全矩陣捕獲和全聚焦法相控陣成像檢測技術(shù)

黃文大，李 衍

(1.浙江省特種設(shè)備科學研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310020;3.無錫市承壓設(shè)備學會NDT專委會，無錫 214028)

雙全法[全矩陣捕獲(FMC)和全聚焦法(TFM)]已有了兩項最新的國際標準，即ISO 23865：2021 《無損檢測 超聲檢測 全矩陣捕獲/全聚焦法和相關(guān)技術(shù)的一般用法》和ISO 23864：2021《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動全聚焦法和相關(guān)技術(shù)的使用》。兩項標準均由國際焊接學會(IIW)第Ⅴ委員會制定，由國際標準化組織(ISO)于2021年初正式發(fā)布。文章主要對4個方面進行探討：① 雙全法相較于常規(guī)相控陣超聲檢測(PAUT)技術(shù)的優(yōu)勢；② 可替代的數(shù)據(jù)采集成像技術(shù)；③ 參數(shù)校驗；④ 雙全法的應(yīng)用案例。

1 雙全法與常規(guī)PAUT的比較

常規(guī)相控陣超聲成像檢測技術(shù)只能顯示缺陷的近似形貌，其與實際缺陷形貌相差甚遠。在最新的相控陣設(shè)備中，可將全矩陣捕獲的采集過程與全聚焦法的重建算法相結(jié)合，實現(xiàn)缺陷的實時重建，有助于焊接缺陷的表征[1]。

1.1 雙全法的優(yōu)缺點

雙全法與常規(guī)PAUT相比，其優(yōu)缺點如表1，2所示。

表1 雙全法相較于常規(guī)PAUT的優(yōu)點

1.2 常規(guī)PAUT與雙全法的操作流程

常規(guī)PAUT和雙全法的主要操作流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)PAUT與雙全法的主要操作流程

2 雙全法與采集成像技術(shù)替代法

2.1 概述

ISO雙全法通則和專標允許的雙全法技術(shù)的數(shù)據(jù)采集法與成像法可采用替代法。該節(jié)概述基本雙全法與某些替代法。替代采集法包括半矩陣捕獲(HMC)、稀疏矩陣捕獲(SMC)、平面波成像(PWI)和虛擬源聲闌(VSA)法。替代成像法包括自適應(yīng)TFM(ATFM)和多成像方式TFM法。

表2 雙全法相較于常規(guī)PAUT的缺點

2.2 雙全法采集和成像過程

2.2.1 全矩陣捕獲采集過程

FMC過程是記錄所有信號的過程，這些信號對應(yīng)于陣列所有可能的發(fā)-收陣元對。采用FMC法采集信號可得到一個N×N(N為陣元數(shù))的信號矩陣，記i陣元發(fā)射，j陣元接收的信號為Sij(t)。

2.2.2 全聚焦法的成像過程

FMC數(shù)據(jù)成像的方法有很多，其中TFM算法用得最廣。該算法基于延時與求和處理，其基本概念是將缺陷產(chǎn)生的回波進行相干求和，使缺陷的波幅最大化，將信號合成聚焦于構(gòu)成成像區(qū)的網(wǎng)格點上，再輸出為波幅圖，若不同的回波信號間存在相關(guān)性，產(chǎn)生的波幅會更高。該方法源于合成孔徑雷達，最初是通過合成孔徑聚焦法引入常規(guī)超聲檢測的。

用于FMC的TFM算法步驟如下所述。

(1) 波程計時。聲波從陣元i到網(wǎng)格點P，再到陣元j所需飛行時間tij(P)為

tij(P)=Tip+Tjp

(1)

式中:Tip,Tjp分別為超聲從發(fā)射陣元i、接收陣元j的中心到網(wǎng)格點P的飛行時間。

(2) 波幅求和。圖像P點的波幅I(P)為

(2)

式中：Sij(TiP+TjP)為i陣元發(fā)射、j陣元接收的超聲信號疊加到網(wǎng)格點P的幅值。

除算法的一般形式外，還可能存在變量，主要為：① 計算超聲飛行時間所用數(shù)值解法；② 實施程序(與檢測設(shè)備硬件、軟件相關(guān)的不同版本和優(yōu)化)；③ 計算點網(wǎng)格間的插值；④ 信號處理后波幅求和的可能性；⑤ A掃描對某個圖像點的作用、有關(guān)分配不同權(quán)重因子的選項等。

