基于CIVA 仿真小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè)的相控陣探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳光宇 ，陳永生 ，陳仲武 ，劉 滸 ，鄭國(guó)強(qiáng) ，龍晉桓 ，張超才

（1.福建華電可門(mén)發(fā)電有限公司，福建 福州 350512；2.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 泉州裝備制造研究所，福建 晉江 362200）

近年來(lái)火電發(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生了多起小徑薄壁管座角焊縫泄漏事故，嚴(yán)重威脅電廠鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而管座角焊縫由于結(jié)構(gòu)及焊接工藝等影響，容易出現(xiàn)裂紋、根部未焊透及坡口未熔合等高危害性缺陷，這些缺陷隨著電廠鍋爐啟停和運(yùn)行發(fā)生擴(kuò)展，最終引起管座泄露和失效[1-2]。所以，研究小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè)，提高缺陷檢測(cè)可靠性和檢出率，對(duì)電廠鍋爐的安全運(yùn)行有著重要意義。

當(dāng)前用于小徑薄壁管座角焊縫的檢測(cè)方法中，磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)只能對(duì)小徑薄壁管座角焊縫的表面或近表面進(jìn)行檢測(cè)，且容易出現(xiàn)缺陷漏檢[3]。射線檢測(cè)技術(shù)由于受到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件和結(jié)構(gòu)形式的限制，無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)或?qū)γ鏍钊毕輽z測(cè)靈敏度低[4]。由于管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊接接頭形式等因素影響，常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行管座角焊縫檢測(cè)也存在一定的局限性，存在管座角焊縫的缺陷識(shí)別、缺陷定位以及焊縫全覆蓋困難等問(wèn)題[5-7]。而相較于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具備更強(qiáng)的檢測(cè)靈活性、更高的檢測(cè)效率和缺陷檢出率等優(yōu)勢(shì)，已成為開(kāi)展小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè)的一種較佳檢測(cè)手段。但目前針對(duì)接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的小徑薄壁管座角焊縫，由于其接管外徑小、壁厚薄等因素影響，使超聲相控陣檢測(cè)時(shí)聲場(chǎng)散射嚴(yán)重、超聲信號(hào)變形嚴(yán)重，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度低和可靠性低，并且至今關(guān)于該規(guī)格管座角焊縫的檢測(cè)研究較少，因而尚未發(fā)現(xiàn)有合適的檢測(cè)方法。

本文針對(duì)小徑薄壁管座角焊縫超聲檢測(cè)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)，利用CIVA 軟件開(kāi)展接管外徑小于32mm、壁厚2.5mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫的超聲相控陣檢測(cè)仿真研究，采用母管側(cè)接觸式橫波檢測(cè)方法，通過(guò)進(jìn)行聲場(chǎng)仿真和缺陷響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣探頭參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高焊縫缺陷檢出率，為實(shí)際開(kāi)展相控陣探頭研制和相控陣檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

1 超聲相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)控制換能器各個(gè)陣元按照延遲法則形成聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)區(qū)域缺陷直觀成像。而本文采用裝有楔塊的相陣探頭置于角焊縫的母管側(cè)，采用超聲相控陣聚焦檢測(cè)方式用二次波對(duì)安放式小徑薄壁管座角焊縫進(jìn)行檢測(cè)。平面線性相控陣為超聲相控陣中典型陣列，將其各陣元近似為點(diǎn)聲源，通過(guò)特定延時(shí)法則使各個(gè)點(diǎn)聲源的聲場(chǎng)進(jìn)行疊加，從而實(shí)現(xiàn)聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)。裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意圖如圖1 所示，建立直角坐標(biāo)系，以第1 個(gè)陣中心的坐標(biāo)點(diǎn)O（x0，z0）為參考點(diǎn)，x 軸與楔塊底面平行，且其正向向右，而z 軸正向向下垂直于楔塊底面，假設(shè)聲束聚焦于焦點(diǎn)Q（xq，zq），聚焦深度為H。假設(shè)探頭陣元數(shù)目為N，陣元中心間距為P，第m 個(gè)陣元的坐標(biāo)點(diǎn)為M（xm，zm），其中 m 為整數(shù)，且 1≤m≤N，第 m 個(gè)陣元聲束在楔塊和工件兩種介質(zhì)中傳播路徑分別為lm、Lm（m=1，2，…，N），第m 個(gè)陣元聲束到達(dá)楔塊和工件的界面時(shí)所在交點(diǎn)為 Bm（xbm，zbm），第 m 個(gè)陣元聲束到達(dá)楔塊和工件的界面時(shí)入射角為 αm（m=1，2，…，N），其在工件中的折射角為 βm（m=1，2，…，N），第一個(gè)陣元中心到楔塊底部距離為H0。另外，楔塊傾斜角為θ，其聲速為cw，而工件的聲速為cs。

