基于超聲相控陣的小徑薄壁管座角焊縫檢測CIVA仿真

張超才， 韓 軍， 龍晉桓， 李士林

(1. 中國科學(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;2. 廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024)

0 引 言

火力發(fā)電廠機、爐外薄壁小口徑管座角焊縫母管管徑大、接管管徑小且壁厚薄，在焊接過程中易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，且氫在焊縫和熱影響區(qū)擴散聚集，易造成微小氫致裂紋[1]。隨著運行年限、過負(fù)荷調(diào)峰，角焊縫中應(yīng)力更為集中，微小裂紋將擴展成高危裂紋，嚴(yán)重影響管座結(jié)構(gòu)的承載、承壓能力，甚至造成管座泄露事故發(fā)生。目前，機、爐外管座角焊縫數(shù)量眾多，提高內(nèi)部裂紋缺陷檢出率，對火力發(fā)電廠安全運行具有重要意義。

目前常采用的磁粉和滲透技術(shù)只能對管座角焊縫進行表面、近表面檢測，射線檢測受角焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚影響較大，難以實施[2]。對于內(nèi)部缺陷的檢測，大多采用常規(guī)超聲進行檢測，但由于受到馬鞍狀焊縫結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率的影響，以及檢測位置的局限性，存在缺陷信號識別難、缺陷定性及定位難、焊縫全覆蓋難等問題。超聲相控陣檢測技術(shù)作為目前超聲檢測前沿技術(shù)，利用相控陣技術(shù)和計算機軟件來控制超聲波，結(jié)合扇形掃查，聲束可大面積覆蓋被測體，得到直觀的可記錄圖像結(jié)果。其檢測效率、缺陷檢出率、定性及定量精度等方面都比常規(guī)超聲具有明顯優(yōu)勢，特別對于復(fù)雜幾何形狀材料的檢測。DB 37/T 3143—2018《小徑管管座角接焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》[3]中只規(guī)定了對壁厚不小于4 mm管座角焊縫進行超聲相控陣檢測；姚健松等[4]針對壁厚5 mm管座角焊縫進行了超聲相控陣缺陷定位準(zhǔn)確性研究；齊高軍等[5]制作了壁厚不小于4 mm的角焊縫對比試塊，用于調(diào)整檢測靈敏度以及檢測工藝制定及驗證。而對于壁厚小于4 mm的管座角焊縫，由于焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率等因素的影響，超聲相控陣檢測相關(guān)研究較少。

一方面由于管材服役長期暴露在空氣中，表面會氧化而變得粗糙，導(dǎo)致聲波入射能量減弱，降低檢測靈敏度，影響缺陷的檢測精度。另一方面管材在加工及熱處理中，輕微因素的改變會造成同批次材料晶粒度粗大，晶粒度過大會加劇超聲波散射衰減，產(chǎn)生嚴(yán)重材料噪聲。因此有必要對小徑薄壁管座角焊縫專用超聲相控陣探頭進行不同表面粗糙度、晶粒度進行聲場仿真，探究其影響規(guī)律，進而削弱其對超聲檢測的影響。針對以上問題本文通過建立無缺陷3D模型，利用無損檢測專業(yè)仿真軟件CIVA，對專用超聲相控陣探頭進行不同表面粗糙度和晶粒度的薄壁小徑管管座角焊縫進行聲場仿真，揭示了表面粗糙度、晶粒度對焊縫聲場的影響規(guī)律；建立有缺陷3D模型，對不同位置、大小母管融合線裂紋、坡口裂紋進行模擬仿真分析，總結(jié)裂紋響應(yīng)變化規(guī)律及特征，從而提高裂紋檢測精度及靈敏度，并有助于指導(dǎo)檢測工藝編制及現(xiàn)場檢測工作。

1 仿真基本理論

1.1 聲場仿真理論

CIVA聲場仿真是基于Pencil法修正的瑞利積分模型，是一種半解析方法。瑞利積分將探頭離散成點源的形式，并假設(shè)每個點源分布在輻射面上。對于每個觀測點，利用彈性動力學(xué)Pencil法來計算每個點源在觀測點產(chǎn)生的聲壓幅值[6]。該模型可計算浸入式、楔塊接觸式等任意形狀單探頭、相控陣探頭輻射的超聲場。Pencil模型是基于G.A.Deschamps提出的電磁波理論轉(zhuǎn)換為彈性動力波的基礎(chǔ)上建立的，能夠預(yù)測超聲波在不同介質(zhì)傳播過程中的振幅衰減。

