基于超聲全聚焦成像的輸氣管線焊接缺陷高度測(cè)量技術(shù)

闕永彬,劉 琰,徐春燕,賈海東,田 野,莫潤(rùn)陽(yáng),賈鵬軍，姚 歡,聶向暉

(1.中石油 西北聯(lián)合管道有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830013；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 管材研究所，西安 710077；3.陜西師范大學(xué) 陜西省超聲學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119)

0 引言

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管線運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)和運(yùn)行條件日益復(fù)雜苛刻，管線安全評(píng)價(jià)已成為安全保障的重要舉措。輸氣管線對(duì)接環(huán)焊縫缺陷嚴(yán)重危害其安全運(yùn)行，裂紋、未熔合等作為焊縫常見危害性缺陷，對(duì)其自身高度的測(cè)量一直是無(wú)損檢測(cè)面臨的重要課題[1-2]。楊鋒平等[3]在對(duì)5道在役X80天然氣管道切割更換的環(huán)焊縫進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和缺陷解剖分析發(fā)現(xiàn)，缺陷高度檢測(cè)誤差均值達(dá)到40.5%?，F(xiàn)有在役環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)真實(shí)缺陷自身高度的檢測(cè)準(zhǔn)確度有待提高。

20世紀(jì)70年代初，由英國(guó)的Silk博士首先提出一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發(fā)出的衍射波來檢出、定量缺陷的技術(shù)——超聲波衍射時(shí)差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)，并逐漸成為對(duì)缺陷自身高度進(jìn)行定量的專門技術(shù)[4-5]。但TOFD因存在表面盲區(qū)使部分表面、近表面埋藏缺陷漏檢，而基于全矩陣數(shù)據(jù)的陣列超聲因其高精度成像質(zhì)量成為缺陷定量評(píng)價(jià)的重要手段，是對(duì)該法的有益補(bǔ)充。陣列超聲技術(shù)與采用單一壓電晶片的常規(guī)超聲技術(shù)相比，無(wú)需移動(dòng)換能器便可實(shí)現(xiàn)二維或三維區(qū)域的掃描，具有更高的檢測(cè)效率、檢測(cè)精度以及更直觀的缺陷判別能力，被應(yīng)用于解決先進(jìn)材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)難題。陣列超聲按缺陷回波信號(hào)的獲取方式不同分為基于相位控制和基于全矩陣數(shù)據(jù)(Full Matrix，F(xiàn)M)兩大種類?；谙辔豢刂撇捎煤铣陕暿c試件內(nèi)部缺陷相互作用，根據(jù)A型回波信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，接收回波信號(hào)時(shí)一般采用動(dòng)態(tài)深度聚焦技術(shù)(Dynamic Depth Focusing，DDF)，以增加接收聚焦點(diǎn)數(shù)量，成像方法包括B型、C 型以及S型顯示。然而，F(xiàn)M方式中發(fā)射聲波不具有任何聲束指向性，并不能直接用于成像，但因數(shù)據(jù)具有完備性，可利用全矩陣數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出聲束條數(shù)、聚焦點(diǎn)數(shù)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相位控制方法上限的新算法，突破常規(guī)方法檢測(cè)評(píng)價(jià)能力極限[6-9]。

全聚焦成像方法(Total Focusing Method，TFM)是一種基于全矩陣捕捉(Full Matrix Capture，F(xiàn)MC)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的超聲陣列后處理技術(shù)，由Holmes等[10-11]于2005年首次提出，因其可用任意多數(shù)量的聚焦點(diǎn)進(jìn)行成像，被稱為陣列超聲檢測(cè)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”算法，為結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的高精度陣列檢測(cè)提供了新方法和新思路。全矩陣算法的目標(biāo)是根據(jù)換能器、材料屬性、幾何結(jié)構(gòu)特征以及采集到的全矩陣數(shù)據(jù)，對(duì)被測(cè)試件內(nèi)部的缺陷分布、缺陷形態(tài)進(jìn)行反演[12-14]。本文基于全矩陣數(shù)據(jù)，建立一種環(huán)焊縫斷面實(shí)時(shí)全聚焦成像方法，并基于全聚焦圖像對(duì)管線對(duì)接環(huán)焊縫中缺陷的自身高度進(jìn)行精確測(cè)量。

