基于超聲檢測的室溫硫化硅橡膠涂層內部微小缺陷識別方法研究

趙宣翔，楊 昊，曹 雯,2，李亞偉，張昊天，范華峰

(1.西安工程大學電子信息學院，陜西 西安 710048；2.西北工業(yè)大學機電學院，陜西 西安 710072；3.西南民族大學電氣工程學院，四川 成都 610041)

1 引言

涂覆室溫硫化硅橡膠(Room Temperature Vu-lcanized silicone rubber,RTV)防污閃涂料是提高設備外絕緣水平的重要手段之一，由于硅橡膠材料具有優(yōu)良的憎水性和憎水遷移性，能夠有效提高電力系統(tǒng)外絕緣耐污性能[1-3]。但由于現(xiàn)場施工不規(guī)范以及老化等因素會導致涂層內部出現(xiàn)氣泡、裂紋等缺陷，這些微小缺陷最終會導致涂層脫粘，嚴重影響設備外絕緣水平，威脅電力系統(tǒng)安全運行。

適用于內部缺陷的無損檢測方法有紅外、射線、磁粉、渦流及滲透檢測等，相比于這些傳統(tǒng)的檢測方法，超聲波檢測具有較強的穿透能力、較高的檢測精度、適用于非金屬基底上涂層檢測、不會對樣品產生損傷以及使用便捷等特點，在電力行業(yè)應用的潛力不斷增大[4,5]。為了準確利用超聲無損檢測技術識別缺陷，有必要研究不同類型缺陷對超聲回波幅值的影響規(guī)律，解決在設備維護時判斷涂層缺陷的標準不明確問題。

目前在超聲波檢測材料內部缺陷聲場分布計算方法的研究方面，H.Suyun等人使用有限元模擬利用超聲表面波背散射測量來表征混凝土中相對較小的分布缺陷(微裂紋網絡)體積含量的可行性[6]。V.Memmolo等人通過數(shù)值模擬預測了蘭姆波在石墨/環(huán)氧復合材料板中的傳播速度,解決了涉及有限尺寸均勻或層合板的靜態(tài)和動態(tài)載荷以及有限厚度復合材料中的聲波傳播問題[7]。范東亮等人應用ANSYS軟件計算有限元數(shù)字模型，確定超聲檢測過程仿真的聲傳播過程，分析了各種回波的接收時間，得到聲壓幅值圖像，證明了采用超聲檢測評估焊縫缺陷大小和位置的有效性[8]。丁輝等人建立了聲場半解析法計算模型，分析了超聲場與不同類型缺陷相互作用、探頭的發(fā)射聲場及聲場在多層介質中的傳播過程[9]。

上述超聲檢測內部缺陷的研究多應用于聲衰減系數(shù)較小且較厚的材料，但在聲衰減較高且薄的RTV涂層中超聲傳播特性并不明確，電力行業(yè)標準DL/T 5727—2016中規(guī)定硅橡膠防污閃涂料厚度不小于0.3 mm[10]。唐銘駿等人研究表明RTV涂層厚度為0.6 mm時能有效避免涂層老化導致的氣泡裂紋缺陷[11]。因此有必要研究超聲波在RTV薄涂層含有內部微小缺陷時的傳播過程。

本文首先建立了含有典型缺陷的RTV涂層模型并進行聲場仿真計算，分析了超聲波在含有缺陷的RTV涂層中的傳播規(guī)律、聲場分布以及探頭中心頻率對超聲檢測靈敏度的影響，最后通過對制作的氣泡、裂紋缺陷樣品進行超聲A波檢測試驗，研究了兩種典型缺陷下的聲場回波幅值特性。

2 缺陷超聲檢測有限元模型及試驗方法

2.1 微小缺陷超聲檢測模型及有限元分析

樣品形狀及缺陷的構建，根據(jù)實際中涂層的厚度與超聲檢測方法，將仿真模型簡化為二維截面模型，設置涂層樣品的厚度為0.6 mm，采用探頭與涂層間涂抹耦合劑的檢測方法搭建仿真模型，并設置圖1所示長軸為0.2 mm的模擬氣泡缺陷。