圖1 裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意圖

如圖1 所示，楔塊和工件檢測(cè)面接觸進(jìn)行角焊縫檢測(cè)時(shí)，第m 個(gè)陣元的聲束到焦點(diǎn)的時(shí)間為：

假設(shè)一次激發(fā)N 個(gè)陣元，由式（1）可以求得每個(gè)陣元的聲束到達(dá)焦點(diǎn)的時(shí)間，從而確定出所有陣元的聲時(shí)最大值Tmax，因而可計(jì)算得到第m 個(gè)陣元的延遲時(shí)間為

根據(jù)斯涅耳定律可得：

由幾何關(guān)系可知：

2 聲場(chǎng)仿真

本文的仿真對(duì)象為安放式小徑薄壁管座角焊縫的檢測(cè)模型，利用CIVA 軟件構(gòu)建無(wú)缺陷模型，如圖2 所示。其母管材質(zhì)為Sa335-P91，尺寸規(guī)格為Φ610mm×17.5mm（外徑×壁厚，下同），其縱波聲速為6028m/s，橫波聲速為3300m/s，密度為7.78g/cm3；其接管材質(zhì)為不銹鋼，尺寸規(guī)格為Φ27mm×2.5mm，縱波聲速為5660m/s，橫波聲速為3120m/s，密度為8.03g/cm3；焊材為碳鋼，其縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為 3230m/s，密度為 7.8g/cm3，焊接坡口為 50°。

圖2 CIVA 軟件建立的仿真模型局部圖

圖3 相控陣探頭放置于焊縫母管側(cè)不同位置示意圖

另外，實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭要沿著焊縫圍繞支管進(jìn)行掃查，但管座角焊縫為馬鞍型，母管側(cè)不同位置曲率有差別，但角焊縫結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，因而選擇將探頭置于母管側(cè) 0°、45°和 90°位置下進(jìn)行聲場(chǎng)仿真分析，如圖 3 所示。在探頭置于不同位置時(shí)利用CIVA 軟件分別進(jìn)行探頭工作頻率、陣元中心間距、一次激發(fā)陣元數(shù)和陣元曲率等不同參數(shù)下的聲場(chǎng)仿真分析，判斷并優(yōu)化超聲相控陣的聚焦效果，確定合適的探頭設(shè)計(jì)參數(shù)。另外，當(dāng)探頭陣列類(lèi)型、工作頻率、陣元中心間距和一次激發(fā)陣元數(shù)等參數(shù)變化時(shí)，由于探頭置于母管側(cè)45°和90°位置的仿真結(jié)果與探頭置于母管側(cè)0°位置的仿真結(jié)果類(lèi)似，因此在本文中不做討論分析。

2.1 探頭頻率的確定

圖4 不同頻率下聲場(chǎng)仿真效果圖

圖5 不同陣元中心間距下的聲場(chǎng)仿真效果圖

探頭頻率較小時(shí)，則波長(zhǎng)較大，造成檢測(cè)分辨力差，不利于小缺陷檢測(cè)；而當(dāng)探頭頻率越大時(shí)，則聲束主瓣寬度越小，指向性好，從而檢測(cè)分辨率高，但如果頻率過(guò)大，則聲束衰減嚴(yán)重，又不利于檢測(cè)。初始選取的探頭主要參數(shù)：陣元中心間距為0.6mm、主動(dòng)孔徑為19.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。另外，為了將使聲場(chǎng)可以聚焦到焊縫區(qū)域，選取的聚焦深度為 35mm。在偏轉(zhuǎn)角為 0°時(shí)分別對(duì)2.5MHz、5MHz、7.5MHz 和 10MHz 等四個(gè)頻率進(jìn)行仿真分析，探頭置于母管側(cè)0°位置時(shí)的仿真結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 仿真結(jié)果可得：隨著探頭頻率的增加，聲束越集中，主瓣寬度越小；當(dāng)頻率為2.5MHz 時(shí)，聲束并沒(méi)有在角焊縫區(qū)域聚焦；頻率為7.5MHz 和10MHz 時(shí)，聚焦效果更佳，并且頻率為10MHz 時(shí)，聚焦效果最佳。但由于頻率越大，聲束衰減越大，檢測(cè)靈敏度更低，因而探頭頻率選擇7.5MHz。

2.2 探頭陣元中心間距的確定

陣元中心間距是影響相控陣探頭聲學(xué)性能的基本參數(shù)。當(dāng)陣元中心間距越大時(shí)，聲束指向性越好，所測(cè)區(qū)域聲壓幅值越大；但假如陣元中心間距過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大角度柵瓣，以至于形成偽像，影響檢測(cè)，因而需要選取合適的陣元中心間距消除柵瓣的影響。選取的相控陣參數(shù)：頻率為7.5MHz、陣元間隙為0.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。偏轉(zhuǎn)角為0°、聚焦深度為35mm 時(shí)，選擇陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm 和 0.6mm，對(duì)它們進(jìn)行聲場(chǎng)仿真對(duì)比分析，探頭置于母管側(cè)0°位置式的仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

