小徑薄壁管座角焊縫典型缺陷的超聲相控陣CIVA仿真研究

何慈武 楊萌萌 龍晉桓 韓 軍 陳志榮

1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，廈門，3610002.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中心，泉州，3620003.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州，310030

0 引言

電廠小徑薄壁管的管徑一般在32～89 mm之間，壁厚一般在4～14 mm之間[1]。目前小徑薄壁管座角焊縫是電廠例行檢驗(yàn)過程中常見的失效部位，由于管座焊接位置狹窄以及現(xiàn)場檢測條件惡劣[2]，管座角焊縫檢測極為困難，因而對(duì)管座角焊縫進(jìn)行無損檢測是保障電廠安全的重要工作之一。

超聲相控陣檢測是成熟的無損檢測技術(shù)，通過設(shè)置聚焦法則能靈活控制焦點(diǎn)位置，多角度掃查管座角焊縫區(qū)域[3]，常用于復(fù)雜工件焊縫內(nèi)部缺陷檢測。目前的研究主要集中在檢測工藝或探頭優(yōu)化，對(duì)深入研究超聲相控陣檢測復(fù)雜變曲率工件缺陷具有一定的局限性。

針對(duì)上述問題，本文基于CIVA軟件對(duì)小徑薄壁管座角焊縫建模仿真，首先通過聲場仿真驗(yàn)證超聲相控陣檢測技術(shù)可有效檢測焊縫內(nèi)部缺陷；其次對(duì)未熔合、未焊透、裂紋和夾渣4種典型缺陷在不同檢測位置曲率上進(jìn)行缺陷響應(yīng)，得到典型缺陷圖譜；最后分析因檢測位置曲率不同導(dǎo)致聲束反射到缺陷面上的聲壓幅值變化，并總結(jié)檢測位置曲率對(duì)缺陷成像的影響。

1 超聲相控陣技術(shù)

1.1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測技術(shù)基于惠更斯原理和赫姆霍茲聲壓積分原理[4]，通過控制換能器各陣元的激勵(lì)脈沖時(shí)間，按照延遲法則發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦[5]。相控陣聲束的發(fā)射與接收原理如圖1所示[6]。

圖1 超聲相控陣聲束的發(fā)射與接收原理圖[6]Fig.1 Principle diagram of transmitting and receivingultrasonic phased array sound beam[6]

1.2 相控陣聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)

相控陣探頭利用延遲法則控制聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)，根據(jù)各陣元到焦點(diǎn)的相對(duì)距離，精確計(jì)算每個(gè)陣元的激勵(lì)次序，使每個(gè)陣元激勵(lì)的球形波最大峰值在既定的聚焦點(diǎn)匯集，從而得到特定聲場[7]。延遲法則原理如圖2所示。

圖2 延遲法則原理圖Fig.2 Principle diagram of the law of delay

一維線性陣列相控陣探頭發(fā)射聲束的聚焦與偏轉(zhuǎn)如圖3所示。假設(shè)相控陣探頭有奇數(shù)個(gè)陣元，編號(hào)為n(n=1,2,…,N)，相控陣探頭發(fā)出的聲束偏轉(zhuǎn)延遲時(shí)間τd和聲束聚焦延遲時(shí)間τf共同組成陣元激勵(lì)時(shí)間τe。以第1個(gè)陣元為坐標(biāo)原點(diǎn)，第n個(gè)陣元相對(duì)第1個(gè)陣元的時(shí)間延遲τn1為

(1)

ΔS=dsinθ

(2)

式中，c為聲速；ΔS為相鄰兩個(gè)陣元間的波程差；d為兩個(gè)相鄰陣元間的距離；θ為聲束偏轉(zhuǎn)角度。

圖3 一維線性探頭的聲束偏轉(zhuǎn)與聚焦Fig.3 Deflection and focusing of the sound beam ofa one-dimensional linear probe

當(dāng)聲束在P點(diǎn)實(shí)現(xiàn)深度聚焦時(shí)，聚焦延遲時(shí)間τP為

(3)

