水-鋼界面凸面相控陣聲場仿真

郭偉燦，錢盛杰，繆存堅

(1. 浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048)

水-鋼界面凸面相控陣聲場仿真

郭偉燦1，錢盛杰2，繆存堅1

(1. 浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，寧波 315048)

采用凸面超聲相控陣探頭對管狀設(shè)備進行內(nèi)檢測，針對水-鋼二層介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，理論分析了相控陣聲場的聚焦性能。根據(jù)近場球面波束形成模型，按聲束路徑求得的延時時間作為各陣元的提前激發(fā)時間，設(shè)計了水-鋼二層介質(zhì)相控陣聚焦法則。利用CIVA軟件對相控陣聲場進行建模仿真研究，確定了陣元數(shù)目、陣元尺寸、超聲波頻率等相控陣探頭參數(shù)。最后，根據(jù)優(yōu)化后的相控陣參數(shù)研制了512大陣元數(shù)雙層結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形探頭，再通過帶有人工缺陷的管狀模擬試樣進行檢測試驗。結(jié)果表明：提出的方法對腐蝕、氣孔缺陷具有更好的檢測靈敏度和效率，能夠?qū)崿F(xiàn)管狀設(shè)備的腐蝕和埋藏缺陷的內(nèi)檢測。

管狀設(shè)備；內(nèi)檢測；超聲檢測；相控陣；超聲仿真

儲氣井和壓力管道等管狀設(shè)備通常是埋地和架空敷設(shè)，在外面對其進行檢測十分困難。如何實現(xiàn)不搭腳手架、不拆保溫層、不開挖地面的內(nèi)檢測，是對此類設(shè)備實行定期檢驗的關(guān)鍵。管狀設(shè)備內(nèi)檢測常用的無損檢測技術(shù)包括：針對鐵磁性材料的漏磁通檢測法、超聲檢測法、基于激光與紅外等光源的成像和視頻技術(shù)[1-3]。超聲檢測具有檢測精度高、檢測結(jié)果可定量、內(nèi)外腐蝕可直接分辨、檢測結(jié)果不受管材影響等優(yōu)點[4-5]。筆者針對管狀設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，提出了圓柱形凸面相控陣檢測技術(shù)，通過水浸耦合，使探頭產(chǎn)生的聲束能夠覆蓋整個管道的橫截面積。針對凸面相控陣探頭在水-鋼二層介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)特征，理論分析了相控陣聲場的聚焦性能，并根據(jù)近場球面波束形成模型，以聲束路徑求得的延時時間作為各陣元的提前激發(fā)時間，設(shè)計了水-鋼二層介質(zhì)相控陣聚焦法則。在此基礎(chǔ)上，利用CIVA軟件對相控陣聲場進行建模仿真研究，以波束的主瓣尖銳、較低的旁瓣、消除柵瓣等為相控陣探頭的設(shè)計準則，對相控陣參數(shù)進行優(yōu)化分析，根據(jù)優(yōu)化后的相控陣參數(shù)研制了512大陣元圓柱形凸面相控陣探頭，通過帶有人工缺陷的管道模擬試樣進行檢測。結(jié)果表明：該方法對腐蝕、氣孔具有更好的檢測靈敏度和效率，能夠?qū)崿F(xiàn)管狀設(shè)備的自動內(nèi)檢測，具有很大的應(yīng)用潛力。

1 凸面超聲相控陣內(nèi)檢測技術(shù)

采用圓環(huán)形凸面相控陣探頭伸入管狀設(shè)備內(nèi)部進行檢測，通過充水耦合，使圓環(huán)形探頭產(chǎn)生的聲束能夠覆蓋整個管道的橫截面積。凸面相控陣檢測原理示意如圖1所示，以同時激發(fā)16個陣元為例，采用相控陣電子線掃描方式，先激發(fā)第1～16陣元組，形成在鋼中聚焦點1的聚焦聲束；完成掃描后以同樣的聚焦法則激發(fā)第2～17陣元組， 形成在鋼中聚焦點2的聚焦聲束；依此類推，直到完成整個圓周向的電子線掃描[6-7]。

圖1 凸面相控陣檢測原理示意

(1)

式中:c1為超聲在鋼中的聲速；c2為超聲在水中的聲速。

圖2 相控陣延時時間簡易計算模型

在圖2所示的平面坐標中，相控陣探頭通過延時發(fā)射，使得原半徑為R的凸面陣元，形成為曲率半徑為F(AD段長度)的凹面新波陣面，由此可以求得第m號陣元的延時時間τm，設(shè)AC段長度為LAC。

