壓力容器板材中氫鼓泡缺陷的超聲Lamb波檢測

楊　齊,陳定岳,陳　虎,王　杜

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院, 北京 100013；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 寧波 315048)

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壓力容器板材中氫鼓泡缺陷的超聲Lamb波檢測

楊齊1,陳定岳2,陳虎2,王杜2

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院, 北京 100013；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院, 寧波 315048)

采用WAVE 2000數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)一16 mm厚人工模擬試板的內(nèi)壁鼓包缺陷進(jìn)行超聲Lamb波仿真模擬，模擬結(jié)果表明,采用Lamb波從外壁對(duì)壓力容器板材內(nèi)壁氫鼓泡檢測是可行的;同時(shí),給出了最優(yōu)檢測參數(shù)，為實(shí)際檢測提供了Lamb波模式、頻率、入射角度等參數(shù)的選擇參考。根據(jù)仿真結(jié)果，采用最優(yōu)檢測參數(shù)對(duì)人工模擬試板進(jìn)行Lamb波的實(shí)際檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明：該方法檢測效果良好，不僅能夠檢出缺陷，而且缺陷定位精度也較高。

Lamb波；氫鼓泡；仿真

處于濕硫化氫環(huán)境中的壓力容器板材可能會(huì)產(chǎn)生氫鼓泡(HB)缺陷。氫鼓泡的產(chǎn)生機(jī)理為：由于金屬表面硫化物腐蝕產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散進(jìn)入鋼中，并在鋼中的不連續(xù)處(如夾雜物、分層等)聚集并結(jié)合生成氫分子，造成氫分壓升高并引起不連續(xù)處的邊緣局部受壓；當(dāng)缺陷處的氫壓超過材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)會(huì)形成小裂紋，小裂紋隨著內(nèi)部氫壓的增大而在自身所在的平面內(nèi)擴(kuò)展，并使得夾雜物與基體界面發(fā)生分離而產(chǎn)生分層；當(dāng)分層內(nèi)的氫壓大到足以使周圍金屬材料發(fā)生局部塑性變形時(shí)，在材料近表面將會(huì)出現(xiàn)鼓泡[1]。氫鼓泡容易在常溫下發(fā)生，且它的發(fā)生不需要任何外加應(yīng)力，具有較大危害性。圖1是某壓力容器內(nèi)壁出現(xiàn)密集HB缺陷的示例。

圖1　某壓力容器內(nèi)壁出現(xiàn)密集HB缺陷的示例

壓力容器板材中氫鼓泡缺陷多產(chǎn)生于容器內(nèi)壁，具有很強(qiáng)的隱蔽性，采用常規(guī)方法檢測容易漏檢；故在有限的檢修時(shí)間內(nèi)，如何從壓力容器外壁對(duì)氫鼓泡缺陷進(jìn)行快速有效的檢測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。超聲Lamb波在大面積板材，尤其是壁厚為20 mm以下的板材缺陷的快速檢測中，具有其他方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其只需沿板材直線移動(dòng)探頭即可對(duì)探頭前方幾米范圍內(nèi)的缺陷(無論是板材表面還是內(nèi)部缺陷)進(jìn)行快速全面的檢測。為探討超聲Lamb波檢測板材中氫鼓泡缺陷的可行性并確立最優(yōu)參數(shù)模式，筆者對(duì)試板中氫鼓泡人工模擬缺陷進(jìn)行超聲Lamb波檢測的仿真模擬，為現(xiàn)場實(shí)際檢測提供Lamb波模式、頻率、入射角度等重要參數(shù)選擇提供參考；并依據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)試板進(jìn)行Lamb波的實(shí)際檢測試驗(yàn)。

1　人工模擬試板

設(shè)計(jì)制作了一塊人工試板(材料為20鋼)來模擬氫鼓泡(HB)缺陷。試板厚度為16 mm，長度為1 600 mm，設(shè)計(jì)有一處內(nèi)表面鼓包缺陷，采用線切割加工與數(shù)控銑削相結(jié)合的方式加工鼓包，鼓包直徑20 mm，鼓起高度10 mm，長200 mm，如圖2所示。

圖2　HB人工模擬試板尺寸示意

2　超聲Lamb波特性及模式選擇

超聲Lamb波與常規(guī)超聲波的最大區(qū)別在于其具有頻散性以及多模式性，且每種模式的傳播速度即群速度均不相同[2]。采用DISPERSE軟件計(jì)算出鋼板材料中的Lamb波群速度曲線，見圖3(a)。其中各曲線分別表示對(duì)稱模式(S mode)與反對(duì)稱模式(A mode)。由曲線可知，頻率越高，可能激發(fā)的模式越多。因此檢測前先進(jìn)行仿真分析，確定最優(yōu)檢測模式，從而選擇最佳的探頭頻率和入射角度。