式中，F(xiàn)為聚焦深度；t0為保證延遲時(shí)間為正的時(shí)間常數(shù)。

結(jié)合式(1)和式(3)，在聲場中任意一點(diǎn)P的偏轉(zhuǎn)和聚焦時(shí)間τ為

(4)

當(dāng)陣元個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，只需將n-1替換成n-0.5即可。

通過式(4)計(jì)算工件內(nèi)部聲場中任意一點(diǎn)聲束偏轉(zhuǎn)與聚焦的延遲時(shí)間，得到一維線性陣元探頭的空間響應(yīng)，有助于進(jìn)一步研究工件內(nèi)部的聲場問題。

2 CIVA建模及參數(shù)

CIVA軟件是專業(yè)的無損檢測仿真平臺(tái)，可用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化檢測工藝。超聲仿真部分利用延遲法則計(jì)算工件中的超聲波束，模擬聲束與缺陷的相互作用。借助CIVA軟件高精度仿真及圖像處理優(yōu)勢，提高在不同檢測位置曲率下的缺陷成像分辨率，有助于開展圖譜對(duì)比分析及聲壓幅值比變化的研究工作。

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

常見的管座角焊縫形式分為安放式和插入式兩種[8]。本文結(jié)合電廠實(shí)際檢測管道規(guī)格，建立與現(xiàn)場管座參數(shù)接近的安放式管座角焊縫模型。管道尺寸(外徑×壁厚)分別為母管φ600 mm×17.5 mm、接管φ27 mm×2.5 mm，焊縫坡高為10 mm，管道材料設(shè)置碳鋼，密度為7.8 g/cm3，縱波聲速vL=5900 m/s，橫波聲速vT=3230 m/s。

2.2 相控陣探頭參數(shù)設(shè)置

通過前期對(duì)焊縫的CIVA聲場仿真研究，確定一維線陣探頭置于小徑管模型的母管外表面滿足檢測要求，其中探頭參數(shù)為：陣元數(shù)N=32，中心頻率f=5 MHz，陣元中心間距p=0.6 mm，陣元間隙g=0.1 mm，主動(dòng)窗長度A=19.2 mm，從動(dòng)窗長度W=10 mm，帶寬為69%，楔塊類型為鋼中折射角55°橫波斜楔塊，材料為聚苯乙烯交聯(lián)樹脂，密度ρ=1.05 g/cm3，縱波聲速vL=2360 m/s，橫波聲速vT=1160 m/s。安放式管座角焊縫及相控陣探頭的CIVA仿真模型如圖4所示。

圖4 安放式管座角焊縫仿真模型Fig.4 Simulation model of the fillet weld of the placedpipe seat

2.3 延遲法則設(shè)置

仿真采用扇形掃查，設(shè)置掃查角度范圍為45°～75°，步進(jìn)長度為0.5°。由于焊縫的余高會(huì)造成探頭發(fā)出的聲束多次折射產(chǎn)生畸變和能量衰減[9]，故確定延遲法則對(duì)提高缺陷檢出率十分重要。目前相控陣技術(shù)無法利用一次橫波檢測焊縫近表面缺陷，且電廠小徑管排列緊密，不易實(shí)施一次波檢測技術(shù)。本文選擇二次波檢測方法，利用CIVA軟件對(duì)二次波進(jìn)行聲場計(jì)算，不考慮波形轉(zhuǎn)換，只計(jì)算橫波聲場。設(shè)置聚焦深度為34 mm，計(jì)算精度為0.3。二次波的聲場仿真圖像如圖5所示。

圖5 二次橫波的聲場仿真圖Fig.5 The sound field simulation diagram of thesecondary transverse wave

聲場的強(qiáng)弱代表相控陣檢測能量的大小，為確保后續(xù)的缺陷響應(yīng)效果好，對(duì)于待測管座角焊縫部位，要求聲場能量較高且集中[10]。由仿真結(jié)果可知，通過移動(dòng)探頭，發(fā)出的二次波聲束能量主要集中在焊縫內(nèi)部，滿足缺陷響應(yīng)仿真要求。