(2)

同樣可以求得第m-1號陣元的延時時間τm-1為：

(3)

用同樣方法可以求得第m-2、m-3、…、-m號陣元的延時時間τm-2、τm-3、…、τ-m，形成聚焦法則激發(fā)第m至-m陣元組，完成掃描后以同樣的聚焦法則激發(fā)第m-1至-(m+1)陣元組，依此類推，直到完成整個圓周向的電子線掃描。

圖3 檢測工作原理示意

檢測工作原理示意如圖3所示：探頭激發(fā)的超聲脈沖從水中傳播到達管壁，管道內(nèi)外壁的脈沖回波經(jīng)過水被探頭接收，由此便可以對壓力管道進行檢測。實際上是采用超聲測厚原理，超聲波T1通過水介質(zhì)沿徑向入射到管道內(nèi)壁，在水-鋼界面會產(chǎn)生一個強的反射波即R1，該反射波為探頭接收，形成水-鋼界面回波B1；其余透射能量形成透射波T2繼續(xù)前行，到達管道外壁，同樣會產(chǎn)生一個反射波R2，此反射波又一次經(jīng)鋼/水界面透射至水中，被探頭接收，形成外壁界面回波B2；由于鋼中聲速固定，壁厚減少，B1和B2回波之間的距離也隨之減少，從而達到壁厚檢測的目的。

2 凸面相控陣CIVA聲場仿真

CIVA軟件是一款能夠?qū)崿F(xiàn)超聲檢測仿真的商用計算軟件，以往通過CIVA實例[8-9]對仿真可靠性進行了驗證。筆者針對國內(nèi)常用的規(guī)格(外徑×厚度)為φ177.8 mm×10.36 mm的埋地高壓儲氣井管狀設(shè)備，利用CIVA軟件建立相控陣模型并計算相控陣探頭在工件內(nèi)部形成的超聲場，并對相控陣的不同激發(fā)陣元個數(shù)、陣元尺寸、頻率等參數(shù)進行仿真?？紤]到圓柱形凸面相控陣探頭通過水浸耦合，為保證探頭在管內(nèi)的通過性能和第二次避免水-鋼界面回波對檢測的干擾，初步設(shè)計圓柱形凸面相控陣探頭直徑為φ130.4 mm，以512陣元數(shù)計算，陣元間距為0.8 mm。

2.1 激發(fā)陣元個數(shù)對聚焦性能的影響 根據(jù)圖1的檢測原理，初步選取頻率為5 MHz、陣元寬度為0.7 mm、間距為0.8 mm、長度為10 mm、偏轉(zhuǎn)角為0°的相控陣參數(shù)，焦點落在規(guī)格為φ177.8 mm×10.36 mm的儲氣井外壁，分別對4，8，16，32個激發(fā)陣元的聲場聚焦性能進行仿真，激發(fā)陣元個數(shù)對聚焦性能的影響如圖4所示。

圖4 激發(fā)陣元個數(shù)對聚焦性能的影響

由圖4可知：激發(fā)陣元個數(shù)越多，在焦點處的聚焦效果越好，但超聲波在水中越容易產(chǎn)生柵瓣和旁瓣。針對5 MHz的檢測頻率，超聲波在水中的波長僅為0.29 mm，而陣元間距為0.8 mm，約為波長的2.8倍，因此，激發(fā)陣元個數(shù)為32時，即使聲束不偏轉(zhuǎn)也會出現(xiàn)柵瓣；激發(fā)陣元個數(shù)為16時，在水中產(chǎn)生嚴重的旁瓣；激發(fā)陣元個數(shù)為8時，在水中產(chǎn)生一定程度的旁瓣；激發(fā)陣元個數(shù)為4時，只在水中產(chǎn)生輕微的旁瓣?？紤]到凸面相控陣陣元偏轉(zhuǎn)角度更大，為保證水中聲場不出現(xiàn)嚴重的柵瓣和旁瓣，采用4～8個激發(fā)陣元較為合適，具體選擇時根據(jù)工藝試驗確定。