圖3　超聲Lamb波群速度曲線和激發(fā)角頻散曲線

從圖3(a)中可以看出，對(duì)稱模式Lamb波的群速度峰值比反對(duì)稱模式Lamb波的群速度峰值要大，尤其在頻厚積不大的情況下更為明顯。實(shí)際檢測中,主要關(guān)注的是缺陷反射回波的波幅，所以一般采用對(duì)稱模式作為檢測模式更為合理，這主要是因?yàn)長amb波遇到障礙物反射后一般會(huì)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，只有選擇群速度最大的模式才能在眾多復(fù)雜的回波模式中首先被檢測接收到，從而利于后續(xù)的信號(hào)處理和結(jié)果分析。

由圖3(a)可知，對(duì)于16 mm的板材，S0和S1模式Lamb波的激發(fā)頻率很低，實(shí)際檢測時(shí)探頭難以制作，而高頻率探頭可能激發(fā)出過多的高階模式波而造成干擾。故選擇使用S2～S4四種相對(duì)低階的對(duì)稱模式Lamb波進(jìn)行仿真模擬。由相速度頻散曲線可計(jì)算Lamb波激發(fā)角頻散曲線，如圖3(b)所示。針對(duì)16 mm厚鋼板，根據(jù)頻厚積公式，采用有機(jī)玻璃作為入射楔塊材料，根據(jù)有機(jī)玻璃縱波速度2 720 m·s-1，得到這四種模式Lamb波在鋼板中傳播的頻率、波速及入射角，如表1所示。

表1　16 mm厚鋼板中Lamb波模式選擇

3　人工HB試板模擬仿真

采用WAVE 2000數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行Lamb 波傳播的仿真模擬。

3.1模型構(gòu)建

針對(duì)人工模擬試板的特點(diǎn)，采用WAVE 2000軟件建立的內(nèi)壁HB缺陷模型如圖4所示，模擬在鋼板外側(cè)檢測鋼板內(nèi)側(cè)的氫鼓泡。試板長度為1 500 mm，厚度為16 mm，氫鼓泡缺陷到接收換能器的距離大于1 000 mm。

圖4　HB缺陷仿真建模示意

仿真主要對(duì)S2、S3、S4、S5四種模式進(jìn)行研究，并且主要選擇的頻厚積是位于群速度最大值的位置，這時(shí)信號(hào)回波傳播最快，便于信號(hào)分析。對(duì)接收到的Lamb波信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換(STFT)[3-5]，得到波形信號(hào)在時(shí)頻域中的分布，通過與理論時(shí)頻分布曲線比較可有效識(shí)別出信號(hào)中的Lamb波模式[6]，并與無缺陷仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.2S2模式的仿真

采用表1中的參數(shù)進(jìn)行S2的模式選擇，激發(fā)頻率為0.375 MHz，周期數(shù)為10個(gè)脈沖周期，入射角度為24.9°，接收到的時(shí)域信號(hào)如圖5所示。

圖5　激發(fā)為S2模式的導(dǎo)波信號(hào)

從圖5可看出，沒有氫鼓泡缺陷的時(shí)候，S2模式信號(hào)傳播經(jīng)過右端面反射回來，信號(hào)非常強(qiáng)，模式轉(zhuǎn)換信號(hào)比較弱或者在一個(gè)傳播時(shí)間上滯后，沒有顯示出來。而含有氫鼓泡缺陷時(shí)，接收到的信號(hào)比較復(fù)雜，含有經(jīng)過缺陷反射的回波S2模式(圖中用S2-缺陷1，2表示，這是因?yàn)闅涔呐萑毕荼容^大，缺陷左端和右端都存在反射信號(hào))、經(jīng)過氫鼓泡缺陷反射回來的A2轉(zhuǎn)換模式、以及由右端面反射回來的S2模式。

另外，從圖5還可看出，通過對(duì)S2模式經(jīng)過氫鼓泡缺陷左右兩端的反射信號(hào)進(jìn)行分析，可以得到氫鼓泡的位置以及缺陷長度?？紤]到Lamb波的頻散性以及多模式性，在有些情況下FFT信號(hào)處理方式很難將時(shí)域上非常復(fù)雜和重疊的信號(hào)區(qū)分清楚，而短時(shí)傅里葉變換STFT方法可在時(shí)域和頻域上同時(shí)將導(dǎo)波信號(hào)區(qū)分開。圖6給出了STFT的分析結(jié)果，圖7給出了對(duì)應(yīng)頻率的幅值最大處的時(shí)間切片信息。表2為S2模式的相關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖6　S2模式STFT時(shí)頻能量譜圖

