氫環(huán)境箱厚壁筒體的相控陣超聲周向檢測(cè)

繆存堅(jiān)，鐘海見，郭偉燦，凌張偉

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020)

超高壓氫環(huán)境箱是測(cè)試材料氫相容性的必要裝置，其中140 MPa氫環(huán)境箱是目前國(guó)內(nèi)壓力最高的氫環(huán)境箱，其厚壁筒體承壓高、壁厚大、外徑內(nèi)徑比大，在使用過(guò)程中存在低周疲勞、應(yīng)力集中及高壓氫環(huán)境等，容易引起設(shè)備損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，對(duì)氫環(huán)境箱厚壁筒體進(jìn)行定期檢驗(yàn)是確保其安全使用的關(guān)鍵[1]。

氫環(huán)境箱的厚壁筒體結(jié)構(gòu)是超高壓容器的常用典型結(jié)構(gòu)，其中的埋藏缺陷和表面缺陷通?？刹捎贸暦椒ㄟM(jìn)行檢測(cè)。但常規(guī)超聲方法存在靈敏度低、缺陷定位困難等技術(shù)難點(diǎn)[2-6]。GB/T 34019-2017 《超高壓容器》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超高壓容器的檢驗(yàn)檢測(cè)提出了具體的要求和方法，為氫環(huán)境箱厚壁筒體的無(wú)損檢測(cè)提供了參考，例如采用超聲周向斜入射等檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。然而，氫環(huán)境箱厚壁筒體的外徑內(nèi)徑比達(dá)到了1.85，厚度也達(dá)到了85 mm，雖然標(biāo)準(zhǔn)提出了可采用常規(guī)周向超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但并沒(méi)有提出如何使用檢測(cè)效果更好的相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，且國(guó)內(nèi)少有采用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)超高壓容器結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)報(bào)道。相對(duì)于常規(guī)超聲技術(shù)，相控陣超聲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)區(qū)域多角度、多方向的掃查和動(dòng)態(tài)聚焦檢測(cè)，結(jié)合實(shí)時(shí)成像能直觀地顯示缺陷的位置、分布、尺寸等信息，可大幅提高檢測(cè)靈敏度和缺陷的定位精度[7-9]。

為建立140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的相控陣超聲檢測(cè)方法，提出了一種配置曲面楔塊的相控陣超聲周向檢測(cè)技術(shù)，對(duì)相控陣超聲在氫環(huán)境箱厚壁筒體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，同時(shí)加工帶有人工缺陷的對(duì)比試塊并開展試驗(yàn)，討論該相控陣超聲檢測(cè)方法在氫環(huán)境箱厚壁筒體檢測(cè)中的適用性。

1 相控陣超聲檢測(cè)方法

1.1 扇掃描

140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體相控陣超聲周向檢測(cè)方法如圖1所示，采用曲面楔塊和一維線性陣列，陣列按一定角度沿曲面楔塊的斜面排列。檢測(cè)中計(jì)劃采用扇掃模式對(duì)厚壁筒體進(jìn)行周向掃查，通過(guò)準(zhǔn)確控制曲面楔塊和相控陣參數(shù)，使相控陣超聲檢測(cè)周向扇掃描能同時(shí)掃查到筒體內(nèi)壁和外壁。筒體內(nèi)徑為200 mm，外徑為370 mm，外徑內(nèi)徑比K為1.85，采用全橫波掃查時(shí)，橫波主聲束無(wú)法達(dá)到筒體內(nèi)壁，因此假設(shè)橫波主聲束能夠與筒體內(nèi)壁相切，對(duì)應(yīng)橫波折射角為32.7°，此時(shí)縱波入射角αL在聚苯乙烯/鋼第一臨界角23.6°附近，而鋼中存在的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，存在橫波、頭波、爬波、臨界折射縱波(LCR波)等多種波型。鑒于筒體結(jié)構(gòu)、外內(nèi)徑之比的特殊性以及內(nèi)壁檢測(cè)的需要，將超聲檢測(cè)入射角設(shè)置在縱波第一臨界角附近。

圖1 相控陣超聲周向檢測(cè)方法示意

1.2 相控陣聚焦

考慮到筒體壁厚達(dá)85 mm，檢測(cè)面為曲面且檢測(cè)距離較大，為減少衰減，同時(shí)改善聚焦和分辨力，相控陣探頭聚焦能力的設(shè)計(jì)十分重要。關(guān)于工作頻率和陣元間距d的選擇，可根據(jù)聚焦區(qū)域面積、被檢對(duì)象大小、材料特性以及陣列柵瓣等因素來(lái)確定。

