厚壁管道內部缺陷的超聲柔性探頭仿真分析＊

肖 琨 王 強 胡 棟 劉富君

（中國計量學院質量與安全工程學院1） 杭州 310018） （浙江省特種設備檢驗研究院2） 杭州 310018）

0 引 言

相控超聲檢測一般使用剛性探頭，這種探頭在制作和定位上相對較為容易，但對于彎頭、噴頭及管道等表面不平整的工件，只能使用楔塊進行匹配.如果工件表面較為復雜，檢測時往往需要很多的楔塊匹配工件的不同部位，這種方法浪費了人力物力，增加了檢測成本［1－5］.在剛性探頭基礎上發展起來的柔性探頭則可以很好的與曲面工件匹配，從而提高缺陷的檢出率.

目前，國外在柔性探頭的研究上已經取得了一些成果.加拿大國家研究委員會（NRC）和麥吉爾大學在研究可應用在300℃高溫環境下的柔性探頭［6］.英國帝國理工學院開發了一種內部封裝了液體的彈性膜結構的柔性傳感器，目前已近取得了很好的效果［7］.法國IMASONIC 公司已經生產出了商業化的柔性探頭.法國M2M 公司則推出了可以使用柔性探頭進行探傷的超聲檢測儀.法國原子能委員會（CEA）開發出了CIVA 無損檢測仿真軟件，該軟件集成了數據處理、成像及模擬工具，可以直接、方便地將實驗數據和仿真結果進行對比［8－10］.法國原子能委員會在最優超聲波陣列設計技術上也取得了很大的突破［11］.

厚壁管道等曲面形工件在核電等工業領域中有著廣泛的應用，但目前該類型工件內部缺陷的無損檢測，仍然是一個全球性的難題.本文基于CIVA 無損檢測仿真軟件，設計了24 陣元的1D柔性探頭，并對探頭的中心頻率、陣元中心距及陣元寬度等關鍵性技術參數進行了優化，在CIVA無損檢測仿真軟件上，分別采用柔性探頭和剛性探頭對厚達72.3mm 的厚壁不銹鋼管道的裂紋、分層及夾雜3種內部缺陷進行超聲波無損檢測，定性及定量的比較了2種探頭檢測結果的區別.

1 超聲柔性探頭原理

超聲柔性探頭工作原理見圖1.柔性探頭與剛性探頭最主要的區別是柔性探頭的各陣元可以相對滑動，陣列中各陣元保持相對獨立，可視為一個個獨立的小孔徑探頭［12］.柔性探頭在檢測中可以良好匹配被檢工件表面，從而提高檢測精度，提升其對不銹鋼厚壁管道內部缺陷的檢測能力.

圖1 超聲柔性探頭工作原理圖

2 超聲柔性探頭成像模型

假設柔性探頭的陣元位置已知（實際檢測中可以使用輪廓儀獲得），根據回波信號以及延時求和規則就可以建立聚焦圖像.其成像模型見圖2.聚焦點f（x，z）的幅值可表示為［13］

式中：x，z為聚焦點坐標；m，n分別為發射及接受超聲波波束的陣元索引號；e（t，um，vm）為回波數據；t為超聲波在工件中的傳播時間；um＝mΔu，un＝nΔu分別為發射及接受超聲波波束的陣元與探頭起點的距離；Δu為相鄰2個陣元的中心距；c為超聲波在工件中的傳播速度；rm，rn為聚焦點（x，z）與發射及接收超聲波波束陣元（Xm，Zm）和（Xn，Zn）的距離

其中：Xm＝X（um）和Zm＝Z（um）分別為發射及接受超聲波波束陣元的坐標.

圖2 超聲柔性探頭成像模型圖

由于不銹鋼材料內部粗晶顆粒產生的弱散射、缺陷產生的中等強度散射和底面產生的強散射三者的共同作用，f（x，z）存在一個很大的動態變化范圍，因此有必要調整聚焦圖像的幅值范圍.可行的方法有：（1）參考幅值最高的信號、標準試塊的校準信號或底面反射信號，將回波信號幅值建立在對數坐標系；（2）去掉一些幅值低于下限門檻值的信號.具體公式表示為

式中：fref為對數坐標系的參考幅值；imin＝20dB為下限門檻值.

