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      基于CIVA 仿真小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè)的相控陣探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

      2021-01-24 14:27:00陳光宇陳永生陳仲武鄭國(guó)強(qiáng)龍晉桓張超才
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年4期
      關(guān)鍵詞:管座母管聲束

      陳光宇 ,陳永生 ,陳仲武 ,劉 滸 ,鄭國(guó)強(qiáng) ,龍晉桓 ,張超才

      (1.福建華電可門(mén)發(fā)電有限公司,福建 福州 350512;2.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 泉州裝備制造研究所,福建 晉江 362200)

      近年來(lái)火電發(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)生了多起小徑薄壁管座角焊縫泄漏事故,嚴(yán)重威脅電廠鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而管座角焊縫由于結(jié)構(gòu)及焊接工藝等影響,容易出現(xiàn)裂紋、根部未焊透及坡口未熔合等高危害性缺陷,這些缺陷隨著電廠鍋爐啟停和運(yùn)行發(fā)生擴(kuò)展,最終引起管座泄露和失效[1-2]。所以,研究小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè),提高缺陷檢測(cè)可靠性和檢出率,對(duì)電廠鍋爐的安全運(yùn)行有著重要意義。

      當(dāng)前用于小徑薄壁管座角焊縫的檢測(cè)方法中,磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)只能對(duì)小徑薄壁管座角焊縫的表面或近表面進(jìn)行檢測(cè),且容易出現(xiàn)缺陷漏檢[3]。射線檢測(cè)技術(shù)由于受到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件和結(jié)構(gòu)形式的限制,無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)或?qū)γ鏍钊毕輽z測(cè)靈敏度低[4]。由于管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊接接頭形式等因素影響,常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行管座角焊縫檢測(cè)也存在一定的局限性,存在管座角焊縫的缺陷識(shí)別、缺陷定位以及焊縫全覆蓋困難等問(wèn)題[5-7]。而相較于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù),超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)具備更強(qiáng)的檢測(cè)靈活性、更高的檢測(cè)效率和缺陷檢出率等優(yōu)勢(shì),已成為開(kāi)展小徑薄壁管座角焊縫檢測(cè)的一種較佳檢測(cè)手段。但目前針對(duì)接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的小徑薄壁管座角焊縫,由于其接管外徑小、壁厚薄等因素影響,使超聲相控陣檢測(cè)時(shí)聲場(chǎng)散射嚴(yán)重、超聲信號(hào)變形嚴(yán)重,導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度低和可靠性低,并且至今關(guān)于該規(guī)格管座角焊縫的檢測(cè)研究較少,因而尚未發(fā)現(xiàn)有合適的檢測(cè)方法。

      本文針對(duì)小徑薄壁管座角焊縫超聲檢測(cè)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn),利用CIVA 軟件開(kāi)展接管外徑小于32mm、壁厚2.5mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫的超聲相控陣檢測(cè)仿真研究,采用母管側(cè)接觸式橫波檢測(cè)方法,通過(guò)進(jìn)行聲場(chǎng)仿真和缺陷響應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣探頭參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),以進(jìn)一步提高焊縫缺陷檢出率,為實(shí)際開(kāi)展相控陣探頭研制和相控陣檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