從圖5 的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相較陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm 和 0.45mm，陣元中心間距分別為0.50mm、0.55mm 和0.6mm 焊縫區(qū)域的聚焦效果更佳。圖7 為圖6 中黑線（最上面的線）所在位置上X 軸方向的聲壓幅值曲線，根據(jù)圖6 的仿真結(jié)果得出：焊縫熔合線處十字標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)聲壓幅值隨陣元中心間距的增大而增大。本文未對(duì)Pitch 值大于0.6mm 時(shí)進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，但考慮到Pitch 值過(guò)大、偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生柵瓣，而且探頭和楔塊尺寸會(huì)隨著Pitch 值增大而增加，加重曲率的影響。因而最終陣元中心間距選擇0.6mm。

2.3 一次性激發(fā)陣元數(shù)目確定

圖6 不同陣元中心間距下的聲壓幅值比較

圖7 不同陣元激發(fā)數(shù)的聲場(chǎng)效果圖

主動(dòng)孔徑越大即一次激發(fā)陣元數(shù)目越多，聲束能量越集中，聲束焦點(diǎn)越小，分辨力也越高；但一次激發(fā)陣元數(shù)目越多，近場(chǎng)長(zhǎng)度變大，近場(chǎng)盲區(qū)更大，不利于檢測(cè)。本文選取頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、陣元間隙為0.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、鋼中折射角55°橫波斜楔塊探頭等探頭參數(shù)，在聚焦深度為35mm、偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，分別一次激發(fā)8、16、32 陣元進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖7 所示。

表1 不同陣元曲率半徑下測(cè)試位置的聲壓幅值

表2 相控陣探頭主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)圖7 結(jié)果可得：當(dāng)一次激發(fā)8 和16 個(gè)陣元時(shí)，聲束聚焦效果不佳，并沒(méi)有在焊縫區(qū)域聚焦；而一次激發(fā)32 陣元時(shí)，相較一次激發(fā)8、16 個(gè)陣元，聲束在焊縫區(qū)域聚焦效果更佳，焦柱更小，具有更高分辨力。因而選擇一次性激發(fā)陣元數(shù)目為32。

2.4 陣元曲率的確定

曲面自聚焦線陣探頭的陣元在陣元長(zhǎng)度方向?yàn)橹?，可?shí)現(xiàn)該方向聚焦，降低管壁曲率的影響，使得聲束更集中。當(dāng)陣元曲率過(guò)小時(shí)，聲束依舊曲率影響造成發(fā)散現(xiàn)象；陣元曲率過(guò)大，則使得聲束聚焦深度縮短，造成聲束無(wú)法聚焦到檢測(cè)區(qū)域。選取已確定的探頭參數(shù)：頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、主動(dòng)孔徑為19.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。本文分別進(jìn)行了探頭置于母管側(cè)0°、45°和90°位置時(shí)不同曲率下的40°～55°角度范圍扇型掃查的聲場(chǎng)二維仿真，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 的聲場(chǎng)仿真效果圖是以平面線陣探頭聲場(chǎng)仿真的聲壓幅值最高點(diǎn)為參考基準(zhǔn)獲得的，平面線陣探頭的陣元曲率半徑為∞mm，根據(jù)圖8 的結(jié)果可得出：探頭處于母管側(cè)0°位置，采用平面線陣探頭時(shí)，焊縫區(qū)域的聲束聚焦效果更差；探頭處于母管側(cè)45°和90°位置，采用平面線陣探頭和陣元曲率半徑為25mm 的曲面自聚焦探頭時(shí)，焊縫區(qū)域的聲束聚焦效果更差；其中探頭處于母管側(cè)45°位置時(shí)，由于該位置結(jié)構(gòu)影響，造成焊縫區(qū)域仿真結(jié)果出現(xiàn)一些異常點(diǎn)。根據(jù)表1 可得到：探頭處于0°位置，曲率半徑為50mm 時(shí)所測(cè)靠近焊縫熔合線位置的測(cè)試點(diǎn)（位置標(biāo)記線的交叉點(diǎn)）聲壓幅值最大；而探頭處于45°和90°位置，曲率半徑為100mm 時(shí)所測(cè)靠近焊縫熔合線位置的測(cè)試點(diǎn)聲壓幅值最大。因而考慮到實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭需要適合三個(gè)不同檢測(cè)位置，因而最終選取探頭的陣元曲率半徑為100mm。

綜上所述，通過(guò)聲場(chǎng)分析確定了相控陣探頭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

