管道的相控陣超聲高頻導波檢測

余海軍，王孝卿，王良濤，朱佳良

(中車大同電力機車有限公司 技術中心 工藝開發(fā)部，大同 037038)

管材的導波檢測是一種比較成熟的檢測方法，在電力及石化行業(yè)應用比較廣泛，但是目前常用的導波檢測通常是低頻導波，頻率為幾十kHz到幾百kHz，一次檢測有效長度比較長，可達到上百米。但在一些小范圍檢測的場合，尤其是對小口徑管道用管材的檢測，高頻導波具有獨特的優(yōu)勢。

關于管道的相控陣超聲導波檢測，羅更生等[1]加工制作了5根帶缺陷的城鎮(zhèn)油氣管道系統(tǒng)中常用的大曲率對焊彎管，并采用基于相控陣超聲低頻導波(40 kHz，50 kHz)掃描成像的方法對其進行檢測。謝寧等[2]為了實現(xiàn)薄板類工件的導波快速掃描檢測，在相控陣檢測儀器上開發(fā)了頻散曲線計算模塊及相控陣導波成像軟件模塊,設計了相控陣導波檢測探頭及專用掃查器、導波檢測對比試塊，該研究采用的是2.5 MHz的高頻導波；陳選民等[3]針對具有不同腐蝕坑缺陷的板材試塊，采用相控陣超聲導波B掃描和C掃描成像技術進行檢測，該研究使用的是2.5 MHz的高頻導波。此外，何存富等[4]論述了導波的傳感激勵方法與裝置,并比較了各種激勵接收方法的特點與應用場合，為超聲導波在板材、管材和復合材料中的應用提供了參考，并從提高缺陷檢測能力的角度介紹了相控陣法在超聲導波技術中的應用。在一些不需要大范圍檢測的場合，采用高頻導波檢測是比較有優(yōu)勢的。高頻導波檢測時，采用壓電晶片產(chǎn)生導波的方式來實現(xiàn)是比較方便的，可通過設計不同角度的楔塊來形成不同模態(tài)的波形。與此同時，相控陣檢測技術具有聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的功能，可以實現(xiàn)大范圍的覆蓋檢測。因此，筆者結(jié)合高頻導波的檢測特點，利用壓電晶片產(chǎn)生導波的方式，通過相控陣激勵和接收導波的檢測方法對小口徑管道用管材上加工的平底孔和通孔進行了試驗研究。

1 相控陣導波檢測原理

1.1 單晶片導波檢測原理

單晶片超聲導波探頭發(fā)出的超聲波在工件中經(jīng)過多次反射及波型轉(zhuǎn)換后形成比較穩(wěn)定的波形模態(tài)導波，當該導波遇到缺陷時，會產(chǎn)生反射回波并被探頭接收，因此利用導波可以對缺陷進行檢測。單個壓電晶片產(chǎn)生導波的檢測原理如圖1所示。

圖1 單個壓電晶片產(chǎn)生導波的檢測原理示意

從圖1可以看出，壓電晶片產(chǎn)生振動，激發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過楔塊后進入工件，在工件內(nèi)同時激勵出縱波和橫波，工件中的縱波和橫波在受限的空間內(nèi)進行多次反射(波型轉(zhuǎn)換)，在離開探頭一段距離后形成了比較穩(wěn)定的傳播波型(導波)。導波充滿整個檢測工件內(nèi)部并進行傳播，當導波遇到缺陷時將產(chǎn)生反射回波，回波被探頭接收，可識別出缺陷的位置，同時根據(jù)回波信號幅度可判斷缺陷的大小。

1.2 相控陣導波檢測原理

相控陣導波與單晶片導波的最大區(qū)別是相控陣導波探頭采用的是陣列探頭，晶片在楔塊水平方向排成一排，根據(jù)所用相控陣儀器的硬件通道數(shù)確定晶片數(shù)，晶片數(shù)可以達到16或32以上，一些高級的相控陣系統(tǒng)晶片數(shù)甚至可以達到64以上。由于采用的是陣列探頭排列方式，所以相控陣導波具有更大的覆蓋范圍，同時利用相控陣的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能，缺陷的檢出率可以大大提高。筆者以16晶片探頭產(chǎn)生的相控陣導波原理進行介紹。