      1 超聲相控陣檢測(cè)原理

      超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)控制換能器各個(gè)陣元按照延遲法則形成聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)區(qū)域缺陷直觀成像。而本文采用裝有楔塊的相陣探頭置于角焊縫的母管側(cè),采用超聲相控陣聚焦檢測(cè)方式用二次波對(duì)安放式小徑薄壁管座角焊縫進(jìn)行檢測(cè)。平面線性相控陣為超聲相控陣中典型陣列,將其各陣元近似為點(diǎn)聲源,通過(guò)特定延時(shí)法則使各個(gè)點(diǎn)聲源的聲場(chǎng)進(jìn)行疊加,從而實(shí)現(xiàn)聲束聚焦和偏轉(zhuǎn)。裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意圖如圖1 所示,建立直角坐標(biāo)系,以第1 個(gè)陣中心的坐標(biāo)點(diǎn)O(x0,z0)為參考點(diǎn),x 軸與楔塊底面平行,且其正向向右,而z 軸正向向下垂直于楔塊底面,假設(shè)聲束聚焦于焦點(diǎn)Q(xq,zq),聚焦深度為H。假設(shè)探頭陣元數(shù)目為N,陣元中心間距為P,第m 個(gè)陣元的坐標(biāo)點(diǎn)為M(xm,zm),其中 m 為整數(shù),且 1≤m≤N,第 m 個(gè)陣元聲束在楔塊和工件兩種介質(zhì)中傳播路徑分別為lm、Lm(m=1,2,…,N),第m 個(gè)陣元聲束到達(dá)楔塊和工件的界面時(shí)所在交點(diǎn)為 Bm(xbm,zbm),第 m 個(gè)陣元聲束到達(dá)楔塊和工件的界面時(shí)入射角為 αm(m=1,2,…,N),其在工件中的折射角為 βm(m=1,2,…,N),第一個(gè)陣元中心到楔塊底部距離為H0。另外,楔塊傾斜角為θ,其聲速為cw,而工件的聲速為cs。

      圖1 裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意圖

      如圖1 所示,楔塊和工件檢測(cè)面接觸進(jìn)行角焊縫檢測(cè)時(shí),第m 個(gè)陣元的聲束到焦點(diǎn)的時(shí)間為:

      假設(shè)一次激發(fā)N 個(gè)陣元,由式(1)可以求得每個(gè)陣元的聲束到達(dá)焦點(diǎn)的時(shí)間,從而確定出所有陣元的聲時(shí)最大值Tmax,因而可計(jì)算得到第m 個(gè)陣元的延遲時(shí)間為

      根據(jù)斯涅耳定律可得:

      由幾何關(guān)系可知:

      2 聲場(chǎng)仿真

      本文的仿真對(duì)象為安放式小徑薄壁管座角焊縫的檢測(cè)模型,利用CIVA 軟件構(gòu)建無(wú)缺陷模型,如圖2 所示。其母管材質(zhì)為Sa335-P91,尺寸規(guī)格為Φ610mm×17.5mm(外徑×壁厚,下同),其縱波聲速為6028m/s,橫波聲速為3300m/s,密度為7.78g/cm3;其接管材質(zhì)為不銹鋼,尺寸規(guī)格為Φ27mm×2.5mm,縱波聲速為5660m/s,橫波聲速為3120m/s,密度為8.03g/cm3;焊材為碳鋼,其縱波聲速為5900m/s,橫波聲速為 3230m/s,密度為 7.8g/cm3,焊接坡口為 50°。

      圖2 CIVA 軟件建立的仿真模型局部圖

      圖3 相控陣探頭放置于焊縫母管側(cè)不同位置示意圖

      另外,實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭要沿著焊縫圍繞支管進(jìn)行掃查,但管座角焊縫為馬鞍型,母管側(cè)不同位置曲率有差別,但角焊縫結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性,因而選擇將探頭置于母管側(cè) 0°、45°和 90°位置下進(jìn)行聲場(chǎng)仿真分析,如圖 3 所示。在探頭置于不同位置時(shí)利用CIVA 軟件分別進(jìn)行探頭工作頻率、陣元中心間距、一次激發(fā)陣元數(shù)和陣元曲率等不同參數(shù)下的聲場(chǎng)仿真分析,判斷并優(yōu)化超聲相控陣的聚焦效果,確定合適的探頭設(shè)計(jì)參數(shù)。另外,當(dāng)探頭陣列類(lèi)型、工作頻率、陣元中心間距和一次激發(fā)陣元數(shù)等參數(shù)變化時(shí),由于探頭置于母管側(cè)45°和90°位置的仿真結(jié)果與探頭置于母管側(cè)0°位置的仿真結(jié)果類(lèi)似,因此在本文中不做討論分析。