2.4 缺陷參數(shù)設(shè)置

本文基于CIVA軟件，在已搭建好的無缺陷管座角焊縫模型中，利用缺陷設(shè)置模塊，分別向焊縫中添加坡口未熔合、根部未焊透、裂紋及夾渣4種典型缺陷，將每種缺陷分別設(shè)置在0°、45°、90°的焊縫檢測位置，探究檢測位置曲率不同對(duì)缺陷響應(yīng)的結(jié)果影響。模型設(shè)置如圖6所示,其中δ為相控陣探頭在焊縫不同位置曲率下的角度。

(a)δ=0° (b)δ=45°

(c)δ=90° (d)檢測位置俯視圖圖6 不同位置曲率下的探頭檢測位置Fig.6 Probe detection position under different curvatures

考慮到實(shí)際檢測中缺陷成分復(fù)雜，與碳鋼相比，氧化鋁材料的超聲波衰減和聲阻抗均大于碳鋼，若以氧化鋁為缺陷材料進(jìn)行仿真出現(xiàn)了明顯缺陷波形和圖譜，則在實(shí)際檢測中，對(duì)碳鋼材料的管壁焊縫檢測更具有說服力，故缺陷材料選擇氧化鋁，密度為3.97 g/cm3，如圖7所示。具體缺陷參數(shù)見表1。

(a)坡口未熔合 (b)根部未焊透

(c)裂紋 (d)夾渣圖7 典型缺陷的模型設(shè)置Fig.7 Model settings for typical defects

表1 坡口未熔合缺陷參數(shù)變量設(shè)置

3 缺陷響應(yīng)結(jié)果分析

在實(shí)際檢測管座角焊縫缺陷過程中，改變探頭檢測位置曲率會(huì)造成聲程和聲壓往復(fù)透射率的不同，導(dǎo)致探頭在各個(gè)檢測位置曲率的靈敏度不同，所以在缺陷仿真中檢測位置曲率的聲束不僅要滿足覆蓋缺陷的要求，還應(yīng)滿足靈敏度的要求。本文保持楔塊前沿到缺陷中心的距離以及缺陷相對(duì)于坡口的深度不變，改變探頭在母管側(cè)的檢測位置以及缺陷在焊縫中的空間位置，分別記錄待測區(qū)域的聲壓幅值，以水平位置δ=0°的待測區(qū)聲壓為基準(zhǔn)，計(jì)算其他位置曲率下的待測區(qū)聲壓幅值下降率，便于進(jìn)一步分析成像結(jié)果和聲壓變化率。

3.1 坡口未熔合缺陷檢測仿真

為了與真實(shí)檢測環(huán)境更加貼近，使模型中的缺陷形狀等參數(shù)近似于現(xiàn)實(shí)中的焊縫缺陷，選擇CIVA軟件缺陷模塊中的矩形面狀缺陷，尺寸選擇(長×寬)2 mm×2 mm。將矩形缺陷放置于焊縫內(nèi)部，更改缺陷的空間位置，表現(xiàn)出未熔合缺陷位置方向的不確定性，楔塊前沿距離坡口邊緣約19.23 mm。仿真結(jié)果如圖8所示，其中A波圖像的Y軸表示信號(hào)幅值，單位為dB，X軸表示時(shí)間，單位為s。