相控陣導波探頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，與常規(guī)單晶片探頭不同的是，相控陣探頭每個晶片均激勵出導波信號，通過相控延時的方式控制導波信號的發(fā)射與接收，實現(xiàn)導波信號的聚焦和偏轉(zhuǎn)。發(fā)射時，相控陣列單元按照設置的延時法則依次觸發(fā)相控陣探頭中的每個晶片，使每個晶片發(fā)出的超聲波通過楔塊角度的改變，在工件中激勵出沿工件傳播的導波，并在某一點聚焦；接收時，相控陣列單元根據(jù)每個接收晶片接收的導波信號，按照設置的延時法則合成為一個導波檢測信號。因此，相控陣超聲導波的檢測信號是一個多晶片信號的合成信號，偏轉(zhuǎn)和聚焦原理如圖3所示。

圖2 相控陣導波探頭結(jié)構(gòu)示意

圖3 相控陣聚焦和偏轉(zhuǎn)原理示意

1.3 相控陣導波扇掃成像

研究的相控陣導波成像主要基于相控陣扇掃原理(見圖4)，扇形掃描又稱方位掃描或角掃描，陣列中相同晶片組發(fā)射的聲束對某一聚焦聲程在掃描范圍內(nèi)移動，一般聚焦點的軌跡為圓弧曲線，每條聲束的聚焦法則均不同。由于相控陣導波探頭的晶片采用水平排列方式，因此形成的扇形掃描圖像成水平鋪開的方式。這種掃描成像方式可以實現(xiàn)大角度覆蓋范圍的檢測。

圖4 相控陣導波扇掃成像原理示意

2 管材導波檢測試驗方法

2.1 試塊設計

通過在管道上設計人工反射體來模擬管道腐蝕和穿孔，管道外徑為76 mm，壁厚為4 mm；人工反射體缺陷為直徑為5 mm的通孔，直徑為5 mm、深度為2 mm的平底孔，直徑為10 mm的通孔，直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔。為了驗證探頭在某個位置能否覆蓋整個管道，4個人工反射體缺陷周向間隔90°，軸向間隔30 mm，以便檢測圖像能夠區(qū)分開周向和軸向距離，反射體在試塊中的位置示意如圖5所示。

圖5 反射體在試塊中的位置示意

2.2 探頭及儀器選擇

為了驗證鋼管高頻導波檢測效果，以管材試塊的縱波聲速5 900 m·s-1，橫波聲速3 230 m·s-1，楔塊聲速2 337 m·s-1為參考，使用的相控陣探頭頻率為4 MHz，晶片數(shù)量為16個，相控陣楔塊激勵角度為52°。采用CTS-PA22B型相控陣超聲檢測儀進行檢測。

2.3 試驗內(nèi)容

通過小口徑管道上加工的平底孔和通孔進行相關試驗研究，包括導波聲速測量、相控陣高頻導波有效檢測范圍、檢測靈敏度及定位定量試驗研究。

2.4 試驗結(jié)果

2.4.1 聲速測量結(jié)果

以試塊上直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔為參考反射體，通過探頭分別放置在距離孔中心200，300，400，500 mm的距離，來測量導波時間并求出聲速，試驗圖像如圖6所示。

圖6 聲速測量試驗圖像

在圖6中，在位置200，300，400，500 mm處分別測得回波時間為73.7，107.5，141.1，174.8 μs，v1為2 959 m·s-1，v2為2 976 m·s-1，v3為2 967 m·s-1，v4為2 967 m·s-1。因此，相關試驗采用2 967 m·s-1為導波聲速。