1.2 缺陷散射模型理論

根據(jù)缺陷的性質(zhì)，CIVA集成了3種缺陷散射模型：近似解析解、精確解析解和數(shù)值解來模擬聲束與缺陷的相互作用。對于經(jīng)典裂紋散射模型均采用半解析模型的近似解析解來模擬。

基爾霍夫（Kirchhoff）近似缺陷散射模型專門用于處理平面狀（可以包含多個平面）裂紋缺陷和體積空腔缺陷[7]。它是一種高頻近似模型，只有當(dāng)缺陷大于波長時有效。缺陷表面網(wǎng)格離散劃分，缺陷散射由幾何彈性動力場和格林函數(shù)在離散缺陷表面積分所得，特別適用管座角焊縫模型中裂紋的鏡面反射和角反射。裂紋散射偏離鏡面方向時，基爾霍夫近似能精確預(yù)測裂紋邊緣衍射回波時間，但不能定量預(yù)測其振幅，使基爾霍夫近似在該情況下不能使用，誤差太大。

幾何衍射理論（geometrical theory of diffraction，GTD）模型是基于幾何射線理論，專門用于模擬裂紋邊緣衍射回波[8]，也是一種高頻近似，只有當(dāng)缺陷大于波長時有效。缺陷邊緣需進行網(wǎng)格離散劃分，后進行網(wǎng)格邊緣衍射積分，有助于管座角焊縫模型中裂紋邊緣衍射波的精確快速計算。GTD模型比Kirchhoff近似理論模型能更精確的預(yù)測缺陷邊緣與輪廓的衍射，當(dāng)檢測波形為橫波時，效果更好。但是，GTD模型在缺陷鏡面反射、前向散射區(qū)域發(fā)散，造成模擬結(jié)果失效?？梢奒irchhoff近似理論模型和GTD模型存在互補有效區(qū)域關(guān)系。

Kirchhoff and GTD 模型專門用于模擬裂紋狀缺陷的反射和衍射回波。該模型是采用物理衍射理論[9]（physical theory of diffraction，PTD）將 Kirchhoff和GTD兩種模型優(yōu)點結(jié)合，用GTD模型修正基爾霍夫邊緣衍射場。當(dāng)接收鏡面回波時，基爾霍夫場比邊緣衍射場貢獻更大，Kirchhoff and GTD模型與Kirchhoff近似模型結(jié)果相似；當(dāng)接收遠(yuǎn)離鏡面反射回波時，邊緣衍射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，Kirchhoff and GTD模型與GTD模型結(jié)果相似。

2 CIVA仿真

2.1 參數(shù)設(shè)置

小徑薄壁安放式管座角焊縫3D模型采用solid works軟件繪制，如圖1所示。該工件的母管材質(zhì)為 SA335-P91，橫波聲速為 3300， 密度為7.78，尺寸規(guī)格為 Φ610 mm×17.5 mm；其焊材為碳鋼，橫波聲速為 3230， 密度為 7.8；其支管為不銹鋼，橫波聲速為3120， 密度為8.03，尺寸規(guī)格為 Φ27 mm×2.5 mm；坡口角度為 50°。

圖1 局部模型圖

自聚焦相控陣探頭能彌補管材曲率帶來的聲束發(fā)散影響，使聲束在聚焦區(qū)域更集中，晶片的曲率通過自聚焦位置計算可知，確定晶片曲率為100 mm的32陣元自聚焦相控陣探頭。焊縫區(qū)域較小，探頭頻率為7.5 MHz可增加檢測分辨率，其余探頭參數(shù)為：晶片間距 Pitch=0.6 mm、主動孔徑為 19.1 mm、被動孔徑為10 mm、–6 dB帶寬為50%。采用折射角55°橫波平楔塊，密度為1.18，縱波聲速為2680， 橫波聲速為 1340。

2.2 表面粗糙度對檢測聲場的影響

管材在實際服役過程由于氧化、腐蝕等原因，會使得表面存在不同程序的微觀、宏觀起伏現(xiàn)象[10]。

如圖2所示，聲束入射到粗糙表面時，產(chǎn)生的波形轉(zhuǎn)換，折射波部分會偏離預(yù)期的方向，造成該方向聲能的損失；采用橫波檢測時，部分入射縱波相對于入射點小于第一臨界角，產(chǎn)生折射縱波，干擾檢測；部分入射縱波相對于入射點法線角度大于第二臨界角，產(chǎn)生表面波，削弱折射波能量。由此可知，聲波入射到粗糙表面，產(chǎn)生其他波形，削弱預(yù)期方向聲波能量，造成檢測靈敏度低。