圖7　S2模式幅值最大處的時(shí)間切片

從圖6,7以及表2可以看出，激發(fā)頻率為0.375 MHz，入射角度為24.9°的S2模式對(duì)于氫鼓泡的檢測是比較敏感的，時(shí)域信號(hào)上的缺陷回波S2模式非常明顯，并且通過分析缺陷的兩個(gè)S2回波可以確定缺陷的位置以及長度。此外，經(jīng)過STFT的時(shí)頻信號(hào)分析，還可以看出缺陷的存在導(dǎo)致S2模式的模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生比較明顯的A2模式。因此，從仿真結(jié)果可以看出該頻率和角度下的S2模式非常適用于氫鼓泡缺陷的檢測。

表2　S2模式數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯總

3.3S3、S4和S5模式的仿真

采用表1中的參數(shù)進(jìn)行S3的模式選擇，接收到的時(shí)域信號(hào)如圖8所示。從圖8可看出，沒有氫鼓泡缺陷的時(shí)候，S3模式信號(hào)經(jīng)過右端面反射回來，信號(hào)非常強(qiáng)，而且在尾部存在明顯的模式轉(zhuǎn)換信號(hào)。而含有氫鼓泡缺陷時(shí)，接收到的信號(hào)非常復(fù)雜，在信號(hào)最前面的首波是經(jīng)過缺陷反射的回波S3模式(圖中用S3-缺陷表示)，首波之后的波難以區(qū)分，應(yīng)該是由缺陷造成的S2、A3和A4模式轉(zhuǎn)化。此外，S3模式經(jīng)過右端面反射回來的信號(hào)比無缺陷狀態(tài)下的信號(hào)要弱一些。

圖8　激發(fā)為S3模式的導(dǎo)波信號(hào)

同樣，為了能夠區(qū)分不同的導(dǎo)波模式，采用STFT時(shí)頻分析得到的信號(hào)如圖9所示。圖10給出了對(duì)應(yīng)頻率的幅值最大處的時(shí)間切片信息。表3為S3模式相關(guān)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

表3　S3模式數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯總

圖9　S3模式 STFT時(shí)頻能量譜圖

圖10　S3模式幅值最大處的時(shí)間切片

從圖9,10以及表3可以看出，激發(fā)頻率為0.563 MHz，入射角度為25.2°的S3模式對(duì)于氫鼓泡的檢測也是比較敏感的，缺陷引起的S3回波比較明顯，但是時(shí)域信號(hào)上的缺陷回波S3模式比S2模式的回波要弱不少。經(jīng)過STFT的時(shí)頻信號(hào)分析，還可看出缺陷的存在導(dǎo)致了S3模式的模式轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了比較明顯的S2、A3以及A4的模式，這些模式混疊在一起，難以在時(shí)域信號(hào)中區(qū)分開。因此，從仿真結(jié)果可看出，該頻率和角度下的S3模式也適用于氫鼓泡缺陷的檢測。

采用表1中的參數(shù)進(jìn)行S4和S5的模式選擇，接收到的時(shí)域信號(hào)分別如圖11和圖12所示。

圖11　激發(fā)為S4模式的導(dǎo)波信號(hào)

圖12　激發(fā)為S5模式的導(dǎo)波信號(hào)

從圖11,12可看出，無論有沒有氫鼓泡缺陷，S4和S5模式回波信號(hào)的波形特征沒有太大區(qū)別，僅僅在幅值上略微有些差異；而且經(jīng)過缺陷反射回來的信號(hào)幅值非常小。同樣進(jìn)行STFT分析，S4、S5模式的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

從表4可看出，無論是S4還是S5模式入射，從氫鼓泡缺陷處反射回來的回波都很弱，幅值非常小，且反射后波型轉(zhuǎn)換信號(hào)較為復(fù)雜，頻散嚴(yán)重。可見S4和S5模式對(duì)于氫鼓泡的檢測均不敏感，不利于檢測。

表4　S4和S5模式數(shù)據(jù)處理結(jié)果匯總

4　Lamb波檢測試驗(yàn)

根據(jù)WAVE 2000軟件仿真結(jié)果，采用最優(yōu)檢測參數(shù)，即中心頻率為0.375 MHz、入射角度為24.9°的導(dǎo)波探頭，激發(fā)產(chǎn)生主要模式為S2的Lamb波，從外壁對(duì)人工模擬試板中的內(nèi)壁鼓包缺陷(φ20 mm鼓包，鼓起高度為10 mm，長度為200 mm，如圖13中橢圓部位所示)進(jìn)行檢測試驗(yàn)。檢測儀器采用以色列某公司生產(chǎn)的ISONIC 2010型便攜式高頻導(dǎo)波檢測儀。