1 基本理論

1.1 全聚焦成像理論

全矩陣數(shù)據(jù)指將相控陣換能器內(nèi)所有陣元依次作為發(fā)射-接收陣元組合，所采集到的超聲回波時(shí)域信號(hào)，是發(fā)射陣元序列、接收陣元序列和時(shí)間采樣點(diǎn)數(shù)的三維數(shù)據(jù)。相控陣換能器的N個(gè)陣元依次激發(fā)，每個(gè)陣元被激發(fā)時(shí)，所有陣元都接收超聲回波信號(hào)并儲(chǔ)存。將發(fā)射陣元的序號(hào)記為i，接收陣元的序號(hào)記為j，則每個(gè)陣元接收的超聲回波時(shí)域信號(hào)記為Sij,待N個(gè)陣元都激發(fā)完成后，便可得到一個(gè)包含了檢測(cè)物體全部信息的N×N矩陣集，此即全矩陣數(shù)據(jù)，其本質(zhì)是陣列超聲換能器以特殊的激發(fā)接收模式工作時(shí)，從被測(cè)試件內(nèi)部采集到的所有超聲A型信號(hào)構(gòu)成的集合。采用一定的空間間隔對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行離散，對(duì)每個(gè)成像點(diǎn)(x,z)T構(gòu)造二維矩陣I，并用式(1)計(jì)算I(x,z)，考慮到在全聚焦算法的掃描區(qū)域內(nèi)，任何一點(diǎn)的聲壓幅值即為每一個(gè)聲波在此點(diǎn)的回波幅值之和，則：

(1)

式中Sij——第i個(gè)陣元發(fā)射，第j個(gè)陣元接收的時(shí)域信號(hào)值；

Tip——聲波從陣元i傳播至點(diǎn)p所用的時(shí)間，s；

Tpj——聲波從p點(diǎn)返回到陣元j所用的時(shí)間，s；

Δt——采樣間隔時(shí)間，s。

式(1)中，?定義為：設(shè)右元素取整后結(jié)果為k，則該結(jié)果為左邊行向量的第k個(gè)分量的值。

當(dāng)換能器直接貼合于試件表面時(shí)，若被測(cè)試件為各向同性介質(zhì)，則：

(2)

式中xi——發(fā)射陣元中心橫坐標(biāo)，m；

xj——接收陣元中心橫坐標(biāo)，m；

c——超聲波在待測(cè)物體中傳播的縱波速度，m/s。

1.2 成像截面網(wǎng)格劃分

以西二線?1219 mm×18.4 mm對(duì)接環(huán)焊縫為例，焊縫寬度為12 mm,鋼板公稱壁厚T=18.4 mm。為便于對(duì)缺陷評(píng)定，以焊縫長(zhǎng)度方向?yàn)閥軸、沿焊縫寬度方向?yàn)閤軸、被檢物體深度方向?yàn)閦軸,建立直角坐標(biāo)系o-xyz(見圖1(a))，原點(diǎn)為探頭陣列右側(cè)第一個(gè)陣元中心，陣列探頭(多普勒，5L32-A30)按圖1(a)所示方式直接耦合在試件表面。32個(gè)陣元的FMC會(huì)得到32×32=1 024個(gè)A掃原始信號(hào)。成像前，首先對(duì)成像范圍進(jìn)行界定：以陣列探頭右側(cè)第一個(gè)陣元中心坐標(biāo)為成像區(qū)左邊界，焊縫寬度再加5 mm為右邊界，z方向范圍較公稱壁厚要大，以壁厚與余高之和21.24 mm為厚度下邊界(見圖1(b)虛線框)。第二步，網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格過于粗大，可能無(wú)法檢測(cè)到缺陷；但網(wǎng)格劃分太細(xì)、檢測(cè)效率低。為了對(duì)接近或者小于波長(zhǎng)的缺陷能進(jìn)行檢測(cè)且可以定量評(píng)價(jià)，網(wǎng)格尺度應(yīng)比波長(zhǎng)更小，按此原則將焊縫成像區(qū)域網(wǎng)格劃分為300×400。在全聚焦算法的掃描區(qū)域內(nèi)，任何一點(diǎn)的聲壓幅值可以認(rèn)為是所有陣元發(fā)射聲波的共同作用，則待測(cè)區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的幅值即為每一個(gè)聲波在此點(diǎn)的回波幅值之和。

