基于柔性相控陣的插入式管座角焊縫CIVA仿真

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 寧波 315048)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、壓力容器、石化工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的重要組成部分[1]。插入式管座角焊縫是壓力容器上的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，為連接壓力容器與外圍壓力管道的重要組成部分，且數(shù)量龐大，其焊接質(zhì)量常難以控制。目前，插入式管座角焊縫的檢測(cè)多采用常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，但該技術(shù)受壁厚和曲率的影響較大，特別是在探頭伸入接管內(nèi)壁進(jìn)行斜入射掃查時(shí)，干擾波和缺陷波易混淆而導(dǎo)致缺陷信號(hào)識(shí)別難，反射點(diǎn)曲率的變化會(huì)給缺陷定位帶來(lái)困難，且缺陷記錄由檢測(cè)人員控制，漏檢與誤檢時(shí)有發(fā)生[2]。傳統(tǒng)的相控陣檢測(cè)方法，主要從管座角焊縫外部進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法多用斜探頭在殼體和管子上做相控陣扇掃檢測(cè)以及利用剛性相控陣探頭深入管子內(nèi)壁做線(xiàn)陣列掃查。但在內(nèi)壁做線(xiàn)陣列掃查時(shí)需要設(shè)置凸形楔塊,與管內(nèi)表面進(jìn)行耦合并且需要手工移動(dòng)探頭[3]。該方法有兩大缺點(diǎn)，一是插入式接管的規(guī)格繁多，需要多種凸形楔塊與凹面進(jìn)行匹配；二是手工掃查效率低，難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模的檢測(cè)需求。

將柔性相控陣探頭通過(guò)水套直接貼合在插入式接管內(nèi)壁進(jìn)行掃查的方法，可以克服上述常規(guī)超聲檢測(cè)以及剛性相控陣檢測(cè)方法的不足。因此，筆者提出了可變曲率的柔性相控陣探頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性相控陣探頭結(jié)構(gòu)示意

柔性相控陣探頭由探頭成形夾具定位彎曲成凸陣探頭，不同曲率的管子由相應(yīng)曲率的夾具來(lái)完成探頭的彎曲。其目的是為了使柔性探頭彎曲的圓弧面和管子的圓弧面成為同心圓，從而使周向電子線(xiàn)掃查時(shí)，焦點(diǎn)始終落在角焊縫的外側(cè)。此外，考慮到柔性相控陣探頭盲區(qū)的影響，以及對(duì)探頭磨損的保護(hù)，加工時(shí)在探頭前部安裝一個(gè)水套，水套內(nèi)部充滿(mǎn)水，使探頭完全浸在水中。該設(shè)計(jì)既克服了其他外部無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不足，又解決了常規(guī)柔性相控陣檢測(cè)薄壁管的盲區(qū)控制問(wèn)題。

綜上所述，筆者提出了一種可變曲率的凸面柔性相控陣超聲檢測(cè)方法，利用CIVA軟件建立插入式管座角焊縫的相控陣模型并仿真聲束的聚焦性能，從而得到了一組較理想的相控陣設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)聲場(chǎng)仿真所得參數(shù)進(jìn)行缺陷響應(yīng)研究，為試塊、人工缺陷設(shè)計(jì)以及探頭激發(fā)參數(shù)的選擇提供了重要的理論支撐。以此為理論依據(jù)，研制了插入式管座角焊縫專(zhuān)用相控陣探頭，對(duì)角焊縫進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，成功地檢測(cè)出氣孔、未焊透等缺陷，有望應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

1 柔性相控陣水鋼界面波束聚焦模型

相控陣延時(shí)時(shí)間計(jì)算模型如圖2所示，在平面坐標(biāo)系xOy中，直線(xiàn)r1,r2,…,rm為超聲波在鋼中的傳播路徑，直線(xiàn)l1,l2,…,lm為超聲波在水中的傳播路徑。設(shè)A(x,y)為聚焦點(diǎn)(回波聲源)坐標(biāo)位置，C(xm,ym)為第m號(hào)陣元的坐標(biāo)，B(m,m)為水鋼界面上的第m號(hào)陣元的聲波折射點(diǎn)坐標(biāo)。O(x0,y0)為參考點(diǎn)，D(0,0)為聚焦點(diǎn)到水鋼界面的最短距離所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，α,β為第m號(hào)陣元接收的由鋼界面入射到耦合劑時(shí)的入射角與反射角，c1為超聲波縱波在鋼中的傳播速度，c2為超聲波在水中的傳播速度，r0為鋼中超聲傳播的最短距離，l0為耦合劑中超聲傳播的最短距離，由此求得第m號(hào)陣元的延時(shí)時(shí)間τm。