圖1 仿真模型及缺陷設置圖Fig.1 Simulation model and defect setting diagram

仿真分析所選用材料為RTV-560，材料屬性參數(shù)見表1。

表1 硅橡膠材料屬性Tab.1 Silicone rubber material properties

對于室溫硫化硅橡膠，彈性力有使擾動引起的形變恢復到無形變狀態(tài)的能力，形成波動，彈性是固體中能形成波動的主要原因[12-16]。因此本模型使用速度-應變公式求解一般線性彈性材料的控制方程：

(1)

(2)

(3)

式中，v為速度；ρ為材料密度；S為應力張量；E為楊氏模量；T為時間導數(shù)；C為彈性張量；Fv為體積力。為避免來自表面邊界反射影響結果的準確性以及大計算域，針對涂層模型中波傳播的瞬態(tài)研究，在各向同性無限大的固體中[17]，縱波傳播速度如下式所示：

(4)

式中，vp為固體中縱波的傳播速度，m/s；σ為泊松比。橫波在固體中傳播的速度可以表示為：

(5)

式中，μ為切變彈性系數(shù)；vs為橫波傳播速度，橫波又稱為切變波或旋轉波，橫波在固體中傳播時不引起體積變化[18]。

2.2 涂層內部微小缺陷超聲檢測方法

為實現(xiàn)RTV涂層內部微小缺陷的超聲檢測，本試驗采用超聲檢測裝置基本結構如圖2所示。

圖2 超聲檢測裝置Fig.2 Ultrasonic testing device

檢測裝置主要包括WX3900數(shù)字式超聲波探傷儀，Olympus V382探頭以及移動探頭準確定位的控制裝置。探傷儀采集的波形回傳到計算機處理得到幅頻信號用于后續(xù)缺陷種類評估。本次試驗采用頻率為10 MHz脈沖聚焦探頭對預制的缺陷RTV涂層樣品進行檢測。圖3所示涂層試樣在制作時通過置入直徑為0.2 mm玻璃微珠與直徑為0.2 mm長10 mm銅絲來模擬硅橡膠涂層中的氣泡、裂紋缺陷。

圖3 氣泡裂紋缺陷樣品Fig.3 Bubble and crack defect samples

3 超聲波傳播過程分析

為明確超聲波在聲衰減較高且較薄的RTV涂層中傳播過程，使聲波在介質中的傳播可視化，利用有限元仿真模擬超聲波的傳播路徑，可以進一步分析超聲波在接觸到缺陷時產生的波形變化。

3.1 氣泡缺陷下超聲聲場分布分析

本文使用的是縱波直探頭，縱波速度快、穿透力強，尤其適用于硅橡膠這種聲衰減大的材料。當縱波遇到不同形狀缺陷時會在其表面產生各個方向的反射波和折射波進而引起波形的轉換。在單一介質中，聲波的傳播只受介質本身聲衰減影響，而在多種介質中，由于材料屬性的差異導致超聲波在介質交互處產生反射波。由于氣泡與裂紋缺陷形狀的不同，聲波在缺陷邊界處的反射模式與傳播方向也不同，因此開展這兩種典型缺陷下的聲場分布研究。

圖4為4個重要時刻的聲波在含有氣泡缺陷的薄涂層中的傳播示意圖。圖4(a)中超聲縱波剛接觸到氣泡缺陷上表面，并導致缺陷上表面處聲壓增大即將產生反射波。圖4(b)縱波圍繞缺陷繼續(xù)向下傳播，同時產生的反射波與入射的第二層縱波相抵，根據(jù)聲波反射定律缺陷回波沿著缺陷外圍向四周產生波動。圖4(c)中，因為空氣聲阻抗遠小于RTV的聲阻抗，入射縱波在缺陷表面發(fā)生全反射，產生明顯的缺陷回波。觀察圖4(d)，入射縱波完全通過氣泡缺陷，直至到達涂層底部，并在缺陷外壁出現(xiàn)模式轉換后的缺陷回波p與反射橫波s。

圖4 超聲波在氣泡缺陷構件模型中不同時刻的聲場圖Fig.4 Acoustic field diagrams at different moments of ultrasonic wave in bubble defect component mode