3 缺陷響應(yīng)

為了驗(yàn)證所確定相控陣探頭參數(shù)的可靠性以及相控陣探頭的檢測(cè)能力，本文基于CIVA 軟件在已建立的無(wú)缺陷模型上進(jìn)行缺陷設(shè)計(jì)，采用CIVA 中的多面缺陷、矩形平面缺陷、圓柱形夾雜缺陷、球形缺陷、多面缺陷、多面缺陷分別模擬了根部未焊透、坡口未熔合、夾雜、氣孔、管道熔合線裂紋和坡口裂紋等六種典型缺陷，如圖9 所示。缺陷的尺寸分別是：根部未焊透的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、坡口未熔合的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、夾雜的直徑×長(zhǎng)為1×2mm、氣孔的直徑為1mm、管道熔合線裂紋的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、坡口裂紋的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm，其中根部未焊透位于焊縫根部位置、坡口未熔合和坡口裂紋處于靠近接管側(cè)管道熔合線中間位置、夾雜和氣孔位于焊縫中間位置、管道熔合線裂紋處于靠近母管側(cè)管道熔合線中間位置。

本文采用聲場(chǎng)仿真確定的探頭參數(shù)對(duì)有缺陷模型進(jìn)行掃查，將探頭置于母管側(cè)0°位置，探頭楔塊前沿距離焊縫邊緣19.26mm，采用扇型掃查，由于焊縫區(qū)域較小，角度范圍選擇為 40°～55°、間距為 0.5°，可實(shí)現(xiàn)聲束對(duì)焊縫區(qū)域全覆蓋。

仿真結(jié)果與分析：

圖9 有缺陷小徑薄壁管座角焊縫模型缺陷位置示意圖

六種典型缺陷的S 掃圖如圖10 所示，根部未焊透的S 掃圖如圖 10（a）所示，從圖 10（a）仿真結(jié)果可見(jiàn)，聲束幾乎垂直打在根部未焊透缺陷上，由于缺陷存在一個(gè)端角結(jié)構(gòu)，聲束反射及衍射較強(qiáng)，回波幅值較高，該缺陷的檢測(cè)具有較高的檢測(cè)靈敏度；如圖10（b）為坡口未熔合的S 掃圖，從仿真結(jié)果可以看出，由于隨著扇掃角度的變化，主聲束垂直達(dá)到缺陷處時(shí)，該缺陷處回波信號(hào)幅值較高；夾雜的 S 掃圖如圖 10（c）所示，從圖 10（c）可見(jiàn)，當(dāng)主聲束垂直達(dá)到該缺陷右下方底面時(shí)，回波信號(hào)幅值較高；圖 10（d）為氣孔的 S 掃圖，從圖 10（d）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主聲束垂直達(dá)到該氣孔右下表面時(shí)，其回波信號(hào)較高；如圖10（e）為管道熔合線裂紋的 S 掃圖，從圖 10（e）可得出，該裂紋兩端由于衍射影響而回波幅值較高，而中間部分由于缺陷方向與聲束方向的角度較小，聲束被反射到其他地方造成回波較弱；圖10（f）為坡口裂紋的S 掃圖，從圖10 可以發(fā)現(xiàn)，該裂紋的S 掃圖和圖10（b）的坡口未熔合S 掃圖相似，但由于該裂紋未波折形，會(huì)對(duì)聲束造成一定發(fā)散，因而相較坡口裂紋處的回波信號(hào)幅值，其回波信號(hào)幅值更低。

綜合以上缺陷仿真結(jié)果，采用該探頭設(shè)計(jì)參數(shù)和檢測(cè)方法，可以對(duì)上述缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)，且具有較高的檢測(cè)靈敏度，并能對(duì)它們實(shí)現(xiàn)定位和定量，為相控陣探頭研制和檢測(cè)工藝制定提供了重要的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

圖10 六種典型缺陷的S 掃圖

本文針對(duì)接管外徑27mm、壁厚2.5mm 的小徑薄壁管座角焊縫，通過(guò)采用母管側(cè)接觸式橫波檢測(cè)的方法進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)的CIVA 仿真研究，在探頭處于母管側(cè)不同位置時(shí)開(kāi)展了不同相控陣探頭參數(shù)下的聲場(chǎng)仿真分析，確定了相控陣探頭參數(shù)包括頻率、陣元中心間距、一次激發(fā)陣元數(shù)和陣元曲率等，并進(jìn)行了六種典型缺陷的缺陷響應(yīng)模擬，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)相控陣探頭設(shè)計(jì)參數(shù)檢測(cè)能力的驗(yàn)證，為實(shí)際開(kāi)展接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫超聲相控陣檢測(cè)奠定了良好基礎(chǔ)，并為其相控陣探頭研制和檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。