圖2 超聲波在粗糙表面的部分波形轉(zhuǎn)換示意圖

為了減弱表面粗糙度對管座角焊縫檢測的影響，提高缺陷檢測的靈敏度，對專用超聲相控陣探頭進行不同表面粗糙度的管座角焊縫進行聲場仿真，探討了不同表面粗糙度對超聲入射聲場的影響規(guī)律。

相控陣探頭置于母管側(cè)，楔塊前端距離焊縫邊緣約19.26 mm，利用二次波檢測焊縫區(qū)域，進行40°～ 55°扇掃深度聚焦模式，扇掃步進為 0.5°，聚焦于上表面。仿真結(jié)果如圖3和表1所示，其中焊縫區(qū)域聲壓幅值為焊縫正中心點處聲壓幅值。

表1 不同表面粗糙度下待測區(qū)聲壓

圖3 表面粗糙度聲場仿真圖

由表1數(shù)據(jù)可知，表面粗糙度從100 μm降低到12.5 μm時，焊縫區(qū)域幅值快速增加，檢測信噪比及靈敏度明顯提高，即圖3中焊縫區(qū)域顏色明顯加深。表面粗糙度繼續(xù)減小時，焊縫區(qū)域幅值增加微弱，檢測信噪比及靈敏度幾乎相同。

由此可知，表面粗糙度對于角焊縫裂紋檢測影響因素主要是降低檢測信噪比及靈敏度，甚至?xí)斐闪鸭y缺陷的漏檢和誤判?，F(xiàn)場檢測時薄壁管座角焊縫母管表面粗糙度應(yīng)不大于12.5 μm，從而削弱表面粗糙度帶來的影響，有利于缺陷的檢出。

2.3 晶粒度對檢測聲場的影響

金屬材料內(nèi)部由大量隨機取向、尺寸晶粒和晶間夾雜物構(gòu)成。晶粒度是晶粒大小的量度，其對超聲波的聲速、衰減、散射等均存在不同程度的影響[11]。

P91焊接接頭中各區(qū)晶粒尺寸隨服役年限增加，晶粒尺寸逐漸增大[12]。晶粒尺寸越大，超聲波在內(nèi)部散射和衰減越嚴(yán)重。根據(jù)晶粒平均直徑d與波長λ比值，將散射分成以下3種情況[13]：

晶粒度為0～ 9級時散射衰減系數(shù)根據(jù)Born近似理論計算得出，如圖4所示。從圖4中可知d≤63.5 μm時，此時 α ∝d3，即處于瑞利散射區(qū)域。當(dāng)d≥89.8 μm時，此時為線性關(guān)系，即處于隨機散射區(qū)域。

圖4 衰減系數(shù)與晶粒平均直徑關(guān)系

為了探究晶粒度對超聲檢測聲場的影響，在表面粗糙度不大于12.5 μm的情況下，對0～ 9級晶粒度進行了聲場仿真，結(jié)果如圖5和表2所示，其中待測區(qū)域聲壓幅值為焊縫正中心點處聲壓幅值。

圖5 晶粒度聲場仿真圖

由圖5可知，隨著P91晶粒平均直徑增大，超聲波在晶界處相互作用，造成聲波雜亂反射、折射和散射，從而形成嚴(yán)重的材料噪聲和散射衰減，檢測靈敏度急劇下降，缺陷波淹沒在材料噪聲中，難以進行區(qū)分。由表2和圖4可知，晶粒度為0～ 4級時處于隨機散射區(qū)域，對超聲檢測影響較大，超聲檢測靈敏度及信噪比較低。晶粒度為5～ 9級時處于瑞利散射區(qū)域，散射現(xiàn)象較弱，衰減系數(shù)也比較小，對超聲檢測影響相對較小，超聲檢測信噪比和靈敏度都很高。

表2 不同晶粒度衰減系數(shù)及待測區(qū)聲壓

因此在現(xiàn)場檢測時，P91晶粒度級別不大于4級時，可選取更低的頻率探頭進行檢測，降低散射衰減引起的材料噪聲，提高檢測信噪比和靈敏度。

2.4 CIVA裂紋缺陷響應(yīng)

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋多位于焊縫和母管融合線區(qū)域[14]。由于主管道高溫?zé)崤蛎浳灰疲Ч芘蛎洸痪斐蓱?yīng)力集中于支管根部與母管焊縫融合區(qū)域，隨機組長時間運行及調(diào)峰，逐步開裂形成高危裂紋。支管和焊材線膨脹系數(shù)不同，在循環(huán)熱作用下工作，造成熱應(yīng)力集中產(chǎn)生高危坡口裂紋。

