz，陣元數(shù)N=16，陣元高度h=5 mm，陣元寬度a=0.6 mm，陣元間距d=0.12 mm，聲速c=5 900 m/s，偏轉(zhuǎn)角度θ=30°，進(jìn)行極坐標(biāo)指向性分析，得到的極坐標(biāo)指向性分析界面見(jiàn)圖5。

選擇聚焦深度F=40 mm進(jìn)行聲壓場(chǎng)分析，得到的聲壓場(chǎng)分析界面見(jiàn)圖6。

圖5 極坐標(biāo)指向性分析界面圖

圖6 聲壓場(chǎng)分析界面圖

2.2 缺陷設(shè)置

在儲(chǔ)罐相控超聲仿真軟件的缺陷設(shè)置頁(yè)面中進(jìn)行缺陷的自定義設(shè)置，可選擇常用的缺陷類型并定義缺陷中心坐標(biāo)來(lái)確定缺陷的位置，也可以導(dǎo)入系統(tǒng)中默認(rèn)設(shè)定的特別類型缺陷，如夾渣、焊縫和裂紋等缺陷。

在缺陷設(shè)置界面中點(diǎn)擊缺陷類型選擇按鈕，即可打開(kāi)缺陷類型選擇界面，可根據(jù)具體情況選擇點(diǎn)缺陷、圓形缺陷、矩形缺陷、三角形缺陷及五角星缺陷等。

在缺陷類型選擇界面，點(diǎn)擊缺陷選項(xiàng)即可打開(kāi)相應(yīng)的缺陷定義界面。以圓形缺陷為例，在打開(kāi)的定義界面，輸入直徑即可完成缺陷定義。

2.3 成像設(shè)置

在成像設(shè)置界面可以選擇多種聚焦成像方式，有單點(diǎn)聚焦、多點(diǎn)聚焦、動(dòng)態(tài)聚焦、動(dòng)態(tài)孔徑以及動(dòng)態(tài)聚焦+動(dòng)態(tài)孔徑等，在顯示方式選擇中可以選擇A掃、B掃、S掃3種掃查顯示方式。

根據(jù)實(shí)際需要，在處理方式選擇界面點(diǎn)擊具體的處理方式，即可打開(kāi)相應(yīng)的處理方式設(shè)置界面。以動(dòng)態(tài)聚焦為例，在打開(kāi)的界面中輸入接收聚焦點(diǎn)起點(diǎn)深度、接收聚焦點(diǎn)終點(diǎn)深度和接收聚焦點(diǎn)間隔數(shù)值，即可完成設(shè)置。

點(diǎn)擊運(yùn)行后，缺陷成像會(huì)在右端顯示窗口進(jìn)行成像顯示。除此之外，成像設(shè)置界面還可以進(jìn)行回波信號(hào)查看和傳播過(guò)程查看，傳播過(guò)程動(dòng)畫由MATLAB與COMSOL聯(lián)合仿真生成。

3 儲(chǔ)罐相控超聲檢測(cè)軟件仿真成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)軟件的正確性和適用性，進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖7。

圖7共有3個(gè)缺陷，相應(yīng)的缺陷設(shè)置為，缺陷1為圓形缺陷，直徑為1 mm，中心坐標(biāo)為(0，40)；缺陷2為五角星缺陷，邊長(zhǎng)為0.5 mm，中心坐標(biāo)為(0，50)；缺陷3為矩形缺陷，長(zhǎng)為2 mm，寬為1 mm。

3.2 軟件設(shè)置

應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置，換能器設(shè)置為，換能器頻率f=5 MHz，陣元數(shù)N=128，陣元高

圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

度h=5 mm，陣元寬度a=0.6 mm，陣元間距d=0.12 mm，聲速c=5 900 m/s，聚焦深度F=50 mm。成像設(shè)置為，處理方式選擇為多點(diǎn)聚焦和動(dòng)態(tài)聚焦，多點(diǎn)聚焦焦點(diǎn)為(0，40)和(0，50)，動(dòng)態(tài)聚焦掃描深度30～70 mm，內(nèi)間隔2 mm設(shè)置1個(gè)聚焦接收點(diǎn)，顯示方式為S掃，2種方式均采用加窗處理，進(jìn)行成像仿真分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多點(diǎn)聚焦成像界面見(jiàn)圖8。在多點(diǎn)聚焦仿真實(shí)驗(yàn)中，焦點(diǎn)位置為(0，40)和(0，50)，缺陷1在焦點(diǎn)(0，40)上，所以缺陷1的成像分辨率較(0，60)處的缺陷3有所提高。缺陷2的實(shí)際坐標(biāo)為(8，50)，并不在焦點(diǎn)上，但是由于系統(tǒng)的參數(shù)化較為合理，橫向分辨率較好，所以缺陷2的成像分辨率也要比缺陷3好很多。

圖8 多點(diǎn)聚焦成像界面圖

動(dòng)態(tài)聚焦成像界面見(jiàn)圖9。與多點(diǎn)聚焦相比，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦后，3個(gè)缺陷的成像更加明顯，空間分辨率極大提高，側(cè)面證明了動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)的成像優(yōu)越性。通過(guò)2組聚焦成像方式的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，得到了較好的實(shí)驗(yàn)成像結(jié)果，驗(yàn)證了此仿真實(shí)驗(yàn)軟件和仿真實(shí)驗(yàn)方法的合理性。

圖9 動(dòng)態(tài)聚焦成像界面圖

4 結(jié)語(yǔ)

相控超聲仿真實(shí)驗(yàn)方法是借助于FIELD II有限元軟件進(jìn)行換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)定不同換能器參數(shù)建立了輻射聲場(chǎng)模型，分析不同參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)、聲束和聚焦特性的影響，確定適用于儲(chǔ)罐底板檢測(cè)的換能器參數(shù)。設(shè)定不同的底板缺陷類型進(jìn)行仿真缺陷成像，從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，證實(shí)了動(dòng)態(tài)聚焦方式的優(yōu)越性和軟件良好的仿真成像效果。相控超聲仿真實(shí)驗(yàn)方法可為檢測(cè)工作人員的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作提供模擬仿真的測(cè)試平臺(tái)。