(a)

(b)

1.3 FMC數(shù)據(jù)成像算法

TFM運(yùn)作的第一步就是采集FMC數(shù)據(jù)。FMC數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)射的超聲波不具有任何聲束指向性，不能直接用于成像，需要借助特定全矩陣數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。因此第二步依托完備的FMC數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。理論上，可利用全矩陣數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出合成聲束及聚焦點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基于相位控制方法上限的檢測(cè)與評(píng)價(jià)新算法，突破常規(guī)方法的檢測(cè)與評(píng)價(jià)能力極限。本研究基于Matlab平臺(tái)，利用FieldⅡ軟件自帶開源函數(shù)包、通過調(diào)用函數(shù)進(jìn)行缺陷仿真。首先，利用內(nèi)置函數(shù)、初始化探頭基本參數(shù)：陣元個(gè)數(shù)32個(gè)，陣元寬度0.5 mm，陣元間隔0.1 mm，陣元高度10 mm;然后，以矩陣的形式創(chuàng)建缺陷散射體的位置，矩陣和對(duì)應(yīng)的散射強(qiáng)度矩陣，初始化陣元的脈沖激勵(lì);最后,利用全聚焦成像的激勵(lì)模式，調(diào)用內(nèi)部函數(shù)計(jì)算出回波數(shù)據(jù)，使用全聚焦成像的時(shí)域線性算法對(duì)得到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行成像。本算法處理中將單個(gè)陣元等效成活塞換能器，對(duì)其發(fā)射和接收的聲波利用指向性函數(shù)進(jìn)行了修正[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 含缺陷焊接樣管及缺陷多方法評(píng)定

選取?1219 mm×18.4 mm管線管，并從管材上割取管段若干，委托某公司按照埋藏型缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，模仿其形成的條件，通過控制焊接工藝和焊接手法進(jìn)行缺陷預(yù)埋，制作設(shè)計(jì)深度為2～6 mm的層間未熔合、氣孔、條形夾渣等人工仿真缺陷作為試驗(yàn)試塊(見圖2(a))。為確認(rèn)試板中缺陷的存在及其性質(zhì)，對(duì)試樣進(jìn)行TOFD和RT檢測(cè)。TOFD條狀圖也能明顯發(fā)現(xiàn)3個(gè)缺陷(見圖2(b))。射線照相時(shí)因焊縫較長(zhǎng)，經(jīng)兩次透照所得RT結(jié)果(見圖2(c)(d)，圖中箭頭所指為缺陷)顯示，1#未熔合缺陷長(zhǎng)度為22 mm，2#為圓形氣孔缺陷，3#條形夾渣缺陷長(zhǎng)度為26 mm。對(duì)2#圓形氣孔類缺陷，實(shí)踐中一般不關(guān)注其高度，因此缺陷高度的測(cè)量主要針對(duì)的是1#，3#缺陷。

圖2 對(duì)接環(huán)焊縫試樣射線照相缺陷顯示

焊縫缺陷自身高度無(wú)損評(píng)價(jià)方法包括手工超聲(UT)、衍射時(shí)差(TOFD)及常規(guī)陣列超聲(PA)技術(shù)。本研究中，UT利用MS380型A型脈沖反射式超聲波探傷儀并結(jié)合寬帶窄脈沖超聲探頭進(jìn)行，TOFD測(cè)量采用英國(guó)SONATEST VEO+32∶128超聲一體機(jī)的TOFD功能，PA采用Flexscan 32/64相控陣檢測(cè)儀并結(jié)合D2-5L32探頭及SD2-N55S楔塊、經(jīng)扇掃成像檢測(cè)缺陷。其結(jié)果匯總于表1。

表1 缺陷自身高度測(cè)量結(jié)果 mm

Hmax表示最大波幅處缺陷深度，mm;ΔH表示缺陷自身高度，mm;y1,y2分別為沿焊縫方向缺陷始端和末端點(diǎn)y坐標(biāo)，mm;Δy表示缺陷指示長(zhǎng)度，mm;ymax表示缺陷回波最高處的位置，mm