2.2 陣元尺寸對聚焦性能的影響 陣元尺寸包括陣元間距d、陣元寬度a、陣元長度L。其中對相控陣聚焦性能影響較大的是陣元間距d和陣元寬度a，通常情況下為了抑制旁瓣，應(yīng)使陣元寬度a盡量接近陣元間距d。筆者針對陣元數(shù)N為8，12，16的不同激發(fā)陣元，對a為0.3 mm、d為0.4 mm，a為0.7 mm、d為0.8 mm，a為1.1 mm、d為1.2 mm的三組不同陣元尺寸條件進行CIVA聲場仿真。不同陣元尺寸的CIVA聲場仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5仿真結(jié)果可得： 在3組不同尺寸的相控陣列中，只有a為0.3 mm、d為0.4 mm陣元尺寸的相控陣列的超聲波能夠?qū)崿F(xiàn)控制旁瓣和消除柵瓣的要求，其他兩種陣元尺寸的相控陣列在激發(fā)陣元數(shù)不小于8時，在水中均不可避免地會產(chǎn)生較嚴重的旁瓣，甚至出現(xiàn)柵瓣。通過上述比較，為保證水中聲場不出現(xiàn)嚴重的柵瓣和旁瓣，宜采用a為0.3 mm、d為0.4 mm的陣元尺寸。具體選擇激發(fā)陣元數(shù)N時，應(yīng)綜合考慮超聲波在水中和工件中的聲場聚焦效果。雖然N為8時超聲波在水中的聚焦效果較好，但在工件中的聚焦效果較差；在N為12，16時，超聲波在工件中設(shè)定焦點處的聚焦效果較好，且在水中只產(chǎn)生輕微的旁瓣，因此激發(fā)陣元數(shù)宜選用12～16較為合適，具體選擇時根據(jù)工藝試驗確定。

2.3 檢測頻率對聚焦性能的影響

在超聲相控陣參數(shù)設(shè)計時，超聲波頻率的選取至關(guān)重要。頻率對超聲檢測的影響有多個方面。頻率越高，相控陣探頭的焦點越小，聚焦能力和分辨力提高，但容易產(chǎn)生旁瓣和柵瓣。

針對陣元寬度為0.7 mm、間距為0.8 mm、長度為10 mm、偏轉(zhuǎn)角為0°的相控陣參數(shù)，陣元數(shù)為16、焦點落在φ177.8 mm×10.36 mm的儲氣井外壁，頻率分別選取2.5，5，10 MHz進行仿真分析，不同頻率的CIVA聲場仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同陣元尺寸的CIVA聲場仿真結(jié)果

圖6 不同頻率的CIVA聲場仿真結(jié)果

從圖6的仿真結(jié)果可以得出：單純從水中聚焦效果和抑止旁瓣和柵瓣考慮，選擇頻率為2.5 MHz較為合適；選擇頻率為10 MHz時，在水中會不可避免地出現(xiàn)柵瓣；選擇頻率為5 MHz時，也會在水中產(chǎn)生不同程度的旁瓣，激發(fā)陣元數(shù)越多，旁瓣越嚴重。但頻率為2.5 MHz的相控陣探頭在工件中的聚焦能力較差，縱向和橫向分辨力也較低，因此在選取頻率時應(yīng)綜合考慮聚焦能力、分辨力和超聲波衰減等多種因素，如果頻率選取2.5 MHz，激發(fā)陣元數(shù)可適當多一些，如果頻率選取5 MHz，為抑止水中聲場的旁瓣，激發(fā)陣元數(shù)不宜超過8個。

3 檢測過程

根據(jù)上述的CIVA仿真分析，為滿足φ177.8 mm×10.36 mm的埋地高壓儲氣井這類較大直徑的管狀設(shè)備全截面檢測的要求，選擇陣元尺寸a為0.3 mm、d為0.4 mm,能夠?qū)崿F(xiàn)控制旁瓣和消除柵瓣的要求。然而選擇a為0.3 mm、d為0.4 mm陣元尺寸時，全截面檢測需要1 024個陣元相控陣儀器，研發(fā)成本很高。而選擇a為0.7 mm、d為0.8 mm陣元尺寸時，全截面檢測只需要512個陣元相控陣儀器，研發(fā)成本大幅降低。筆者通過CIVA仿真分析得出，如果選取頻率為5 MHz，在激發(fā)陣元數(shù)N為4的條件下的聲場聚焦效果幾乎與激發(fā)陣元數(shù)N為8的條件下，a為0.3 mm、d為0.4 mm陣元尺寸的聲場相同，只是旁瓣稍嚴重一些。因此筆者采用512個陣元的圓周凸面超聲相控陣檢測技術(shù)，并委托汕頭超聲儀器研究所有限公司定制了512個陣元的相控陣模塊和陣元寬度為0.7 mm、間距為0.8 mm、陣元長度為10 mm、頻率為5 MHz的圓柱形相控陣探頭裝置，探頭裝置由4個128陣元的凸形探頭組合而成，圓柱形相控陣探頭裝置和相控陣模塊實物如圖7所示。