由于檢測(cè)焦距較大，故要增強(qiáng)遠(yuǎn)距離聚焦能力，宜選取較大的孔徑尺寸，同時(shí)為了減小旁瓣和柵瓣的影響，陣元間距d要盡量小。因此，宜選取較大的陣元數(shù)量N，陣元數(shù)量N越大，聚焦能力越強(qiáng)，獲得的焦點(diǎn)尺寸越小，實(shí)際焦點(diǎn)深度越大。

對(duì)于相控陣探頭的近場(chǎng)區(qū)，其長(zhǎng)度一般要大于焦距F，由于探頭晶片尺寸遠(yuǎn)小于曲率半徑，因此可以將相控陣探頭晶片陣列近似看作矩形，其近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度如式(1)所示[10]。

N矩形=k矩形L2/(4λ)

(1)

式中：k矩形為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度修正系數(shù)(見圖2,W為探頭寬度)；L為探頭長(zhǎng)度，mm；λ為試塊中的超聲波波長(zhǎng)，mm。

取L為31.9 mm，W為10 mm，查圖2可得k矩形為0.994。λ取1.615 mm，得N矩形為156 mm，即當(dāng)折射波軸線與內(nèi)壁相切時(shí)，焦區(qū)落在切點(diǎn)上。

圖2 矩形探頭的近場(chǎng)長(zhǎng)度修正系數(shù)曲線

1.3 檢測(cè)工藝參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)確定原則，針對(duì)140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體提出了周向檢測(cè)的相控陣超聲檢測(cè)工藝參數(shù)，如表1所示。

表1 相控陣超聲檢測(cè)工藝參數(shù)

2 聲場(chǎng)研究與仿真分析

當(dāng)有限尺寸換能器的聲束以第一臨界角附近的角度入射到工件時(shí)，由于換能器的尺寸有限，激發(fā)出的超聲波不可能是純平面波，其傳播到兩介質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生的超聲波空間分布較為復(fù)雜。為研究臨界角附近的縱波入射角在介質(zhì)中的折射聲場(chǎng)，采用超聲仿真軟件CIVA開展聲場(chǎng)仿真，即采用鉛筆法的半解析方法[11]，仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 CIVA超聲仿真軟件的參數(shù)設(shè)置

仿真中射線角度考慮覆蓋工件內(nèi)表面至外表面之間的檢測(cè)范圍，設(shè)置橫波折射角分別為32.7°,34.2°,45°，其仿真獲得的輻射聲場(chǎng)如圖3所示。當(dāng)橫波折射角為32.7°時(shí)，折射聲場(chǎng)在工件內(nèi)表面附近，縱波入射角接近第一臨界角時(shí)，在工件中同時(shí)存在多種波型，從而使聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較純橫波聲場(chǎng)復(fù)雜；當(dāng)橫波折射角為34.2°時(shí)，此時(shí)縱波入射角已大于第一臨界角，折射橫波已占主導(dǎo)地位；當(dāng)橫波折射角為45°時(shí)，折射聲場(chǎng)在工件外表面附近，為純橫波聲場(chǎng)。從圖中可以看出，雖然仍然存在一些旁瓣和柵瓣，但主要的能量還是集中在聲束主軸線上，從而形成較好的聚焦效果。

圖3 不同橫波折射角時(shí)，筒體中相控陣超聲聲場(chǎng)示意

為進(jìn)一步研究攜帶曲面楔塊的相控陣探頭對(duì)厚壁筒體中缺陷的檢測(cè)效果，采用CIVA軟件開展仿真，采用如圖1所示的相控陣檢測(cè)方法對(duì)φ370 mm×85 mm氫環(huán)境箱厚壁筒體中不同位置人工缺陷的反射聲場(chǎng)和檢測(cè)效果進(jìn)行建模仿真分析，人工缺陷的設(shè)置如圖4所示，待測(cè)工件包含有內(nèi)外表面長(zhǎng)為25 mm的溝槽，深度分別為0.85 mm和1.7 mm；離外表面深度分別為20%，40%，60%，80%壁厚的φ2 mm×40 mm的4個(gè)長(zhǎng)橫孔。相控陣探頭對(duì)人工缺陷的CIVA仿真聲場(chǎng)和波形圖像如圖5所示。從圖5可以看出，相控陣技術(shù)對(duì)不同位置和不同類型的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)均能獲得較清晰的超聲圖像，能夠直觀地顯示缺陷的位置、分布、尺寸等信息。從缺陷響應(yīng)來(lái)看，工件內(nèi)折射角越大，缺陷響應(yīng)幅值越弱，從聲場(chǎng)特征分析,這是因?yàn)檎凵浣窃黾訉?dǎo)致近場(chǎng)區(qū)減小從而聚焦較弱，同時(shí)靠近外壁的缺陷在其檢測(cè)過(guò)程中聲程也比內(nèi)壁附近缺陷的聲程更遠(yuǎn)，這也與之前的研究[12]有相似之處。對(duì)于內(nèi)外壁的缺陷響應(yīng)，考慮到缺陷與壁面相連，會(huì)受到壁面對(duì)聲場(chǎng)反射的影響。