      2.1 探頭頻率的確定

      圖4 不同頻率下聲場(chǎng)仿真效果圖

      圖5 不同陣元中心間距下的聲場(chǎng)仿真效果圖

      探頭頻率較小時(shí),則波長(zhǎng)較大,造成檢測(cè)分辨力差,不利于小缺陷檢測(cè);而當(dāng)探頭頻率越大時(shí),則聲束主瓣寬度越小,指向性好,從而檢測(cè)分辨率高,但如果頻率過(guò)大,則聲束衰減嚴(yán)重,又不利于檢測(cè)。初始選取的探頭主要參數(shù):陣元中心間距為0.6mm、主動(dòng)孔徑為19.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。另外,為了將使聲場(chǎng)可以聚焦到焊縫區(qū)域,選取的聚焦深度為 35mm。在偏轉(zhuǎn)角為 0°時(shí)分別對(duì)2.5MHz、5MHz、7.5MHz 和 10MHz 等四個(gè)頻率進(jìn)行仿真分析,探頭置于母管側(cè)0°位置時(shí)的仿真結(jié)果如圖4 所示。

      從圖4 仿真結(jié)果可得:隨著探頭頻率的增加,聲束越集中,主瓣寬度越小;當(dāng)頻率為2.5MHz 時(shí),聲束并沒(méi)有在角焊縫區(qū)域聚焦;頻率為7.5MHz 和10MHz 時(shí),聚焦效果更佳,并且頻率為10MHz 時(shí),聚焦效果最佳。但由于頻率越大,聲束衰減越大,檢測(cè)靈敏度更低,因而探頭頻率選擇7.5MHz。

      2.2 探頭陣元中心間距的確定

      陣元中心間距是影響相控陣探頭聲學(xué)性能的基本參數(shù)。當(dāng)陣元中心間距越大時(shí),聲束指向性越好,所測(cè)區(qū)域聲壓幅值越大;但假如陣元中心間距過(guò)大時(shí),會(huì)產(chǎn)生大角度柵瓣,以至于形成偽像,影響檢測(cè),因而需要選取合適的陣元中心間距消除柵瓣的影響。選取的相控陣參數(shù):頻率為7.5MHz、陣元間隙為0.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。偏轉(zhuǎn)角為0°、聚焦深度為35mm 時(shí),選擇陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm 和 0.6mm,對(duì)它們進(jìn)行聲場(chǎng)仿真對(duì)比分析,探頭置于母管側(cè)0°位置式的仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

      從圖5 的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn):相較陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm 和 0.45mm,陣元中心間距分別為0.50mm、0.55mm 和0.6mm 焊縫區(qū)域的聚焦效果更佳。圖7 為圖6 中黑線(最上面的線)所在位置上X 軸方向的聲壓幅值曲線,根據(jù)圖6 的仿真結(jié)果得出:焊縫熔合線處十字標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)聲壓幅值隨陣元中心間距的增大而增大。本文未對(duì)Pitch 值大于0.6mm 時(shí)進(jìn)行聲場(chǎng)仿真,但考慮到Pitch 值過(guò)大、偏轉(zhuǎn)角度過(guò)大時(shí),會(huì)產(chǎn)生柵瓣,而且探頭和楔塊尺寸會(huì)隨著Pitch 值增大而增加,加重曲率的影響。因而最終陣元中心間距選擇0.6mm。

      2.3 一次性激發(fā)陣元數(shù)目確定

      圖6 不同陣元中心間距下的聲壓幅值比較

      圖7 不同陣元激發(fā)數(shù)的聲場(chǎng)效果圖

      主動(dòng)孔徑越大即一次激發(fā)陣元數(shù)目越多,聲束能量越集中,聲束焦點(diǎn)越小,分辨力也越高;但一次激發(fā)陣元數(shù)目越多,近場(chǎng)長(zhǎng)度變大,近場(chǎng)盲區(qū)更大,不利于檢測(cè)。本文選取頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、陣元間隙為0.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、鋼中折射角55°橫波斜楔塊探頭等探頭參數(shù),在聚焦深度為35mm、偏轉(zhuǎn)角為0°時(shí),分別一次激發(fā)8、16、32 陣元進(jìn)行聲場(chǎng)仿真,仿真結(jié)果如圖7 所示。