2.4.2 有效范圍測量結(jié)果

以直徑為5 mm、深度為2 mm及直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔為參考對象，通過移動探頭檢測平底孔回波來確定有效范圍及盲區(qū)。對于直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭距離孔10 mm左右位置的檢測圖像如圖7(a)所示，當檢測范圍為600 mm時，檢測圖像如圖7(b)所示，當檢測范圍超過600 mm時，孔的回波高度與噪聲比低于6 dB，不利于分辨。對于直徑為5 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭距離孔4 mm的檢測圖像如圖7(c)所示，當檢測范圍為623 mm時，檢測圖像如圖7(d)所示，當檢測范圍大于623 mm時，孔的回波高度與噪聲比低于6 dB。通過試驗表明，采用的設備和探頭可以一次有效檢測長度600 mm范圍；外徑為76 mm，壁厚為4 mm的管材，有效檢測缺陷為直徑5 mm、深度2 mm的平底孔。儀器參數(shù)設置為：扇掃角度±45°，焦距200 mm，最大范圍1 000 mm。

2.4.3 靈敏度測量結(jié)果

為了驗證相控陣導波檢測的靈敏度及衰減情況，分別將探頭放置在距離孔100，200，300，400，500 mm的位置上進行試驗，在管道上放置磁吸尺進行定位，探頭在特定位置進行數(shù)據(jù)采集。儀器參數(shù)設置為：扇掃角度±30°，焦距200 mm，檢測范圍600 mm。

針對直徑為5 mm的通孔，探頭在100，200，300，400，500 mm的位置處，檢測時增益分別設置為48，53，56，60，64 dB，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 直徑5 mm通孔的檢測圖像

針對直徑5 mm、深度2 mm的平底孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置檢測，檢測時增益分別設置為47，48，52，57，60 dB，檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 直徑5 mm，深度2 mm的平底孔檢測圖像

針對直徑為10 mm的通孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置處檢測，檢測時增益分別設置為35，41，50，50，59 dB，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 直徑10 mm通孔的檢測圖像

針對直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置，檢測時增益分別設置為43，55，60，61，69 dB，檢測結(jié)果如圖11所示。

圖11 直徑10 mm，深度2 mm平底孔的檢測圖像

對于不同參考反射體回波的靈敏度對比情況如表1所示，從表1可以看出：對于直徑5 mm的平底孔和通孔，同樣回波靈敏度相差最大為5 dB，最小為1 dB；對于10 mm的平底孔和通孔，同樣回波靈敏度相差最大為14 dB，最小為8 dB。對于5 mm和10 mm的平底孔，同樣回波靈敏度相差最大12 dB，最小4 dB；對于5 mm和10 mm的通孔，同樣回波靈敏度相差最大13 dB，最小5 dB。對于同一參考反射體，如直徑5 mm通孔的衰減比較有規(guī)律，大約為0.04 dB·mm-1。其他參考反射體，如直徑5 mm、深度2 mm的平底孔，在100 mm和200 mm處，靈敏度相差不大；直徑10 mm通孔和直徑10 mm、深度2 mm的平底孔，在300 mm和400 mm處，靈敏度相差不大。

表1 不同參考反射體回波靈敏度

2.4.4 定位和定量檢測結(jié)果

以探頭在某個位置能夠同時將4個參考反射體檢出并測量定位為基準，進行定位和定量檢測。經(jīng)過試驗，以直徑5 mm通孔和直徑10 mm平底孔為參考距離，探頭放置在300 mm和400 mm的位置，均能夠有效檢出4個反射體的回波圖像，缺陷定位與實際情況基本符合，位于探頭對側(cè)180°位置的缺陷靈敏度最低。儀器參數(shù)設置為：扇掃角度±45°，焦距200 mm，檢測范圍600 mm。