圖2 相控陣延時(shí)時(shí)間計(jì)算模型

由于文中采用聲束不偏轉(zhuǎn)聚焦的方法，故位于參考點(diǎn)兩邊的相控陣列陣元信號(hào)的延時(shí)量相等，即：τ1=τ-1，τ2=τ-2，…，τm=τ-m。因此，僅需要計(jì)算右邊陣元的信號(hào)延時(shí)量。

以O(shè)為參考點(diǎn)，則第m陣元的信號(hào)延時(shí)量為

超聲波經(jīng)界面折射，由折射率公式可得

sinα/sinβ=c1/c2

(2)

超聲波在鋼中傳播的距離AB為

(3)

超聲波在水中傳播的距離BC為

(4)

由于AD、OD、c1、c2已知，當(dāng)m確定時(shí)，利用計(jì)算機(jī)建模求解可得到A、B、C、D的坐標(biāo)，代入式(1)可得第m陣元的延時(shí)值τm。

記激發(fā)陣元個(gè)數(shù)為M，第m陣元接收信號(hào)為ym(t)(t為時(shí)間)，則超聲相控陣波束形成輸出為

Mu：Let me help you，Lao Yang.You have a good girl.You can change her for the debts.

(5)

2 聲場(chǎng)仿真

承壓設(shè)備中的插入式接管規(guī)格眾多，具體規(guī)格可以參考國(guó)家石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3405-2012《石油化工鋼管尺寸系列》。因此，筆者開(kāi)發(fā)了一種可變曲率的柔性相控陣探頭，可以根據(jù)探頭成形夾具，設(shè)置不同的彎曲半徑，匹配各種規(guī)格的插入式接管。目前，厚度為10～20 mm，管徑DN100～300之間的插入式接管在我國(guó)承壓設(shè)備領(lǐng)域中使用廣泛。仿真對(duì)象應(yīng)盡量選擇規(guī)格常見(jiàn)的，檢測(cè)難度較高的接管規(guī)格?？紤]到薄壁小徑管的檢測(cè)難度較大，但管徑過(guò)小的小徑管不適合用內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。綜合考慮，筆者選取φ168 mm×10 mm(外徑×壁厚，下同)的插入式管座角焊縫的檢測(cè)模型為仿真對(duì)象。

利用CIVA軟件仿真不同參數(shù)下的相控陣聲場(chǎng)聚焦效果，包括激發(fā)陣元個(gè)數(shù)(n)、陣元尺寸(a)、陣元間距(d)、信號(hào)中心頻率(f)等。聚焦效果主要體現(xiàn)在焦點(diǎn)尺寸和聲場(chǎng)覆蓋范圍上。一般焦點(diǎn)尺寸越小，聲場(chǎng)更加匯聚，焦點(diǎn)處的聲壓幅值越高，但聲場(chǎng)覆蓋范圍也會(huì)因此減小。所以，設(shè)計(jì)的原則是在保證聲場(chǎng)覆蓋被檢工件的同時(shí)，盡量使聲束更加集中。

2.1 激發(fā)陣元個(gè)數(shù)對(duì)聚焦性能的影響

根據(jù)圖2的檢測(cè)模型，初步選取頻率為5 MHz,陣元寬度為0.7 mm,間距為0.8 mm,長(zhǎng)度為10 mm,偏轉(zhuǎn)角為0°的相控陣參數(shù)，焦點(diǎn)落在角焊縫的外側(cè)，對(duì)4,8,12,16,32個(gè)激發(fā)陣元的聲場(chǎng)聚焦性能進(jìn)行仿真，如圖3所示。接著，對(duì)上述激發(fā)陣元個(gè)數(shù)下的聲壓幅值進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖3 激發(fā)陣元個(gè)數(shù)對(duì)聚焦性能的影響