由圖8可以看出，各檢測位置的缺陷回波信號(hào)較高，管座的坡口缺陷與焊縫根部端角信號(hào)明顯分開，焊縫端角反射信號(hào)也愈加強(qiáng)烈，這是因?yàn)樘筋^在0°、45°和90°檢測位置上發(fā)出的聲束與焊縫端角間的夾角逐漸增大。當(dāng)探頭處于δ=0°時(shí)，坡口未熔合缺陷朝向垂直于主聲束，在扇掃圖像中的辨識(shí)度明顯高于探頭處于其他位置曲率的缺陷圖像。未熔合待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可知，探頭處于δ=0°曲率位置的待測點(diǎn)聲壓幅值最高；在δ=90°曲率位置聲壓幅值最低，聲壓變化率最大。雖然相控陣探頭采用陣列設(shè)計(jì)可以有效解決曲面聲場發(fā)散問題，但由于楔塊在不同檢測位置曲率與母管的耦合度差別較大，在δ=90°曲率位置時(shí)探頭與母管的耦合度最低，導(dǎo)致聲壓幅值較小。在實(shí)際檢測中，可以通過調(diào)整楔塊大小和曲率，使其最大程度地貼合待測管壁，減少耦合度較低帶來的不利影響。

(a)δ=0°

(b)δ=45°

(c)δ=90°圖8 不同位置曲率的坡口未熔合缺陷仿真及A波圖像Fig.8 Simulation and A wave images of groove unfuseddefects with curvature at different positions

表2 未熔合待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率

3.2 根部未焊透缺陷檢測仿真

采用CIVA軟件缺陷模塊中的多面狀缺陷模擬現(xiàn)實(shí)中的未焊透缺陷，尺寸選擇(長×寬×面)1 mm×1 mm×3，將矩形缺陷放置焊縫底部，探頭楔塊前沿距離坡口邊緣約20.52 mm。仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，聲束對(duì)根部未焊透缺陷實(shí)現(xiàn)多角度覆蓋掃查，不同位置曲率上的缺陷回波信號(hào)較強(qiáng)。近聲場區(qū)域回波與缺陷回波信號(hào)明顯分開。由于焊縫坡高較小，在扇掃圖像中未焊透缺陷信號(hào)與端角信號(hào)區(qū)分明顯，故缺陷檢出率高。未焊透待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率如表3所示。

從表3中的數(shù)據(jù)可知，根部未焊透在δ=45°和δ=90°方向上的聲壓變化率大于同方向上的坡口未熔合缺陷聲壓變化率，說明在小徑薄壁管座角焊縫中未焊透缺陷對(duì)檢測位置曲率的敏感程度較高。由于根部未焊透是面狀方向性缺陷，所以檢測位置改變對(duì)聲束與缺陷垂直程度影響較大，在實(shí)際檢測中可以通過調(diào)整探頭相對(duì)于缺陷的直線距離，最大限度地保持聲束與缺陷垂直，提高未熔合缺陷的檢出率。

(a)δ=0°

(b)δ=45°

(c)δ=90°圖9 不同位置曲率的根部未焊透缺陷仿真及A波圖像Fig.9 Simulation and A wave images of rootincomplete penetration defects with curvatureat different positions

表3 未焊透待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率

3.3 裂紋缺陷檢測仿真

采用CIVA軟件缺陷模塊中的多面鋸齒形結(jié)構(gòu)模擬現(xiàn)實(shí)中的裂紋缺陷，模擬裂紋面尺寸(長×寬)3 mm×1 mm，鋸齒高度約為1 mm。實(shí)際現(xiàn)場檢測中，裂紋在小徑薄壁管座角焊縫根部、熔合線、焊縫中心等各個(gè)位置都可能出現(xiàn)，其中熔合線處最易發(fā)生裂紋延伸，故本次仿真將矩形缺陷放置在母管焊縫坡口熔合線，同時(shí)更改缺陷在不同檢測方向的位置，楔塊前沿距離坡口邊緣約19.38 mm。仿真結(jié)果如圖10所示。

(a)δ=0°

(b)δ=45°

(c)δ=90°圖10 不同位置曲率的裂紋缺陷仿真及A波圖像Fig.10 Simulation and A wave images of crack defectswith curvature at different positions

由圖10可以看出，坡口熔合線處的縱向裂紋缺陷回波信號(hào)明顯，裂紋上端點(diǎn)的衍射波信號(hào)回波幅值較低，下端回波波幅較高。隨著檢測位置曲率的改變，超聲波入射方向與裂紋上表面之間的夾角逐漸減小，表面回波幅值逐漸減弱。當(dāng)δ=0°時(shí)，裂紋表面反射回波幅值較大，裂紋長度和位置清晰可辨。裂紋待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率如表4所示。