為了驗證該檢測工藝對管座角焊縫中裂紋的檢出、定位、定性能力，以不同大小母管融合線裂紋、坡口裂紋為實驗對象，進行CIVA仿真實驗。

在表面粗糙度不大于12.5 μm、晶粒度不小于5級的情況下，設(shè)置掃描步長為1 mm，掃描路徑為10 mm，起點均為距離缺陷中心一測5 mm處，向另一側(cè)移動。

母管融合線裂紋采用面狀缺陷代替，在管座角焊縫中埋藏不同大小（長×寬）裂紋缺陷，如圖6所示。

圖6 母管融合線裂紋

通過橫通孔Φ1 mm×1 mm進行裂紋檢測靈敏度對比，以此判斷裂紋的檢出能力。母管融合線裂紋缺陷響應(yīng)扇掃圖像如圖7所示，與橫通孔回波幅值對比如圖8所示，圖中選取點的超聲回波信號的正負(fù)幅值分別以成像圖中正負(fù)振動最大的幅值為參考，通過公式（1）得到：

圖7 母管融合線裂紋扇掃仿真圖

其中P1、P2為聲壓，換算后得到圖8所示曲線。

圖8 母管融合線裂紋和橫通孔回波幅值

如圖7所示，扇掃圖中裂紋缺陷受主聲束位置及衍射波的影響，后端（遠(yuǎn)離探頭端）回波幅值較高，前端較后端弱些。扇掃圖隨裂紋長度變化而相應(yīng)改變，寬度增加時，扇掃圖不變但回波幅值增加。扇掃圖底部波形成分為占比100%的TrsTrsT，為橫波發(fā)射-表面（底面）反射-橫波-表面（側(cè)壁）反射-橫波接收，即底面或側(cè)壁的干擾波。如圖8所示，對比結(jié)果表明：各母管融合線裂紋回波幅值都比Φ1 mm×1 mm橫通孔幅值弱，相差最大約13.4 dB，最小約8 dB；各裂紋對比，裂紋長度影響聲束的作用時間，裂紋寬度與回波幅值成正比關(guān)系。

由此可見，探頭置于母管側(cè)進行超聲相控陣檢測時，可實現(xiàn)對母管融合線處橫向裂紋的定位和定量，但其檢測靈敏度較低，對于較小裂紋可能會存在漏檢和誤判的可能。

采用相同檢測配置進行坡口裂紋模擬檢測，并以相同位置的橫通孔Φ1 mm×1 mm進行裂紋檢測靈敏度對比。在管座角焊縫中埋藏不同大?。ㄩL×寬）坡口裂紋缺陷，如圖9所示。坡口裂紋扇掃結(jié)果如圖10所示，與橫通孔幅值對比如圖11所示。

圖9 坡口裂紋

如圖10所示，因聲束幾乎垂直打在裂紋缺陷中心，鏡面反射回波幅值較高，檢測靈敏度較強；兩端衍射波相比較微弱。如圖11所示，對比結(jié)果表明：坡口裂紋檢測靈敏度要高于相應(yīng)位置的橫通孔靈敏度，相差最小約7.4 dB。裂紋缺陷寬度增加，由于聲束側(cè)接觸面一致，作用點時間相同，受掃查面缺陷寬度的影響，回波動態(tài)曲線幅值明顯增大，成正比關(guān)系。

圖10 坡口裂紋扇掃仿真圖

圖11 坡口裂紋和橫通孔回波幅值

綜上，該檢測方式可有效檢出坡口裂紋，且檢測靈敏度較高，同時裂紋回波幅值主要受寬度影響，裂紋長度影響較弱，因而其可實現(xiàn)對坡口處縱向裂紋的定位和定量。

3 結(jié)束語

本文基于CIVA仿真軟件對小徑薄壁管座角焊縫檢測的影響因素（母管表面粗糙度、晶粒度）進行專用超聲相控陣探頭聲場仿真分析，探究了其影響機理，后對裂紋缺陷進行檢測仿真分析，分析了不同位置和大小的裂紋響應(yīng)特征，揭示了其變化規(guī)律。通過仿真實驗得出：探頭置于母管側(cè)的超聲相控陣接觸式橫波檢測方式進行深度聚焦和扇形掃查成像，使裂紋直觀顯示，可有效檢出不同位置、大小的裂紋缺陷，并實現(xiàn)對其定位、定性和定量，特別是對于坡口裂紋具有較高的檢測靈敏度，克服了當(dāng)前小徑薄壁管座角焊縫檢測中缺陷信號識別難、缺陷定性及定位難等問題。實際檢測時可利用該檢測方式開展不同位置掃查，提高檢測的可靠性和缺陷檢出率。