UT只能給出缺陷最大埋深但無(wú)法給出缺陷的自身高度；TOFD是目前缺陷測(cè)高最為可靠的技術(shù)，陣列超聲最大優(yōu)勢(shì)是靈活調(diào)控焦點(diǎn)位置和聚焦方向，具有缺陷測(cè)高潛力的技術(shù)。圖3為1#(y=103 mm處)、3#(y=135 mm)缺陷扇掃圖像，通過圖像上的光標(biāo)給出缺陷高度ΔH分別為4.9,4.4 mm，對(duì)比TOFD結(jié)果，此二值分別為3.83,4.20 mm?？梢?，同一缺陷用不同方法檢測(cè)，給出的高度存在一定差異。

(a)1#缺陷 (b)3#缺陷

2.2 基于全聚焦圖像的缺陷定量評(píng)價(jià)

采用并行超聲相控陣數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(UT-Studio)進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，線陣探頭型號(hào)為5L32-A30，陣元個(gè)數(shù)為32個(gè)，陣元長(zhǎng)度10 mm，陣元寬度0.5 mm，陣元間隔0.1 mm。TFM采用縱波模式進(jìn)行，不考慮剪切波的影響，縱波在鋼管中的傳播速度c是常量，且c=5 900 m/s。

2.2.1 全聚焦圖像

探頭從焊縫一端(y=0)沿焊縫長(zhǎng)度移動(dòng)，無(wú)缺陷處(y=80 mm)截面全聚焦成像效果見圖4(a),可清晰看到焊板下表面(圖4(a)中箭頭所指)。探頭移至距離端面90 mm處開始出現(xiàn)缺陷顯示，在y=103 mm處1#缺陷顯示最明顯，此時(shí)斷面一次回波成像原始效果見圖4(b)，雖然圖像的電噪聲較高，但仍可清楚看到缺陷斷面形狀不規(guī)則且在厚度方向有高度?？紤]到缺陷圖像與尺寸、形狀以及換能器相對(duì)位置密切相關(guān)，在此通過歸一化因子消除換能器位置對(duì)缺陷圖像的影響，歸一化處理后效果見圖4(c)。缺陷分辨率提高的同時(shí)，距離探頭較遠(yuǎn)處的背景噪聲也隨之增大。為對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)背景噪聲進(jìn)行抑制，以無(wú)缺陷處焊縫圖像作對(duì)比進(jìn)行背景噪聲修正，圖4(d)示出消除背景噪聲后的效果，遠(yuǎn)場(chǎng)處背景噪聲降低，成像效果明顯變好，缺陷更為清晰。當(dāng)探頭沿焊縫移動(dòng)到y(tǒng)=315 mm處，3#夾渣缺陷全聚焦成像見圖5。

全矩陣數(shù)據(jù)的計(jì)算過程中相當(dāng)于發(fā)射并接收了300×400條聚焦于焊縫不同位置的虛擬超聲合成聲束，遠(yuǎn)高于基于相位控制扇掃聲束的條數(shù)(相位控制方法共發(fā)射32×32條)。TFM正是因?yàn)槠洳皇艹暱刂朴布卧拗频凝嫶髷?shù)量發(fā)射接收聲束聚焦，成像結(jié)果顯著優(yōu)于基于相位控制方法。同時(shí)，與常規(guī)扇掃相比，TFM不需要輸入聚焦位置,圖像更容易理解,從原理上能更清晰地進(jìn)行缺陷類型表征，缺陷高度測(cè)量能力有所提高。

2.2.2 缺陷定量評(píng)價(jià)