      表1 不同陣元曲率半徑下測(cè)試位置的聲壓幅值

      表2 相控陣探頭主要設(shè)計(jì)參數(shù)

      根據(jù)圖7 結(jié)果可得:當(dāng)一次激發(fā)8 和16 個(gè)陣元時(shí),聲束聚焦效果不佳,并沒(méi)有在焊縫區(qū)域聚焦;而一次激發(fā)32 陣元時(shí),相較一次激發(fā)8、16 個(gè)陣元,聲束在焊縫區(qū)域聚焦效果更佳,焦柱更小,具有更高分辨力。因而選擇一次性激發(fā)陣元數(shù)目為32。

      2.4 陣元曲率的確定

      曲面自聚焦線陣探頭的陣元在陣元長(zhǎng)度方向?yàn)橹?,可?shí)現(xiàn)該方向聚焦,降低管壁曲率的影響,使得聲束更集中。當(dāng)陣元曲率過(guò)小時(shí),聲束依舊曲率影響造成發(fā)散現(xiàn)象;陣元曲率過(guò)大,則使得聲束聚焦深度縮短,造成聲束無(wú)法聚焦到檢測(cè)區(qū)域。選取已確定的探頭參數(shù):頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、主動(dòng)孔徑為19.1mm、陣元長(zhǎng)度為10mm、一次激發(fā)陣元數(shù)目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。本文分別進(jìn)行了探頭置于母管側(cè)0°、45°和90°位置時(shí)不同曲率下的40°~55°角度范圍扇型掃查的聲場(chǎng)二維仿真,結(jié)果如圖8 所示。

      圖8 的聲場(chǎng)仿真效果圖是以平面線陣探頭聲場(chǎng)仿真的聲壓幅值最高點(diǎn)為參考基準(zhǔn)獲得的,平面線陣探頭的陣元曲率半徑為∞mm,根據(jù)圖8 的結(jié)果可得出:探頭處于母管側(cè)0°位置,采用平面線陣探頭時(shí),焊縫區(qū)域的聲束聚焦效果更差;探頭處于母管側(cè)45°和90°位置,采用平面線陣探頭和陣元曲率半徑為25mm 的曲面自聚焦探頭時(shí),焊縫區(qū)域的聲束聚焦效果更差;其中探頭處于母管側(cè)45°位置時(shí),由于該位置結(jié)構(gòu)影響,造成焊縫區(qū)域仿真結(jié)果出現(xiàn)一些異常點(diǎn)。根據(jù)表1 可得到:探頭處于0°位置,曲率半徑為50mm 時(shí)所測(cè)靠近焊縫熔合線位置的測(cè)試點(diǎn)(位置標(biāo)記線的交叉點(diǎn))聲壓幅值最大;而探頭處于45°和90°位置,曲率半徑為100mm 時(shí)所測(cè)靠近焊縫熔合線位置的測(cè)試點(diǎn)聲壓幅值最大。因而考慮到實(shí)際檢測(cè)時(shí)探頭需要適合三個(gè)不同檢測(cè)位置,因而最終選取探頭的陣元曲率半徑為100mm。

      綜上所述,通過(guò)聲場(chǎng)分析確定了相控陣探頭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

      3 缺陷響應(yīng)

      為了驗(yàn)證所確定相控陣探頭參數(shù)的可靠性以及相控陣探頭的檢測(cè)能力,本文基于CIVA 軟件在已建立的無(wú)缺陷模型上進(jìn)行缺陷設(shè)計(jì),采用CIVA 中的多面缺陷、矩形平面缺陷、圓柱形夾雜缺陷、球形缺陷、多面缺陷、多面缺陷分別模擬了根部未焊透、坡口未熔合、夾雜、氣孔、管道熔合線裂紋和坡口裂紋等六種典型缺陷,如圖9 所示。缺陷的尺寸分別是:根部未焊透的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、坡口未熔合的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、夾雜的直徑×長(zhǎng)為1×2mm、氣孔的直徑為1mm、管道熔合線裂紋的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm、坡口裂紋的寬×長(zhǎng)為1mm×2mm,其中根部未焊透位于焊縫根部位置、坡口未熔合和坡口裂紋處于靠近接管側(cè)管道熔合線中間位置、夾雜和氣孔位于焊縫中間位置、管道熔合線裂紋處于靠近母管側(cè)管道熔合線中間位置。