2.3 FMC的替代采集法

可用FMC的替代采集法，按與FMC信號相同的方式收集和處理不同(通常較小)的信號集。目的是減少待處理信號量或提高信噪比以減少處理時間。

2.3.1 全矩陣子集的獲取

通過選擇較少發(fā)射-接收對，獲取全矩陣信號的子集。主要類型為：① 半矩陣捕獲(HMC)，該方法獲取的A掃描數(shù)據(jù)量為N·(N+1)/2，理論上采集信息無丟失(生成圖像的信噪比可能低于全矩陣捕獲生成圖像的)；② 合成孔徑聚焦法捕獲，該方法僅獲取同一發(fā)-收陣元對應(yīng)的矩陣信號，A掃描數(shù)據(jù)量為N；③ 稀疏矩陣捕獲(SMC)，該方法以確定性或隨機方式選擇激活發(fā)-收陣元，得到FMC數(shù)據(jù)子集。

2.3.2 延時法則的應(yīng)用

平面波成像(PWI)法對發(fā)射陣元施加適當?shù)难訒r，使入射平面波以n個不同的角度輸入工件，在N個陣元上收集信號，得要n×N(一般n

2.3.3 編碼激勵陣列

編碼激勵法用數(shù)字編碼驅(qū)動選定的激活陣元，相繼激勵整個陣列，旨在提高超聲在衰減材料中的信噪比。

2.4 多成像方式的重建

多成像方式TFM的步驟為：① 選擇幾條成像方式；② 按成像算法步驟，對每一成像方式進行波程計時和波幅求和。處理結(jié)果可顯示為由多路徑圖像合成的單一圖像，也可顯示為與所選成像方式相對應(yīng)的分列式圖像。

2.5 自適應(yīng)全聚焦法(ATFM)

在某些情況下(如成像方式包含位置未知的界面)，超聲飛行時間并不精確。在自適應(yīng)全聚焦算法中，第一步就要根據(jù)FMC數(shù)據(jù)測量試件的界面位置，再基于該位置調(diào)整超聲飛行時間，建造TFM圖像。

3 關(guān)鍵參數(shù)校驗

該節(jié)說明關(guān)乎雙全法成像效果和質(zhì)量的3個關(guān)鍵參數(shù)(圖像分辨率、網(wǎng)格點間距和波幅穩(wěn)定度)的校驗要領(lǐng)。雙全法是由數(shù)據(jù)采集和成像構(gòu)成的方法，二者均涉及采樣，故需要關(guān)注網(wǎng)格點間距。覆蓋范圍和分辨率可用下述方法作隱式測試(驗證波幅穩(wěn)定度的程序中包含ROI的設(shè)置確認和網(wǎng)格點間距的驗證)。靈敏度也可用與波幅校正法相同的布置來進行校驗。

實施基本TFM算法時，圖像中每個點的重建步驟為：在全矩陣數(shù)據(jù)時基軸上進行A掃描，并在網(wǎng)格點位置添加A掃描波幅值。A掃描信號來自未檢波、未濾波的超聲信號，若圖像網(wǎng)格點密度過底，則A掃描信號可能出現(xiàn)反相位相互抵消的現(xiàn)象，故網(wǎng)格太粗時，小反射體的波幅會隨探頭的位置變化而出現(xiàn)增減。

3.1 圖像分辨率

圖像分辨率是指圖像可分辨相鄰目標物最小間距的能力。檢測程序規(guī)定分辨率的同時，應(yīng)說明驗證方法。

3.2 網(wǎng)格點間距

網(wǎng)格點間距取決于檢測所需分辨率、總覆蓋區(qū)域、處理能力、波速、穩(wěn)定波幅圖像所需網(wǎng)格點的間距。網(wǎng)格可調(diào)粗調(diào)細，網(wǎng)格設(shè)置太粗時，可能導致小反射體漏檢或量值偏小。一般網(wǎng)格點間距小于λ/5(λ為波長)時可得穩(wěn)定波幅。波幅穩(wěn)定度受多因素影響，如探頭特性，波長等。