圖4 不同激發(fā)陣元個(gè)數(shù)下的聲壓幅值比較

由圖3,4的仿真結(jié)果可得：激發(fā)陣元個(gè)數(shù)越多，聚焦點(diǎn)區(qū)域的聚焦能力越好，但激發(fā)陣元數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致聚焦區(qū)域減小，且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。當(dāng)激發(fā)陣元數(shù)過(guò)少(如n=4)時(shí)，聚焦效果較差，聲束無(wú)法在預(yù)定焦點(diǎn)處匯聚。文章是利用柔性相控陣探頭伸入到管子內(nèi)壁進(jìn)行縱波電子線(xiàn)掃查的，因此對(duì)于該結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其是一個(gè)凹面聲場(chǎng)聚焦模型。對(duì)于直徑較小的管子，增加激勵(lì)陣元個(gè)數(shù)，往往會(huì)使得參與聚焦法則兩邊的陣元所發(fā)射的聲波無(wú)法匯聚，只有中間部分的陣元參與聲場(chǎng)的聚焦，其余陣元形成的雜波還會(huì)干擾缺陷的判斷。因此，對(duì)中小徑管的內(nèi)檢測(cè)應(yīng)該在保證檢測(cè)精度的情況下采用較少的激勵(lì)陣元。故對(duì)目前插入式角焊縫的尺寸結(jié)構(gòu)，往往采用12個(gè)激發(fā)陣元進(jìn)行縱向電子線(xiàn)掃查。

2.2 陣元尺寸對(duì)聚焦性能的影響

為了抑制旁瓣，應(yīng)使陣元寬度a盡量接近陣元間距d。CIVA建模設(shè)置參數(shù)時(shí)，初步選取頻率為5 MHz，陣元間隙為0.1 mm，偏轉(zhuǎn)角為0°，激發(fā)陣元個(gè)數(shù)為12的參數(shù)，焦點(diǎn)落在角焊縫外測(cè)，對(duì)陣元寬度a為0.3，0.5，0.7，0.9，1.1 mm的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 陣元尺寸對(duì)聚焦性能的影響

由仿真結(jié)果可得：當(dāng)a為1.1 mm時(shí)，陣元間距大于波長(zhǎng)，造成柵瓣效應(yīng)。當(dāng)a為0.3，0.5 mm時(shí)聚焦效果不理想，聲束無(wú)法匯聚到角焊縫的外側(cè)；當(dāng)a為0.7，0.9 mm時(shí)聚焦效果較好。

接著再?gòu)慕裹c(diǎn)尺寸和聲場(chǎng)覆蓋范圍兩方面來(lái)分析比較a為0.7，0.9 mm時(shí)的聚焦效果。從結(jié)果來(lái)看，a為0.9 mm時(shí)的焦點(diǎn)處聲場(chǎng)更加匯聚，聲能更加集中，但聲場(chǎng)覆蓋的深度范圍不夠(利用-3 dB法測(cè)得圖6中的焦點(diǎn)尺寸進(jìn)行比較)，而且從幅值比對(duì)圖來(lái)看，a=0.7 mm時(shí)比a=0.9 mm時(shí)的幅值只低了1.8 dB。所以，a選擇0.7 mm較合適。

圖6 a=0.7 mm和a=0.9 mm時(shí)的聚焦效果比較

2.3 頻率對(duì)聚焦性能的影響

圖7 頻率對(duì)聚焦性能的影響

相控陣超聲頻率的選取應(yīng)綜合考慮聚焦能力、分辨力和超聲波衰減等多種因素。從圖7的仿真結(jié)果可以得出：頻率為2.5 MHz時(shí)，聚焦效果不佳,聲束無(wú)法在預(yù)設(shè)焦點(diǎn)處匯聚；頻率為10 MHz時(shí)，出現(xiàn)了柵瓣現(xiàn)象；頻率為5 MHz時(shí)，聚焦性能較好。

根據(jù)理論分析以及聲場(chǎng)仿真，最終確定了探頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 探頭的參數(shù)

圖8 插入式管座角焊縫人工缺陷試樣設(shè)計(jì)圖

3 缺陷響應(yīng)

為了從理論上驗(yàn)證聲場(chǎng)仿真中所得探頭的檢測(cè)能力，制定最佳檢測(cè)工藝，筆者在CIVA軟件中設(shè)計(jì)了φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫人工缺陷試樣，試樣設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖8。該試樣可以模擬該柔性探頭對(duì)管座角焊縫不同位置、不同角度、不同性質(zhì)缺陷的靈敏度，以未熔合缺陷處為零點(diǎn)位置，順時(shí)針每隔60°分別設(shè)置了以下6大類(lèi)缺陷：未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋。通過(guò)缺陷響應(yīng)仿真可以得到該方法對(duì)于上述6大類(lèi)常規(guī)缺陷的檢測(cè)靈敏度。因此，在設(shè)計(jì)相控陣探頭之前，有必要對(duì)其進(jìn)行焊接試樣缺陷的響應(yīng)仿真。