      本文采用聲場(chǎng)仿真確定的探頭參數(shù)對(duì)有缺陷模型進(jìn)行掃查,將探頭置于母管側(cè)0°位置,探頭楔塊前沿距離焊縫邊緣19.26mm,采用扇型掃查,由于焊縫區(qū)域較小,角度范圍選擇為 40°~55°、間距為 0.5°,可實(shí)現(xiàn)聲束對(duì)焊縫區(qū)域全覆蓋。

      仿真結(jié)果與分析:

      圖9 有缺陷小徑薄壁管座角焊縫模型缺陷位置示意圖

      六種典型缺陷的S 掃圖如圖10 所示,根部未焊透的S 掃圖如圖 10(a)所示,從圖 10(a)仿真結(jié)果可見(jiàn),聲束幾乎垂直打在根部未焊透缺陷上,由于缺陷存在一個(gè)端角結(jié)構(gòu),聲束反射及衍射較強(qiáng),回波幅值較高,該缺陷的檢測(cè)具有較高的檢測(cè)靈敏度;如圖10(b)為坡口未熔合的S 掃圖,從仿真結(jié)果可以看出,由于隨著扇掃角度的變化,主聲束垂直達(dá)到缺陷處時(shí),該缺陷處回波信號(hào)幅值較高;夾雜的 S 掃圖如圖 10(c)所示,從圖 10(c)可見(jiàn),當(dāng)主聲束垂直達(dá)到該缺陷右下方底面時(shí),回波信號(hào)幅值較高;圖 10(d)為氣孔的 S 掃圖,從圖 10(d)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)主聲束垂直達(dá)到該氣孔右下表面時(shí),其回波信號(hào)較高;如圖10(e)為管道熔合線裂紋的 S 掃圖,從圖 10(e)可得出,該裂紋兩端由于衍射影響而回波幅值較高,而中間部分由于缺陷方向與聲束方向的角度較小,聲束被反射到其他地方造成回波較弱;圖10(f)為坡口裂紋的S 掃圖,從圖10 可以發(fā)現(xiàn),該裂紋的S 掃圖和圖10(b)的坡口未熔合S 掃圖相似,但由于該裂紋未波折形,會(huì)對(duì)聲束造成一定發(fā)散,因而相較坡口裂紋處的回波信號(hào)幅值,其回波信號(hào)幅值更低。

      綜合以上缺陷仿真結(jié)果,采用該探頭設(shè)計(jì)參數(shù)和檢測(cè)方法,可以對(duì)上述缺陷進(jìn)行有效檢測(cè),且具有較高的檢測(cè)靈敏度,并能對(duì)它們實(shí)現(xiàn)定位和定量,為相控陣探頭研制和檢測(cè)工藝制定提供了重要的理論依據(jù)。

      4 結(jié)論

      圖10 六種典型缺陷的S 掃圖

      本文針對(duì)接管外徑27mm、壁厚2.5mm 的小徑薄壁管座角焊縫,通過(guò)采用母管側(cè)接觸式橫波檢測(cè)的方法進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)的CIVA 仿真研究,在探頭處于母管側(cè)不同位置時(shí)開(kāi)展了不同相控陣探頭參數(shù)下的聲場(chǎng)仿真分析,確定了相控陣探頭參數(shù)包括頻率、陣元中心間距、一次激發(fā)陣元數(shù)和陣元曲率等,并進(jìn)行了六種典型缺陷的缺陷響應(yīng)模擬,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)相控陣探頭設(shè)計(jì)參數(shù)檢測(cè)能力的驗(yàn)證,為實(shí)際開(kāi)展接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫超聲相控陣檢測(cè)奠定了良好基礎(chǔ),并為其相控陣探頭研制和檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

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