3 工件及探頭設置

本文仿真的厚壁管道外徑932mm、壁厚72.3 mm［14］，材料為不銹鋼，結構均勻，材料密度7.8 g／cm3，縱波聲速5900m／s，橫波聲速3230m／s.

由于裂縫、分層和夾雜是管道中常見的缺陷形式，本文在管道內部設置有3處缺陷.缺陷從左至右分別為10mm×2mm、傾斜10°的橫向裂紋，5mm×5mm 的分層缺陷和直徑4 mm、內部為鋁的夾雜缺陷，缺陷詳細位置及尺寸見圖3.

圖3 工件及缺陷示意圖

4 缺陷響應

本文設計的超聲柔性探頭模擬法國IMASONIC公司推出的TCI2－1.4x17 型1D柔性探頭.該探頭陣元數24，中心頻率2 MHz，陣元節距1.4mm，陣元寬度17mm.本文設計的剛性探頭參數與柔性探頭相同，楔塊折射角為55°.檢測中采用機械掃查的方式，探頭沿工件表面從左向右掃查100mm，步進1 mm，柔性探頭和剛性探頭的聚焦起點如圖3所示；在CIVA 軟件中剛性探頭使用的楔塊與工件的匹配可以使用Matched Connector的選項，使用這個選項之后，CIVA 會認為楔塊與工件良好匹配.

本次仿真使用的聚焦方法為單點聚焦，柔性探頭和剛性探頭的2D 效果圖見圖4.

圖4 柔性探頭與剛性探頭單點聚焦效果圖

從圖4可看出，柔性探頭的聚焦效果遠好于剛性探頭.柔性探頭幾乎將能量全部集中到一個點上，而剛性探頭由于楔塊和工件表面微小縫隙的影響，很多的波束沒有匯聚到期望的聚焦點上.

經過CIVA 仿真得到的A 掃描圖像見圖5.

圖5 超聲A 掃描圖像

從圖5可看出，對于橫向裂紋，柔性探頭可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應，而剛性探頭只能在缺陷的邊緣處獲得缺陷響應.柔性探頭缺陷響應的中心位置為23mm，與預期25mm 相近；剛性探頭分別在6mm 和19mm 獲得了2處缺陷響應，與預期結果10，19mm 同樣比較相近.

對于分層缺陷，柔性探頭同樣可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應，而剛性探頭只能在缺陷的邊緣處獲得缺陷響應.柔性探頭缺陷響應的中心位置為50mm，與預期50mm 一致；剛性探頭缺陷響應的位置為37～47mm，與預期結果37.5 mm、42.5mm 相近.

對于4mm 夾雜缺陷，柔性探頭缺陷響應的位置為78mm，與預期75mm 相近，缺陷波的幅值大約為－13dB 可以很容易的識別出來；而剛性探頭幾乎不能檢測到直徑4mm 的夾雜缺陷.

根據圖5所示，柔性探頭和剛性探頭相比，至少有2個優勢：（1）可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應信號；（2）可以較清晰的顯示夾雜缺陷.

經過CIVA 仿真得到的B 掃描圖像和缺陷在工件中顯示的圖像見圖6～7.

圖6 超聲B掃描

圖7 缺陷響應在工件中顯示

CIVA 軟件自動去掉了一部分沒有缺陷響應的圖像，因此圖6顯示的缺陷信號靠近B 掃描圖像上部，缺陷的真實深度可以在圖7中獲得.從圖6～7 可知，柔性探頭不僅可以精確對缺陷定位（位置和深度），還可對缺陷進行定量（缺陷長度）及定性（缺陷類型）的表征，便于檢測人員識別裂紋缺陷的長度甚至角度、分層缺陷的長度及夾雜缺陷的直徑等信息.而剛性探頭只能提供工件中存在缺陷的信息，難以獲得其他信息，且剛性探頭較難檢測到4mm 的夾雜缺陷.

5 結 論

1）超聲柔性探頭可以在整個缺陷位置處獲得有用信息，而剛性探頭只能在缺陷邊緣獲得有用信息.

2）超聲柔性探頭檢測直徑4 mm 夾雜缺陷的性能優于剛性探頭.

3）超聲柔性探頭在厚壁管道等曲面形工件的10mm×2 mm、傾斜的橫向裂紋，5 mm×5 mm 的分層和直徑4mm、內部為鋁的夾雜缺陷的定位、定量及定性綜合性能優于剛性探頭.

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