3.3 波幅穩(wěn)定度

3.3.1 驗證設(shè)備要求

驗證關(guān)注區(qū)波幅穩(wěn)定度的設(shè)備應(yīng)與檢測時使用的設(shè)備相同。驗證所用的探頭和楔塊，其型式和制造商應(yīng)與檢測時的相同， 檢測試塊或?qū)Ρ仍噳K中應(yīng)有豎排橫孔。

3.3.2 驗證設(shè)置

關(guān)注區(qū)設(shè)置應(yīng)與預(yù)期應(yīng)用設(shè)置相同。設(shè)備應(yīng)在豎排橫孔上進行調(diào)試，使用夾鉗將探頭固定在對準橫孔的3個不同位置：① 在關(guān)注區(qū)中間；② 離關(guān)注區(qū)左端約2 mm；③ 離關(guān)注區(qū)右端約2 mm。橫孔回波的最大波幅應(yīng)調(diào)為80% 滿屏高。

3.3.3 驗證過程

偏移增量i=λ/20，驗證過程用于實時顯示TFM圖像，或通過后處理用于存儲FMC數(shù)據(jù)，步驟為：① 列表記錄關(guān)注區(qū)每一橫孔的最大波幅；② 按要求進行偏移增量計算；③ 按偏移量計算TFM設(shè)置值；④ 按偏移量顯示TFM圖像，回到步驟①，直到完成20次遞增時結(jié)束計算。探頭擺放的3個位置都要執(zhí)行該驗證過程。

3.3.4 結(jié)果計算

確定每一探頭位置、每一橫孔的最大波幅Hmax和最小波幅Hmin，則該位置、該橫孔的波幅穩(wěn)定度ΔHs為

ΔHs=20lg(Hmax/Hmin)

(3)

若波幅穩(wěn)定度為最大2 dB(即±1 dB，用波幅的絕對值測量)、最大4 dB(即±2 dB，定量方式不依據(jù)波幅的絕對值)，則校驗評定合格。若波幅穩(wěn)定度超過上述規(guī)定數(shù)值，則減小網(wǎng)格點間距。

3.3.5 驗證報告

校驗報告應(yīng)包括驗證過程、波幅穩(wěn)定度、關(guān)注區(qū)參數(shù)(如TFM設(shè)置窗截屏)、增量值計算、橫孔回波波幅、測試設(shè)置和設(shè)備(包括探頭、楔塊、儀器、試塊、軟件版本)、增益校正設(shè)置等。

4 推薦設(shè)置和雙全法應(yīng)用案例

4.1 高溫氫蝕或類似損傷檢測

4.1.1 氫損傷

高溫氫蝕(HTHA)定義為氫滲透到鋼中與碳化物反應(yīng)，導致鋼構(gòu)件產(chǎn)生微裂紋的過程，氫蝕缺陷可能位于基體金屬或焊縫中。碳鋼和低合金鋼暴露于含硫化氫的酸性水介質(zhì)中，也會受各種開裂機制的影響，例如壓力容器壁面會發(fā)生電化學反應(yīng)，導致鋼吸收氫原子，金屬韌性降低，金屬鍵弱化。這些效應(yīng)疊加在一起會產(chǎn)生多種失效機制，如氫致開裂(階式破裂和起泡是氫致開裂的兩種特殊形式)、硫化物應(yīng)力開裂、應(yīng)力取向氫致開裂。

檢測高溫氫蝕使用的設(shè)備也可用于氫致開裂的檢測。檢測應(yīng)力腐蝕開裂的設(shè)備也可用于應(yīng)力取向氫致開裂的檢測。

4.1.2 檢測設(shè)置

雙全法可用作其他無損檢測方法檢測高溫氫蝕損傷的補充方法。被檢試件的表面粗糙度應(yīng)不大于6.5 μm。檢測時需使用頂端線槽(寬0.2 mm)或橫孔(深度≈厚度，容差±20%)來設(shè)置儀器的靈敏度，檢測信噪比至少為12 dB。使用橫孔來設(shè)置檢測靈敏度時，應(yīng)提高檢測靈敏度，以保證衍射信號的檢出。參考反射體的波幅應(yīng)調(diào)至滿屏高的80%～100%。使用校驗試塊三橫孔進行靈敏度校正的案例如圖2所示(頻率為15 MHz)。