3.1 掃查方式

采用64陣元的柔性相控陣探頭進(jìn)行管座角焊縫內(nèi)表面掃查，具體掃查方式如下所述。① 周向：12陣元為一組激發(fā)方式的電子線(xiàn)掃查。由于陣元總數(shù)有限，完成一次電子線(xiàn)掃查之后，利用掃查裝置使探頭周向平移，直至完成整圈周向方向的檢測(cè)。② 軸向：完成一圈周向掃查之后，利用掃查裝置使探頭軸向平移一段距離(約陣元長(zhǎng)度的1/3)，接著完成第二圈軸向掃查，直至完成整個(gè)軸向方向的掃查。根據(jù)上述掃查方式在CIVA中建立掃查軌跡(見(jiàn)圖9)，周向步進(jìn)掃查精度為2 mm，軸向步進(jìn)掃查精度為3 mm。

圖9 CIVA軟件中建立的掃查軌跡

3.2 檢測(cè)結(jié)果

如圖10所示，在CIVA11.0軟件中從左往右分別設(shè)置了6類(lèi)缺陷：坡口未熔合,15 mm×3 mm(長(zhǎng)×高);根部未焊透,15 mm×3 mm(長(zhǎng)×高);坡口裂紋,15 mm×3 mm(長(zhǎng)×高);圓形氣孔,φ4 mm(直徑);圓柱形夾渣,15 mm×3 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬×高);管道熔合面裂紋,25 mm×4 mm(長(zhǎng)×高)。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將周向360°布置的缺陷集中放置在120°的圓周上。

圖10 CIVA軟件中的缺陷布置

圖11 柔性探頭的C掃查圖像

由C掃查圖像可以得到，該柔性探頭可以有效地檢測(cè)出上述6種缺陷，并能實(shí)現(xiàn)缺陷在俯視平面上的精確定位。

缺陷的C掃回波動(dòng)態(tài)圖如圖12所示，由圖可對(duì)上述6種缺陷的聲壓回波幅值進(jìn)行比較。其中，回波高度從大到小排列依次是：圓柱形夾渣，根部未焊透，縱向裂紋，圓形氣孔，坡口未熔合，坡口裂紋。接下來(lái)，分別分析每個(gè)缺陷的具體情況。

圖12 缺陷的C掃回波動(dòng)態(tài)圖

圖13 坡口未熔合的D掃與B掃圖像

坡口未熔合的D掃與B掃圖像如圖13所示，未熔合在CIVA軟件中用矩形缺陷代替。從圖13可以看出，在未熔合缺陷的兩端發(fā)現(xiàn)衍射波信號(hào)且回波信號(hào)較弱；中間區(qū)域聲波大部分被反射出去，因此造成整體回波幅值較低。總之，該檢測(cè)方法雖然回波幅值不高，但依然可以檢測(cè)出坡口角度為40°的坡口未熔合缺陷。

根部未焊透的D掃與B掃圖像如圖14所示，考慮到實(shí)際焊縫中的根部未焊透形狀多數(shù)為凹凸不平的形狀，因此在CIVA軟件中用多面缺陷代替根部未焊透。從圖14可以看出，根部未焊透缺陷的朝向與主聲束垂直，其回波信號(hào)較高。因此，該方法對(duì)于檢測(cè)根部未焊透缺陷具有很高的靈敏度，是其他外檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。

圖14 根部未焊透的D掃與B掃圖像

坡口裂紋的D掃與B掃圖像如圖15所示，坡口裂紋在CIVA軟件中用多面缺陷代替。從圖15可以看出，在坡口裂紋的兩端處由于衍射波的影響而回波信號(hào)幅值較高;中間區(qū)域由于裂紋的不規(guī)則性以及坡口角度的影響，聲波大部分被反射出去，因此其整體回波幅值是上述6個(gè)缺陷中最小的。故該檢測(cè)方法雖然回波幅值不高，但依然可以檢測(cè)出坡口角度為40°的坡口裂紋缺陷。在檢測(cè)過(guò)程中為了提高對(duì)該缺陷的檢出率，建議增加外部扇形掃查檢測(cè)。