3.2 裂紋缺陷下超聲聲場分布分析

圖5為不同時刻聲波在含有裂紋缺陷的薄涂層中的傳播示意圖。圖5(a)中超聲縱波接觸到裂紋缺陷的上沿，裂紋上表面處聲壓立即增大將產生反射波。圖5(b)縱波沿著裂紋缺陷繼續(xù)向下傳播，直至包裹住整個裂紋缺陷，同時沿著缺陷外表面將產生各個方向的反射波。圖5(c)中，因為缺陷聲阻抗遠小于RTV的聲阻抗，入射縱波在缺陷表面發(fā)生全反射，產生裂紋缺陷回波p以及反射橫波s，此時入射縱波同時到達涂層底部。圖5(d)中，缺陷回波與底部回波相隔0.6 μs繼續(xù)向上傳播直至被探頭接收產生完整的始波、缺陷回波以及底部回波。

圖5 超聲波在裂紋缺陷構件模型中不同時刻的聲場圖Fig.5 Acoustic field diagrams at different moments of ultrasonic wave in crack defect component mode

通過設置缺陷類型、位置、尺寸以及超聲探頭的頻率等，驗證了本模型對硅橡膠涂層內部不同類型微小缺陷檢測的適應性，明確了超聲波在高聲衰減薄硅橡膠涂層中的傳播過程，為解決目前超聲波檢測只應用于尺寸較大且介質衰減較小的材料、提高超聲檢測硅橡膠內部微小缺陷靈敏度及探頭最優(yōu)頻率的選擇奠定基礎。

4 檢測靈敏度及試驗結果分析

在明確超聲波在含缺陷高聲衰減的硅橡膠涂層中的傳播過程后，需要對檢測靈敏度的影響因素以及不同缺陷對超聲回波幅值的影響進一步分析。

4.1 探頭中心頻率對檢測靈敏度的影響

超聲波在室溫硫化硅橡膠固體絕緣材料中的傳播相比于在金屬材料中的傳播有很大的聲衰減，因此超聲探頭的中心頻率選擇是實際檢測提高靈敏度的一項重要參數(shù)。圖6為探頭在不同中心頻率下對厚0.6 mm涂層中深度為0.3 mm、長軸為0.2 mm圓形模擬氣泡缺陷的仿真幅頻特性圖。圖6 (a)中包含四種特征波形，分別為初始波、缺陷回波、底部回波與干擾雜波，其中能夠清楚分辨出初始波與底部回波，但在6 MHz頻率下缺陷回波與底部回波部分夾雜不易區(qū)分，由于超聲波在耦合劑與多層介質之間傳播疊加產生大量的干擾雜波，不利于對特征波形參數(shù)的提取識別。為了減少干擾雜波對回波信號的干擾，提高探頭的中心頻率，如圖6(b)所示，隨著探頭中心頻率的不斷增大，檢測的靈敏度越高，出現(xiàn)完整的初始波、缺陷回波與底部回波，通過計算初始波與缺陷回波或底部回波的時間差，結合設置的超聲聲速參數(shù)可通過式(6)計算出對應的距離，得到缺陷的相對位置特征數(shù)據(jù)與涂層的厚度。如圖6(c)所示，當探頭中心頻率增大至12 MHz時特征波形不再完整，這是由于檢測靈敏度與探頭的頻率成正比，聲衰減也正比于探頭頻率，因此并不是探頭頻率越高越好。針對高聲衰減的RTV涂層需要對高分辨率與低聲衰減綜合考慮，在缺陷檢測中，探頭尺寸的選擇也尤為重要。隨著探頭晶片尺寸增加，半擴散角減少，波束指向性變好，超聲波能量大且集中，掃查范圍更廣，適合大面積高效率掃查[19]。本文為提高微小缺陷的定位定量檢測精度，采用的換能器晶片尺寸小、脈沖寬度小，以提高微小缺陷的縱向分辨能力以及信噪比。該仿真模型具有足夠分辨力能夠檢測出長軸為0.01 mm氣泡缺陷以及適用于涂層中不同形態(tài)的裂紋缺陷檢測，能夠對RTV涂層中的微小缺陷進行分辨。

圖6 不同頻率探頭對缺陷的分辨能力Fig.6 Different frequency probes’ ability to distinguish defects

(6)