圖2 使用校驗試塊三橫孔進行靈敏度校正的案例

4.1.3 探頭選擇

為獲得最佳的檢測信噪比，縱波探頭頻率為7～15 MHz，橫波探頭頻率為3.5～7.5 MHz。

4.1.4 掃查方法

使用雙全法進行高溫氫蝕損傷檢測時，母材區(qū)域推薦使用頂掃，焊縫和熱影響區(qū)推薦使用側(cè)掃，兩種掃查方式如圖3,4所示。

圖3 母材區(qū)域的頂掃示意

圖4 焊縫和熱影響區(qū)的側(cè)掃示意

4.1.5 典型成像結(jié)果

鋼試塊典型的高溫氫蝕雙全法成像結(jié)果如圖5所示(探頭頻率為7.5 MHz，成像方式為縱波成像)。由圖5可見，體積合并成像可優(yōu)化顯示結(jié)果。

圖5 鋼試塊典型的高溫氫蝕雙全法成像結(jié)果

高溫氫蝕的線性相控陣超聲與雙全法的成像結(jié)果如圖6所示，可見， 雙全法更有助于操作者識別高溫氫蝕缺陷。早期和中期高溫氫蝕損傷的雙全法成像結(jié)果和分析如圖7所示。碳鋼板試樣水平裂紋和階式裂紋的雙全法檢測結(jié)果及其宏觀斷面如圖8所示(圖中“1”為水平裂紋，“2”為階式裂紋)。

圖6 高溫氫蝕的線性相控陣超聲與雙全法的成像結(jié)果

圖7 早期和中期高溫氫蝕損傷的雙全法成像結(jié)果和分析

圖8 碳鋼板試樣水平裂紋和階式裂紋的雙全法檢測結(jié)果及其宏觀斷面

4.2 腐蝕檢測

4.2.1 腐蝕損傷

腐蝕是指金屬與環(huán)境間發(fā)生物理化學相互作用的過程。檢測鋼容器和管道部件中的腐蝕損傷時，應(yīng)按損傷位置和形狀特征來選擇成像方式。腐蝕類型有：均勻腐蝕；點蝕；侵蝕；沉積物侵蝕；隙間腐蝕；電化學腐蝕；焊縫區(qū)腐蝕。

4.2.2 檢測設(shè)置

腐蝕機制不同會產(chǎn)生不同形狀、位置和類型的反射面。檢測時，要根據(jù)材料厚度選擇檢測參數(shù)。用雙全法進行腐蝕檢測前，需了解材料的損傷類型，并考慮腐蝕的位置和形狀。驗證試塊中實際損傷的位置、形狀、大小、厚度范圍等參數(shù)應(yīng)覆蓋試件預(yù)期存在損傷的位置、形狀、大小和厚度范圍。驗證試塊的材料應(yīng)與試件的相同。

4.2.3 探頭選擇

探頭應(yīng)根據(jù)試件的幾何形狀、材料、厚度、表面狀態(tài)和涂層狀況來選擇。探頭頻率應(yīng)根據(jù)待檢腐蝕缺陷的類型選擇。

4.2.4 成像方式

根據(jù)腐蝕位置推薦的雙全法成像方式如表3所示。

表3 腐蝕缺陷雙全法檢測推薦成像方式

4.2.5 典型成像結(jié)果

淺寬內(nèi)腐蝕缺陷的雙全法成像結(jié)果如圖9所示，可見，雙全法可大范圍檢測腐蝕缺陷的輪廓，可準確評定缺陷與試件后壁的連接角度。

圖9 淺寬內(nèi)腐蝕缺陷的雙全法成像結(jié)果

4.3 應(yīng)力腐蝕裂紋檢測

應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)危害嚴重，其會導致結(jié)構(gòu)迅速失效。檢測SCC的多面輪廓(穿透壁厚可能小至1 mm)，表征其形態(tài)、方向和尺寸對分析結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要。不銹鋼復合層中的應(yīng)力腐蝕裂紋外觀如圖10所示(圖中從左至右，3個裂紋壁厚方向的高度分別為0.12，0.45，3.13 mm)。碳鋼管防腐蝕堆焊層中應(yīng)力腐蝕裂紋外觀如圖11所示，其壁厚方向的高度約為1 mm。