TFM對(duì)缺陷定量評(píng)價(jià)方法主要有兩種:基于散射系數(shù)矩陣的算法和基于缺陷圖像的算法。前者利用全矩陣數(shù)據(jù)對(duì)檢出缺陷的實(shí)際散射系數(shù)矩陣進(jìn)行反演，將實(shí)際散射系數(shù)矩陣與理論散射系數(shù)矩陣數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果確定缺陷實(shí)際尺寸和形狀。該算法充分利用了全矩陣數(shù)據(jù)中包含的缺陷信息以及復(fù)雜形狀缺陷的理論散射規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的缺陷特征評(píng)價(jià)，但其定量評(píng)價(jià)精度取決于理論散射系數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模，規(guī)模越大的匹配精度越高。對(duì)焊縫各類缺陷，考慮到因目前尚不具備理論散射系數(shù)矩陣數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)缺陷圖像算法能有效解決大于聲波波長(zhǎng)的缺陷的幾何類型識(shí)別和尺寸定量，所以本研究采用實(shí)操難度較小的缺陷圖像法進(jìn)行量化，但缺陷圖像與缺陷尺寸、形狀以及換能器相對(duì)位置密切相關(guān)，需要通過對(duì)指定點(diǎn)聲強(qiáng)進(jìn)行歸一化處理，即將擴(kuò)散衰減項(xiàng)及指向性衰減項(xiàng)的乘積作為歸一化因子，消除換能器相對(duì)位置對(duì)缺陷圖像的影響。利用缺陷TFM圖像對(duì)其進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)，先根據(jù)壁厚T對(duì)成像區(qū)域深度范圍進(jìn)行標(biāo)定,然后根據(jù)缺陷圖像確定振輻最大位置，通過(-6dB)法獲得上下兩個(gè)端點(diǎn)的水平位置，其間垂直距離即為缺陷高度。按此方法可得1#,3#缺陷自身高度分別為4.61,4.52 mm(見圖4(d)和圖5(b))。

2.3 缺陷解剖結(jié)果

為對(duì)缺陷自身高度測(cè)量效果進(jìn)行檢驗(yàn)，分別對(duì)1#,3#缺陷進(jìn)行了解剖。圖6為沿1#缺陷長(zhǎng)度方向每4 mm切割制樣所得6幅金相顯微圖，通過OLS 4100激光共聚焦顯微鏡、Smart Zoom5超景深數(shù)碼顯微鏡，對(duì)每個(gè)金相樣中缺陷自身高度進(jìn)行了精確測(cè)量，結(jié)果依次為3.66,3.90,4.12,4.14,4.19，4.64 mm,其中y=103 mm處對(duì)應(yīng)的缺陷高度為4.12 mm。圖7為3#缺陷金相顯微圖，顯微測(cè)高結(jié)果分別為3.94，3.96,3.73，4.22 mm。各方法對(duì)1#，3#缺陷自身高度測(cè)量結(jié)果見表1。對(duì)比表1數(shù)據(jù)可見，基于TFM的斷面成像方法對(duì)1#，3#缺陷高度測(cè)量結(jié)果較缺陷實(shí)際解剖高度的最大值偏差均小于1 mm,說明TFM在缺陷測(cè)高方面有潛力。需要說明的是，在將FMC采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行TFM全聚焦方法處理時(shí)，可以選擇多種不同的模式，不同模式針對(duì)的缺陷類型不同，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果也會(huì)有差異。

圖6 1#未熔合缺陷金相顯示

圖7 3#夾渣缺陷金相顯示

3 結(jié)論

基于全矩陣數(shù)據(jù)的陣列超聲無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，采用時(shí)域線性全算法對(duì)焊縫進(jìn)行斷面成像，根據(jù)圖像可對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，可以作為缺陷定量評(píng)價(jià)手段的有益補(bǔ)充。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，根據(jù)不同的缺陷選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)模式可保證正確成像。缺陷圖像與缺陷尺寸、形狀以及換能器相對(duì)位置密切相關(guān)，且全矩陣數(shù)據(jù)中存在的噪聲信號(hào)等都將降低上述算法的測(cè)量能力，需通過歸一化處理及噪聲處理提高測(cè)量能力。同時(shí)，TFM并不是萬(wàn)能的，往往需要借助聲學(xué)響應(yīng)分布圖(Acoustic Influence Mapping，AIM)幫助使用者提前確認(rèn)哪種模式對(duì)哪種缺陷的響應(yīng)更加強(qiáng)烈，以及響應(yīng)區(qū)域與焊縫區(qū)域是否重疊等問題，以使缺陷不漏檢。