圖4 CIVA建模時(shí)缺陷的形狀尺寸示意

圖5 相控陣超聲技術(shù)獲得的人工缺陷聲場(chǎng)響應(yīng)的模擬仿真

3 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的具體規(guī)格，試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34019-2017 《超高壓容器》設(shè)計(jì)了相控陣超聲檢測(cè)用超聲對(duì)比試塊。該對(duì)比試塊的材料和規(guī)格與被檢工件相同，加工精度參照GB/T 11259-2015 《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)用鋼參考試塊的制作和控制方法》的要求。為模擬實(shí)際缺陷，在試塊內(nèi)外表面一定深度位置加工一定形狀尺寸的人工缺陷。加工的對(duì)比試塊規(guī)格如圖6所示，實(shí)物如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)用產(chǎn)品對(duì)比試塊設(shè)計(jì)示意

圖7 試驗(yàn)用產(chǎn)品對(duì)比試塊實(shí)物

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將相控陣探頭的凹面楔塊緊貼筒體外表面，設(shè)置合適的檢測(cè)參數(shù)，通過(guò)適當(dāng)改變陣元的延時(shí)，使超聲聲束在扇形面積內(nèi)開展掃描，并沿筒體圓周方向移動(dòng)探頭，觀察圖像的變化情況，判斷缺陷和內(nèi)外壁圖像的變化情況。圖8為相控陣超聲檢測(cè)方向示意。圖9為相控陣超聲探頭檢測(cè)對(duì)比試塊中的人工缺陷得到的掃描圖像。

圖8 相控陣超聲掃查方向示意

圖9 對(duì)比試塊的人工缺陷相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，采用30°60°的扇掃角度范圍，環(huán)繞產(chǎn)品對(duì)比試塊一周，能夠覆蓋從內(nèi)壁到外壁的范圍，無(wú)需重新設(shè)置參數(shù)。在單次掃查中就可以較為清晰地檢測(cè)并顯示出產(chǎn)品對(duì)比試塊上的長(zhǎng)橫孔和溝槽等人工缺陷，檢測(cè)結(jié)果信噪比高，成像效果好，分辨力好，可有效提高缺陷檢出率，大大提高了缺陷的檢測(cè)精度。從響應(yīng)幅值看，越是靠近內(nèi)壁，缺陷越明顯，這與仿真所得規(guī)律一致。而內(nèi)外壁的溝槽缺陷的響應(yīng)規(guī)律與仿真結(jié)果一致，且其響應(yīng)變化規(guī)律與試塊內(nèi)長(zhǎng)橫孔缺陷的響應(yīng)變化規(guī)律并不完全相同，都受到了內(nèi)外壁壁面聲場(chǎng)的影響?？傮w而言，筆者提出的相控陣超聲技術(shù)對(duì)產(chǎn)品對(duì)比試塊的內(nèi)外表面以及內(nèi)部缺陷均具有較高的檢測(cè)精度和可靠性。該技術(shù)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的定期檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)超高壓氫環(huán)境箱的結(jié)構(gòu)、材料、壓力等特征，提出了采用帶曲面楔塊的相控陣超聲聚焦周向檢測(cè)技術(shù)。為開展氫環(huán)境箱厚壁筒體的周向檢測(cè)，分析了扇掃方式的適應(yīng)性以及聚焦檢測(cè)工藝參數(shù)的選用原則，給出了檢測(cè)工藝的基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫環(huán)境箱厚壁筒體周向待測(cè)區(qū)域的無(wú)損檢測(cè)。

(2)采用超聲仿真研究了檢測(cè)過(guò)程中工件內(nèi)的聲場(chǎng)分布以及人工缺陷的響應(yīng)規(guī)律，分析了橫波聲場(chǎng)在產(chǎn)品對(duì)比試塊工件內(nèi)的聚焦效果。結(jié)果顯示，聲場(chǎng)仿真下雖然存在少量的旁瓣和柵瓣，但大部分能量仍集中在聲束主軸上，可獲得較好的聲場(chǎng)聚焦效果以及對(duì)不同位置、不同類型缺陷響應(yīng)的清晰成像。

(3)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造了帶人工缺陷的氫環(huán)境箱厚壁筒體產(chǎn)品對(duì)比試塊。試驗(yàn)表明，所提出的基于曲面楔塊耦合的相控陣超聲周向檢測(cè)方法對(duì)試塊內(nèi)外表面和內(nèi)部缺陷均具有較高的檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)精度和可靠性。該技術(shù)已成功應(yīng)用于浙江大學(xué)140 MPa氫環(huán)境箱的定期檢驗(yàn)。