圖15 坡口裂紋的D掃與B掃圖像

圖16 圓形氣孔的D掃與B掃圖像

圓形氣孔的D掃與B掃圖像如圖16所示，在CIVA軟件中用球孔代替圓形氣孔。從圖16可以看出，當(dāng)主聲束垂直到達(dá)該氣孔時(shí)，其回波信號(hào)較高。但由于球面的關(guān)系，探頭稍微移動(dòng)就會(huì)使回波信號(hào)急速下降，因此常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于氣孔的漏檢率較高。而文中采用的C掃查技術(shù)能保證氣孔缺陷在C掃查圖像中被顯示出來(lái)，避免了手工掃查的弊端。

圓柱形夾渣的D掃與B掃圖像如圖17所示，CIVA軟件中可以直接調(diào)用圓柱形夾渣缺陷。從圖17可以看出，當(dāng)主聲束垂直到達(dá)該圓柱形夾渣底面時(shí)，其回波信號(hào)幅值非常高。在缺陷的周向方向上，由于缺陷為柱面形狀，探頭稍微移動(dòng)就會(huì)使聲波往周向發(fā)散；在缺陷的軸向方向上，探頭稍微移動(dòng)會(huì)使聲波往軸向反射。因此，在C掃圖像中，主聲束垂直到達(dá)該圓柱形夾渣底面部位的回波幅值最高，長(zhǎng)度方向上的信號(hào)幅值迅速下降。

圖17 圓柱形夾渣的D掃與B掃圖像

管道熔合面裂紋的D掃與B掃圖像如圖18所示，縱向裂紋在CIVA軟件中用多面缺陷代替。從圖18可以看出，雖然縱向裂紋的裂紋面朝向具有不規(guī)則性，但由于其延伸面與主聲束垂直，故缺陷仍有較高的回波。因此，該方法對(duì)于縱向裂紋具有很高的檢測(cè)靈敏度，是其他外檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。

綜上所述，該方法對(duì)于上述缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，且能實(shí)現(xiàn)缺陷在焊縫中的定位與定量，為試樣和探頭的制作提供了重要的理論支撐。

圖18 管道熔合面裂紋的D掃與B掃圖像

4 檢測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)上述的CIVA仿真分析結(jié)果，為滿(mǎn)足φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫的內(nèi)檢測(cè)要求，筆者設(shè)計(jì)了變曲率64陣元柔性相控陣，相控陣探頭參數(shù)如下：陣元寬度為0.7 mm，間距為0.8 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm，頻率為5 MHz，參與聚焦法則的通道數(shù)量為12。試樣檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖19所示。

圖19 試樣檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

為驗(yàn)證文中提出的檢測(cè)方法的可行性和可靠性，筆者加工了如圖8所示的人工缺陷試樣，設(shè)置了與CIVA仿真設(shè)置一致的6類(lèi)缺陷：未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋。檢測(cè)時(shí)在水套內(nèi)充滿(mǎn)水，將探頭通過(guò)探頭成形夾具放入水中，超聲波通過(guò)水耦合進(jìn)入工件中，再以反射波的形式穿過(guò)水層被探頭接收，相控陣模塊將探頭組件和編碼器采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸至超聲波檢測(cè)儀，最后通過(guò)成像軟件形成實(shí)時(shí)A、B、C、D掃描圖像。其檢測(cè)圖像如圖20所示，可以看出，該檢測(cè)技術(shù)能檢測(cè)出上述6大類(lèi)缺陷，圖20中的缺陷顯示從左至右依次是：氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋、未熔合、未焊透、坡口裂紋，并能實(shí)現(xiàn)精確定量、定位。特別是在缺陷面平行于插入式接管管壁的情況下，對(duì)缺陷具有極高的檢測(cè)靈敏度。

圖20 缺陷的超聲檢測(cè)圖像

5 結(jié)論

(1) 提出了利用柔性相控陣探頭對(duì)插入式管座角焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)的方法，對(duì)不同的激發(fā)陣元數(shù)目、頻率、陣元寬度等進(jìn)行了聲場(chǎng)仿真，選擇出一組較為理想的相控陣參數(shù)，為柔性探頭的研制提供了理論依據(jù)。

(2) 在CIVA軟件中建立了φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫模型，利用缺陷響應(yīng)實(shí)現(xiàn)了未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋缺陷的掃查仿真。

(3) 利用CIVA軟件缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果可以得到該檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同性質(zhì)、不同朝向缺陷的檢測(cè)靈敏度。

(4) 該檢測(cè)技術(shù)成功地檢測(cè)出了未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋缺陷，且能較為準(zhǔn)確有效地對(duì)缺陷形狀、尺寸和位置進(jìn)行成像顯示。