表4 裂紋待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率

坡口縱向裂紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擴(kuò)展的方向具有不定向性，盡管聲束沒有很好的反射面，但仍能測出裂紋，缺陷圖像中裂紋形狀清晰。實(shí)際檢測中可以通過改變探頭相對(duì)于缺陷的中心角度，增大聲束反射面，降低由檢測位置曲率造成的裂紋表面回波幅值減弱的程度，同時(shí)提高裂紋傾角的檢出率，有助于進(jìn)一步分析裂紋走向。

3.4 夾渣缺陷檢測仿真

采用CIVA軟件含有的缺陷模塊中的圓柱體狀缺陷來模擬現(xiàn)實(shí)中的夾渣缺陷，尺寸選擇(直徑×高)0.5 mm×5 mm，將圓柱體缺陷放置在焊縫中部，楔塊前沿距離坡口邊緣約19.57 mm，仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，夾渣缺陷分層明顯，由于夾渣模型由圓柱體狀模型搭建，故聲束會(huì)穿透兩層模型表面。當(dāng)穿透第一層柱狀表面時(shí)聲束能量最強(qiáng)，缺陷信號(hào)顯著，聲束透射到第二層柱狀表面時(shí)，由于聲能衰減，造成缺陷信號(hào)減弱，故夾渣缺陷圖像中存在兩個(gè)缺陷回波。待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率如表5所示。

(a)δ=0°

(b)δ=45°

(c)δ=90°圖11 不同位置曲率的夾渣缺陷仿真及A波圖像Fig.11 Simulation and A wave images of inclusiondefects with curvature at different positions

表5 夾渣待測點(diǎn)的聲壓幅值變化率

由表5可知，檢測位置曲率改變對(duì)夾渣缺陷仿真結(jié)果影響較大，隨著檢測方向由δ=0°變?yōu)棣?90°，缺陷回波信號(hào)逐漸減弱，待測區(qū)聲壓也逐漸降低。由于夾渣自身柱狀體特征，圖像中衍射信號(hào)較強(qiáng)，回波信號(hào)特征明顯。在實(shí)際檢測中，可對(duì)夾渣缺陷進(jìn)行環(huán)形扇掃，從不同角度檢測，使夾渣更易在圖像中分辨和檢出。

3.5 仿真結(jié)果綜合分析

通過在管座角焊縫的不同曲率位置上對(duì)坡口未熔合、根部未焊透、裂紋及夾渣4種典型缺陷進(jìn)行CIVA仿真，獲得δ分別為0°、45°和90°曲率位置下的缺陷響應(yīng)仿真圖譜。仿真結(jié)果表明，隨著檢測位置曲率的增大，相控陣探頭發(fā)出的聲束與缺陷之間的夾角逐漸減小，導(dǎo)致缺陷回波幅值降低，聲壓變化率逐漸增大，故在實(shí)際現(xiàn)場中檢測不同曲率位置下的管座角焊縫缺陷時(shí)，最大程度地保證探頭與管壁的耦合度，通過調(diào)整聲束發(fā)射角度，改變楔塊的大小、形狀，校正探頭與待測焊縫的直線距離等方法，彌補(bǔ)曲率變化給缺陷檢測帶來的不利影響，保證檢測的靈敏度和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 模擬試塊及焊縫缺陷設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證本文提出的工藝方案對(duì)安放式管座角焊縫的聲束全覆蓋以及缺陷檢出能力，設(shè)計(jì)并加工出與被檢工件在材質(zhì)、幾何尺寸、坡口形式和焊接工藝等方面相同的模擬試塊，并在不同曲率位置的焊縫中添加根部未焊透、坡口未熔合、裂紋、夾渣4種典型缺陷，缺陷形狀及尺寸等參數(shù)與仿真參數(shù)相似。模擬試塊如圖12所示。人工缺陷參數(shù)如表6所示。模擬試塊焊縫缺陷的射線檢測如圖13所示。