圖7 圓柱形相控陣探頭裝置和相控陣模塊實物

圖8 樣管尺寸示意和實物

為驗證提出的檢測方法的可靠性，筆者加工了2個試驗樣管，樣管尺寸示意和實物如圖8所示。檢測時將樣管內(nèi)充滿水，將探頭通過探頭架放入水中進行檢測，超聲波通過水耦合進入工件中，再以反射波通過水回到探頭中，探頭組件和編碼器用于采集信號輸入，組合相控陣模塊將采集信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳輸至超聲波檢測儀。通過成像軟件形成實時A掃描、B掃描、C掃描圖像。如只需檢測缺陷，則將信號門閥套在壓力管道內(nèi)部，檢測并記錄壓力管道內(nèi)部缺陷的位置信息和超聲信息；如只需檢測壁厚，則將門閥套住水-鋼界面回波和管子外壁回波，并以回波的時間差(或距離)作為分析信號，并賦以一系列的顏色編碼，以色彩方式顯示管道壁厚值，可以通過在 C 掃描圖上顏色的變化，顯示整根管道的壁厚情況。

樣管1缺陷檢測的超聲圖像如圖9所示，樣管2檢測壁厚得到的C掃描超聲圖像如圖10所示。從圖9，10的試驗結(jié)果可以得出：該方法能夠較為精確且有效地檢測出缺陷的形狀、尺寸和位置，并能顯示管道內(nèi)缺陷與腐蝕情況，例如圖9中2號與3號探頭檢測到的缺陷分別距離外壁大約2 mm和4 mm，且缺陷環(huán)向位置也與實際情況相符；圖10中C掃描厚度成像能清晰地顯示腐蝕的位置和形狀，對壁厚的測量誤差在0.15 mm范圍內(nèi)。

圖9 樣管1缺陷檢測的超聲圖像

圖10 樣管2檢測壁厚得到的C掃描超聲圖像

4 結(jié)論

(1) 針對水-鋼二層介質(zhì)的管狀設(shè)備凸面相控陣檢測，采用CIVA軟件的仿真分析可知，如果陣元間距大于0.8 mm，則在水中容易產(chǎn)生柵瓣和旁瓣，激發(fā)陣元個數(shù)越多，柵瓣和旁瓣效應(yīng)越嚴重。因此，從消除柵瓣和抑止旁瓣的角度考慮，宜采用較小的陣元間距和較少的激發(fā)陣元個數(shù)。

(2) 通過CIVA仿真分析，針對規(guī)格為φ177.8 mm×10.36 mm的管狀設(shè)備，采用512個陣元的圓周凸面超聲相控陣檢測技術(shù)，選擇合適的相控陣參數(shù)，能夠在水中消除柵瓣和抑止旁瓣，并在鋼中獲得較好的聚焦效果。

(3) 對帶有人工缺陷的樣管進行檢測試驗結(jié)果表明，提出的圓周凸面相控陣檢測技術(shù)，能夠較為精確且有效地檢測出管狀設(shè)備缺陷的形狀、尺寸和位置，并能顯示管道內(nèi)缺陷。

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Convex Phased Array Simulation of Water-Steel Interface Acoustic Field

GUO Weican1, QIAN Shengjie2, MIAO Cunjian1

(1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China;2.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

The convex phased array probe was adopted in this paper for performing internal inspection of the tubular equipment. According to the structure characteristics of two layer medium, the paper theoretically analyzed the focusing performance of phased array acoustic field. Based on the model of near field spherical beam forming， the delay time can be obtained by the route of acoustic beam which can be used as stimulation time for each array elements. Phased array focusing law of the water-steel two layer medium is designed in this paper. The simulation on the phased array acoustic field with CIVA software is completed to determine the phased array probe parameters， including array elements， array element size， ultrasonic frequency and so on. At last，the double layer circular ring probe of 512 array elements is manufactured according to the phased array parameters which have been optimized，the test on tubular samples which contain artificial flaws is performed. Experiments indicate that this technique can detect the corrosion and the porosity flaw，with high sensitivity and efficiency. The corrosion and embedded flaws of the tubular equipment can be detected by internal inspection.

tubular equipment; internal inspection; ultrasonic testing; phased array; ultrasonic simulation

2016-08-23

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計劃資助項目(20160123)

郭偉燦(1968-)，男，博士，教授級高工，主要從事承壓設(shè)備檢驗與無損檢測工作

郭偉燦，gwcndt@126.com

10.11973/wsjc201705015

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0070-06