式中，d為缺陷所處深度或涂層厚度；t為缺陷回波或底面回波到達的時刻；t1為初始波的時間。

通過計算各特征波形的時間差，結合超聲聲速換算成對應的距離，可以得到缺陷所處深度與涂層厚度，能夠對缺陷進行定性檢測，但對缺陷的形貌以及缺陷類型還不能進行準確地識別，因此需要對多種形態(tài)下微小缺陷對回波幅值的影響進行進一步探究。

4.2 檢測角度對超聲回波幅值的影響

根據(jù)聲波的反射規(guī)律，探頭和缺陷界面的角度不同，探頭接收到的反射回波量不同，因此缺陷回波幅值也不同，而在實際檢測中最關心的就是用以判定缺陷的缺陷回波幅值特征參數(shù)。因此本文設置了5組長軸尺寸為0.05 mm、0.08 mm、0.1 mm、0.15 mm與0.2 mm圓形模擬氣泡缺陷，圖7所示為不同類型缺陷設置示意圖，短長軸比分別設置為1、0.6、0.2、0.05，當短長軸比為1時缺陷為圓形，回波幅值對檢測角度的改變不敏感，因此只需研究一種檢測角度下的回波幅值。圖7(b)中當短軸a與長軸b之比為0.2時缺陷已近似為裂紋缺陷。再分別對每組短長軸比的缺陷設置0°～90°的檢測角度來進一步探究缺陷的短長軸比、檢測角度與回波幅值的關系。

圖7 多類型缺陷設置示意圖Fig.7 Schematic diagram of setting up multiple types of defects

圖8為具有一定角度的缺陷反射回波聲路示意圖，當縱波垂直入射到缺陷表面時，由于缺陷表面與入射波存在一定的夾角，大部分能量反射出探頭，只有一小部分能量反射被探頭接收，導致缺陷回波幅值減小，因此可根據(jù)缺陷回波的幅值來作為判別缺陷形態(tài)的依據(jù)[20]。

圖8 缺陷反射波路徑示意圖Fig.8 Schematic diagram of defect reflected wave path

4.3 基于超聲幅值特征的氣泡與裂紋缺陷識別

由于檢測角度存在對稱性，缺陷于90°與120°時的回波幅值具有一致性，因此只檢測0°～90°范圍內缺陷的回波幅值再根據(jù)對稱性拓展檢測角度至180°，數(shù)據(jù)處理分析如下。

如圖9所示，隨著缺陷尺寸的增大，無論缺陷呈何種形態(tài)其回波幅值整體增大，這是由于隨著缺陷尺寸增大探頭接收到反射的超聲回波越多。如圖9(a)所示，長軸為0.05 mm的缺陷在檢測角度0°～90°范圍內不同形態(tài)缺陷回波幅值總體呈下降趨勢，由于短長軸比不同其下降的速率也不同。這是由于裂紋類缺陷延展方向具有不確定性，且對檢測角度較敏感，因此探頭處在不同方位探測時，其缺陷回波幅值有較大差異。當縱波直探頭入射波垂直于缺陷時，探頭反射接收的缺陷回波越多且峰值最高；而當缺陷延展方向與入射波方向一致時，測得的缺陷回波幅值最低，甚至無缺陷回波，這是由于大部分的超聲信號向不同方向散射出去，探頭接收只有很小一部分。而對于球形氣泡缺陷回波幅值不受檢測角度的影響，因此呈一條直線趨勢。由圖9(a)～圖9(e)對比可知在0°～30°之間，檢測角度變化對氣泡缺陷回波幅值影響較小，而對裂紋缺陷的回波幅值影響非常顯著，可通過稍改變檢測角度，根據(jù)聲波幅值變化特征來識別缺陷類型。

圖9 檢測角度對不同尺寸缺陷回波幅值的影響Fig.9 Influence of inspection angle on echo amplitude of different size defects