(a)模擬試塊結(jié)構(gòu)示意圖

(b)模擬試塊實(shí)物圖圖12 模擬試塊Fig.12 The simulated test block

表6 人工缺陷參數(shù)

注:檢測位置角度表示以結(jié)構(gòu)圖左側(cè)水平位置為零點(diǎn)，按順時(shí)針角度計(jì)量。

4.2 焊縫缺陷超聲相控陣檢測

實(shí)驗(yàn)采用Multi-2000超聲相控陣檢測系統(tǒng)以及OLYMPUS 5L32-19X10-A11-P-2.5-HY相控陣探頭，實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置探頭偏轉(zhuǎn)角度為45°～75°。耦合劑選用Ultragel Ⅱ(無硅型) 耦合劑，檢測前打磨待測焊縫周圍區(qū)域，使其表面粗糙度降至6.3 μm以下。檢測平臺(tái)如圖14所示。

(a)未熔合 (b)未焊透

(c)裂紋 (d)夾渣圖13 模擬試塊焊縫缺陷的射線檢測圖Fig.13 Radiographic inspection of weld defects insimulated test block

圖14 超聲相控陣檢測平臺(tái)Fig.14 Ultrasonic phased array detection platform

將相控陣探頭放置在焊縫區(qū)域周圍，針對(duì)不同曲率位置的焊縫缺陷進(jìn)行扇形掃查，發(fā)現(xiàn)4處缺陷回波信號(hào)，獲得缺陷圖譜如圖15所示。由圖15可以看出，采用二次橫波扇形掃查，實(shí)現(xiàn)聲束對(duì)模擬試塊中的缺陷進(jìn)行全覆蓋檢測，具有較高的檢測靈敏度，證明了所選的超聲相控陣探頭參數(shù)符合檢測要求，且不同曲率位置的扇掃圖像中各缺陷圖像與對(duì)應(yīng)的仿真缺陷圖譜相似度高，在分析A波信號(hào)圖中應(yīng)注意區(qū)分結(jié)構(gòu)回波和缺陷波。相控陣探頭檢出的缺陷參數(shù)如表7所示，檢測結(jié)果與射線檢測結(jié)果十分接近，可準(zhǔn)確檢出模擬試塊中的缺陷。相較于射線檢測，超聲相控陣檢測圖像更加直觀清晰，能實(shí)現(xiàn)缺陷在不同曲率位置下的定位和定量，為復(fù)雜變曲率工件的檢測提供了參考。

表7 相控陣探頭檢出的缺陷參數(shù)

(a)1號(hào)坡口未熔合缺陷

(b)2號(hào)根部未焊透缺陷

(c)3號(hào)裂紋缺陷

(d)4號(hào)夾渣缺陷圖15 不同曲率位置下的缺陷及A波信號(hào)圖Fig.15 Defects and A wave signals at differentcurvature positions

5 結(jié)語

小徑薄壁管座角焊縫超聲檢測易受檢測位置曲率變化影響，干擾焊縫內(nèi)部缺陷的檢出，因此采用CIVA軟件對(duì)安放式小徑薄壁管座角焊縫模型進(jìn)行超聲相控陣二次橫波聲場仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷的全覆蓋檢測。同時(shí)對(duì)4種典型缺陷在不同檢測位置曲率上進(jìn)行缺陷響應(yīng)，得到典型缺陷特征圖譜，為檢測人員在不同曲率位置下快速定性缺陷提供了參考。分析了檢測位置曲率不同對(duì)缺陷成像結(jié)果和聲壓幅值變化造成的影響，總結(jié)了其變化規(guī)律。最后通過實(shí)驗(yàn)證明所選探頭參數(shù)可有效檢出模擬試塊中的缺陷，為進(jìn)一步提高缺陷定性定量的準(zhǔn)確率、改進(jìn)復(fù)雜變曲率工件的超聲相控陣檢測工藝提供了新思路。