圖10 不銹鋼復合層中的SCC外觀

圖11 碳鋼管防腐蝕堆焊層中應(yīng)力腐蝕裂紋外觀

4.3.1 檢測設(shè)置

被掃查表面的粗糙度應(yīng)不大于6.5 μm。檢測時需用典型試件的典型損傷作為基準，以得到最佳檢測結(jié)果。檢測各向異性、非均質(zhì)材料(如堆焊層)中的SCC時，必須要使用含人工損傷(如電火花加工線槽)或?qū)嶋H損傷的對比試樣。常用端角效應(yīng)法來檢測SCC，推薦成像方式為縱波成像或橫波成像。檢測各向同性或均質(zhì)材料時，靈敏度可高于基準線槽或裂紋端角回波波幅的6 dB。驗收水平需按項目標準確定。若用裂紋端部衍射信號測量裂紋高度，靈敏度應(yīng)高于基準線槽或裂紋端角回波波幅至少14 dB。

4.3.2 探頭選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)完整性分析，應(yīng)力腐蝕裂紋的尺寸可能很小，當其壁厚方向的高度小于1 mm時，推薦用檢測頻率為10 MHz，最少32陣元的探頭。

4.3.3 成像方式

采用雙全法檢測應(yīng)力腐蝕裂紋時，母材與焊縫采用側(cè)掃和頂掃皆可，兩種掃查方法均根據(jù)衍射信號對SCC進行測高。

4.3.4 成像結(jié)果

不銹鋼堆焊層SCC雙全法側(cè)掃和頂掃的成像結(jié)果如圖12,13所示。圖13對應(yīng)SCC的宏觀金相照片如圖14所示。

圖12 不銹鋼堆焊層SCC雙全法側(cè)掃成像結(jié)果

圖13 不銹鋼堆焊層SCC雙全法頂掃成像結(jié)果

圖14 圖12中SCC的宏觀金相照片

5 結(jié)語

(1) 相比傳統(tǒng)的相控陣超聲檢測方法，雙全法的成像結(jié)果具有更高的信噪比和圖像分辨率。

(2) 與傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，全聚焦法具有可隨處聚焦的優(yōu)勢，使缺陷顯示更接近實際形狀，有利于缺陷的定量檢測。

(3) 為檢測關(guān)注區(qū)內(nèi)的定向缺陷(面積型缺陷)和無向缺陷(體積型缺陷)，應(yīng)使用多種成像方式(包括端部衍射、反射、端角回波等)進行全聚焦法檢測，但需注意分辨?zhèn)稳毕荨?/p>

(4) ISO雙全法通則要求操作者評定網(wǎng)格分辨率，波幅穩(wěn)定度不大于2 dB。網(wǎng)格點間距小于λ/5時，可得穩(wěn)定波幅，滿足標準要求。

(5) 為減少需處理的信號數(shù)量，可采用半矩陣捕獲、稀疏矩陣捕獲、合成孔徑聚焦法捕獲、平面波入射法、虛擬聲源法、編碼激勵陣列法等取代全矩陣捕獲采集技術(shù)。多模式平面波成像技術(shù)屬于新興技術(shù)，該技術(shù)從幾個角度發(fā)射平面波，用所有陣元記錄反向散射信號，通過對關(guān)注區(qū)每個點的信號進行相干求和來實現(xiàn)聚焦。該技術(shù)可實現(xiàn)高質(zhì)量快速超聲成像，是雙全法成像檢測的又一新發(fā)展動向[2]。

(6) 雙全法可以有效檢測高溫氫蝕、多種氫致開裂損傷、應(yīng)力腐蝕裂紋類等危害性缺陷。