以直徑5 mm通孔為0°定位參考，探頭位置在400 mm處的檢測圖像如圖12所示，探頭在300 mm處的檢測圖像如圖13所示。

圖12 直徑5 mm通孔,參考距離400 mm的檢測圖像

圖13 直徑5 mm通孔,參考距離300 mm的檢測圖像

直徑5 mm通孔的測量結(jié)果為聲束角度-0.4°，深度302.5 mm，波幅53.2%；直徑5 mm平底孔的測量結(jié)果為聲束角度6.7°，深度276.1 mm，波幅69.2%；直徑10 mm通孔有兩個聲束角度能夠同時檢測到，聲束角度分別為15.2°，-15.9°，深度分別為253.7，255.3 mm，波幅分別為14.4%，13.2%；直徑10 mm平底孔的測量結(jié)果為聲束角度-8.1°，深度為216.7 mm，波幅為96.8 mm。

以直徑10 mm平底孔為0°定位參考，探頭位置在400 mm處的檢測圖像如圖14所示，探頭在300 mm處的檢測圖像如圖15所示。

圖14 直徑10 mm平底孔，參考距離400 mm的檢測圖像

圖15 直徑10 mm平底孔，參考距離300 mm的檢測圖像

直徑5 mm通孔的測量結(jié)果為聲束角度4.6°，深度493.2 mm，波幅40.0%；直徑5 mm平底孔的測量結(jié)果是有兩個聲束角度能夠同時檢測到，聲束角度分別為9.6°，-8.9°，深度分別為468.6，471.0 mm，波幅分別為30.4%，36.4%；直徑10 mm通孔的測量結(jié)果為聲束角度-4.6°，深度433.1 mm，波幅88.4%；直徑10 mm平底孔的測量結(jié)果為聲束角度0.4°，深度400.1 mm，波幅100%。

直徑5 mm通孔的測量結(jié)果為：聲束角度5.3°，深度394.0 mm，波幅44.0%；直徑5 mm平底孔的兩個聲束角度能夠同時檢測到，聲束角度分別為11.0°，-11°，深度分別為372.1，374.2 mm，波幅分別為19.2%，25.2%；直徑10 mm通孔的測量結(jié)果為聲束角度-6.0°，深度333.7 mm，波幅27.2%；直徑10 mm平底孔 的測量結(jié)果為聲束角度0.4°，深度300.3 mm，波幅86.8%。

3 結(jié)論

(1) 采用相控陣扇掃對管道進行全覆蓋檢測，以0°為中心角度，當人工反射體缺陷位于探頭對側(cè)的180°位置時，負角度范圍和正角度范圍能夠同時檢測到該反射體圖像，缺陷圖像以0°中心線對稱，因此雖然試塊上只有4個人工反射體，但是檢測圖像中顯示了5個紅色圖像，其中有2個是同一個人工反射體圖像。因此，采用相控陣導波檢測管道時，在探頭對側(cè)的缺陷可能會出現(xiàn)兩個缺陷回波顯示。

(2) 從檢測結(jié)果可以看出，當探頭放置在300 mm和400 mm位置時，扇掃圖像能夠?qū)?個人工反射體同時檢出，且靈敏度和信噪比較好，說明此時導波已經(jīng)充滿了整個管道，因此利用相控陣導波可以將探頭放置在特定的位置，實現(xiàn)特定區(qū)域范圍的全覆蓋檢測。由于4個人工反射體的軸向長度為90 mm，因此有效全覆蓋區(qū)域為210～490 mm。

(3) 采用4 MHz的相控陣探頭，對壁厚為4 mm，管外徑為76 mm的管材進行導波檢測，圖像顯示質(zhì)量能夠滿足一次600 mm長度范圍的管材全覆蓋檢測，缺陷發(fā)現(xiàn)能力不小于直徑為5 mm，深度為2 mm的平底孔當量。

(4) 研究的高頻相控陣導波能夠滿足管道的快速檢測需求，可將探頭沿管道一周實現(xiàn)全覆蓋檢測，對于特定區(qū)域的檢測，可以將探頭放置在某個特定位置，利用相控陣導波實現(xiàn)全覆蓋檢測，可為工程應用提供參考。