圖13　人工模擬試板內(nèi)壁鼓包的Lamb波檢測

圖14　不同檢測距離時(shí)Lamb波成像檢測結(jié)果

分別從距離鼓包缺陷100～1 000 mm處進(jìn)行導(dǎo)波檢測，得到的缺陷回波均較大，鼓包后面的板端面回波較無缺陷時(shí)均明顯下降；當(dāng)檢測距離增大時(shí)，鼓包缺陷回波和鼓包后面的板端面回波均下降。距離鼓包600,1 000 mm時(shí)的Lamb波檢測結(jié)果如圖14所示，圖像的水平軸為探頭掃查距離，垂直軸為Lamb波傳播距離。例如圖14(a)中的600 mm(儀器中成像顯示的Lamb波傳播距離，下同)附近出現(xiàn)的很高的回波信號(hào)為φ20 mm鼓包缺陷的反射波，1 000 mm附近出現(xiàn)的較高回波信號(hào)為板端面回波，0 mm附近出現(xiàn)的波幅很高的信號(hào)為儀器初始脈沖信號(hào)?？梢奓amb波對(duì)于φ20 mm的內(nèi)壁鼓包缺陷有很好的檢出能力。

當(dāng)探頭前端距離試板左端為900 mm時(shí)沿直線掃查，掃查長度為149 mm，探頭前端距離鼓包最高處的距離為590 mm，距離鼓包外部左右輪廓的距離分別為580,600 mm，距離鼓包內(nèi)部左右輪廓的距離范圍分別為578,602 mm，其Lamb波成像檢測結(jié)果見圖14(a)，數(shù)據(jù)分析見表5。由表5可知，導(dǎo)波對(duì)于φ20 mm內(nèi)鼓包缺陷的檢測定位精度較高，誤差小于10.5 mm，誤差率小于檢測距離的1.8%。

5　結(jié)論

采用WAVE2000數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)一塊厚16 mm的人工模擬試板內(nèi)壁鼓包缺陷進(jìn)行超聲Lamb波仿真模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了采用Lamb波從外壁對(duì)壓力容器板材內(nèi)壁氫鼓泡檢測的可行性，同時(shí)給出了最優(yōu)檢測參數(shù)，即激發(fā)頻率為0.375 MHz，入射角度為24.9°的S2模式適用于氫鼓泡缺陷的檢測。

表5　內(nèi)壁φ20 mm鼓包缺陷導(dǎo)波檢測結(jié)果

根據(jù)WAVE2000軟件仿真結(jié)果，采用最優(yōu)檢測參數(shù)對(duì)人工模擬試板進(jìn)行Lamb檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法檢測效果不僅能夠檢出缺陷，而且缺陷定位精度也較高。

[1]任學(xué)沖，單廣斌，褚武揚(yáng)，等.氫鼓泡的形核、長大和開裂[J].科學(xué)通報(bào).2005,50(16)：1689-1692.

[2]王杜.金屬薄板的超聲蘭姆波無損檢測[D]. 武漢:武漢科技大學(xué),2007.

[3]張賢達(dá)，保錚.非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998:52-62.

[4]L 科恩.時(shí)頻分析理論與應(yīng)用[M].白居憲,譯.西安：西安交通大學(xué)出版社, 1998:23-47.

[5]PROSER W H, SEALE M D. Time-frequency analysis of the dispersion of Lamb modes[J]. J Acoust Soc Am, 1999:105(5): 2669-2676.

[6]王杜，鄭祥明，唐正連，等. 蘭姆波在薄鋼板無損檢測中的應(yīng)用研究[J].無損檢測,2007,29(4):193-196.

Ultrasonic Lamb Wave Testing of Hydrogen Bubble in Pressure Vessel Plate

YANG Qi1,CHEN Ding-yue2, CHEN Hu2, WANG Du2

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100013, China;2.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

WAVE 2000 numerical software was used for ultrasonic Lamb wave simulation of the inner wall bubble defect of a 16 mm thick artificial test plate.The results showed that it was feasible to detect the hydrogen bubbles in the inner wall of pressure vessel plate by using Lamb wave from the outer wall, and the optimal detection parameters were given, the reference of important parameters such as Lamb wave mode, frequency, incidence angle for actual testing was provided.According to the simulation results, the optimal detection parameters were used for Lamb wave testing, which was not only able to detect defect, but also had high localization accuracy.

Lamb wave; Hydrogen bubble; Simulation

2016-04-29

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014QK172)；中石化鎮(zhèn)海煉化分公司科研資助項(xiàng)目(2014KF002)

楊齊(1982- )，男，碩士，工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備無損檢測、評(píng)價(jià)及仿真模擬等方面的研究。

王杜，E-mail: wangdu_728@126.com。

10.11973/wsjc201610013

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0053-07