4.4 基于超聲幅值特征的缺陷檢測試驗

分別對兩種樣品進行檢測試驗，使用探頭中心頻率10 MHz可以檢測出涂層中直徑為0.2 mm的氣泡與裂紋缺陷。結果如圖10所示，整體波形包括初始波、缺陷回波、底部回波、界面回波及雜波。圖10(a)在樣品正常區(qū)域由于較高的聲衰減以及噪聲的干擾，導致檢測波形雜波多不易分辨，在檢測中可通過加強耦合來減少聲能外散降低噪音以提高分辨率。圖10(b)在氣泡缺陷區(qū)域，通過采用與硅橡膠聲阻抗相似的耦合劑，充分耦合10 MHz縱波直探頭與待檢樣品，能夠檢測出硅橡膠涂層中的氣泡缺陷，缺陷回波有較明顯的增幅，但是由于涂層較薄衰減大且在界面交接處發(fā)生多次回波重疊，產生多次界面回波，干擾了對缺陷回波信息的識別和提取。圖10(c)對裂紋區(qū)域的檢測，相比同內徑的氣泡缺陷，由于裂紋延展方向垂直于超聲縱波，反射面積比氣泡缺陷大，可看作多個氣泡缺陷線狀相連，因此裂紋缺陷的回波幅值大于氣泡缺陷。

圖10 氣泡與裂紋缺陷超聲回波Fig.10 Ultrasonic echoes of bubble and crack defects

4.5 氣泡缺陷與裂紋缺陷的分界

由圖9可知在0°～90°內氣泡缺陷與裂紋缺陷回波幅值變化差異較大，且在短長軸0.2與0.6區(qū)間缺陷回波幅值發(fā)生了陡減，說明在短長軸0.2與0.6區(qū)間內氣泡缺陷一定程度上轉換為裂紋缺陷，因此為探究氣泡缺陷與裂紋缺陷之間的分界點，用界定系數(shù)G來表示不同類型缺陷在0°～90°范圍內檢測角與聲壓增量(Δpressure)之間的關系，來定義氣泡缺陷與裂紋缺陷的分界點：

(7)

圖11為不同尺寸缺陷的短長軸比與界定系數(shù)之間斜率關系，當缺陷尺寸一定時，缺陷短長軸比由1開始逐漸減小，氣泡缺陷逐漸轉變?yōu)榱鸭y缺陷，且在短長軸比0.2～0.4之間發(fā)生狀態(tài)轉換，這為進一步區(qū)分氣泡缺陷與裂紋缺陷提供方法。根據(jù)界定系數(shù)G的大小，可大致分為兩個區(qū)間，虛線左邊為裂紋缺陷區(qū)，虛線右邊為氣泡缺陷區(qū)，分界點在短長軸之比0.2～0.4之間。隨著缺陷尺寸的增大，整體回波幅值增大，在0°～90°檢測角度范圍內其界定系數(shù)G越大。隨著短長軸比越來越大缺陷越趨近于氣泡，缺陷回波幅值對短長軸比變化敏感度降低，曲線在短長軸比為1附近趨近于水平。

圖11 缺陷短長軸比與界定系數(shù)的變化關系圖Fig.11 Relationship between defect short-long axis ratio and G

5 結論

本文搭建了超聲檢測室溫硫化硅橡膠涂層內部微小缺陷的仿真模型，并通過試驗進行了初步驗證，研究結果表明：

(1)本模型適用于硅橡膠涂層內部多形態(tài)微小缺陷的檢測，明確了超聲波在含有多種類型缺陷的高聲衰減且薄的硅橡膠材料中的傳播過程，為實際檢測時對超聲參數(shù)設置、波形的分析提供了參考。

(2)探頭中心頻率與檢測靈敏度呈正比，與聲衰減呈反比，對于室溫硫化硅橡膠絕緣材料，同時考慮檢測靈敏度與聲衰減選擇探頭最優(yōu)中心頻率為10 MHz。

(3)裂紋缺陷相比于氣泡缺陷受檢測角度影響較大，采用小角度檢測法通過改變探頭檢測角度，觀察回波幅值變化可區(qū)分氣泡與裂紋缺陷。

(4)定義了氣泡缺陷與裂紋缺陷的分界點，當缺陷尺寸一定時，氣泡缺陷在短長軸比0.2～0.4之間發(fā)生狀態(tài)轉化，變?yōu)閷z測角度敏感的裂紋缺陷。

本研究后續(xù)將細化超聲檢測室溫硫化硅橡膠涂層內部微小缺陷試驗過程，提高檢測精度，在此基礎上尋求對微小缺陷進行定量化評估的方法。