水-鋼界面凸面相控陣聲場仿真

郭偉燦，錢盛杰，繆存堅

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

采用凸面超聲相控陣探頭對管狀設備進行內檢測，針對水-鋼二層介質的結構特征，理論分析了相控陣聲場的聚焦性能。根據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時間，設計了水-鋼二層介質相控陣聚焦法則。利用CIVA軟件對相控陣聲場進行建模仿真研究，確定了陣元數目、陣元尺寸、超聲波頻率等相控陣探頭參數。最后，根據優化后的相控陣參數研制了512大陣元數雙層結構的圓環形探頭，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，能夠實現管狀設備的腐蝕和埋藏缺陷的內檢測。

管狀設備；內檢測；超聲檢測；相控陣；超聲仿真

儲氣井和壓力管道等管狀設備通常是埋地和架空敷設，在外面對其進行檢測十分困難。如何實現不搭腳手架、不拆保溫層、不開挖地面的內檢測，是對此類設備實行定期檢驗的關鍵。管狀設備內檢測常用的無損檢測技術包括：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[1-3]。超聲檢測具有檢測精度高、檢測結果可定量、內外腐蝕可直接分辨、檢測結果不受管材影響等優點[4-5]。筆者針對管狀設備的結構特點，提出了圓柱形凸面相控陣檢測技術，通過水浸耦合，使探頭產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-鋼二層介質中的結構特征，理論分析了相控陣聲場的聚焦性能，并根據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時間，設計了水-鋼二層介質相控陣聚焦法則。在此基礎上，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計準則，對相控陣參數進行優化分析，根據優化后的相控陣參數研制了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，能夠實現管狀設備的自動內檢測，具有很大的應用潛力。

1 凸面超聲相控陣內檢測技術

采用圓環形凸面相控陣探頭伸入管狀設備內部進行檢測，通過充水耦合，使圓環形探頭產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16個陣元為例，采用相控陣電子線掃描方式，先激發第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，形成聚焦法則激發第m至-m陣元組，完成掃描后以同樣的聚焦法則激發第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：探頭激發的超聲脈沖從水中傳播到達管壁，管道內外壁的脈沖回波經過水被探頭接收，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通過水介質沿徑向入射到管道內壁，在水-鋼界面會產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繼續前行，到達管道外壁，同樣會產生一個反射波R2，此反射波又一次經鋼/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軟件是一款能夠實現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。筆者針對國內常用的規格(外徑×厚度)為φ177.8 mm×10.36 mm的埋地高壓儲氣井管狀設備，利用CIVA軟件建立相控陣模型并計算相控陣探頭在工件內部形成的超聲場，并對相控陣的不同激發陣元個數、陣元尺寸、頻率等參數進行仿真。考慮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，初步設計圓柱形凸面相控陣探頭直徑為φ130.4 mm，以512陣元數計算，陣元間距為0.8 mm。

2.1 激發陣元個數對聚焦性能的影響 根據圖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、偏轉角為0°的相控陣參數，焦點落在規格為φ177.8 mm×10.36 mm的儲氣井外壁，分別對4，8，16，32個激發陣元的聲場聚焦性能進行仿真，激發陣元個數對聚焦性能的影響如圖4所示。

圖4 激發陣元個數對聚焦性能的影響

由圖4可知：激發陣元個數越多，在焦點處的聚焦效果越好，但超聲波在水中越容易產生柵瓣和旁瓣。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，激發陣元個數為32時，即使聲束不偏轉也會出現柵瓣；激發陣元個數為16時，在水中產生嚴重的旁瓣；激發陣元個數為8時，在水中產生一定程度的旁瓣；激發陣元個數為4時，只在水中產生輕微的旁瓣。考慮到凸面相控陣陣元偏轉角度更大，為保證水中聲場不出現嚴重的柵瓣和旁瓣，采用4～8個激發陣元較為合適，具體選擇時根據工藝試驗確定。

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，應使陣元寬度a盡量接近陣元間距d。筆者針對陣元數N為8，12，16的不同激發陣元，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聲場仿真結果如圖5所示。

由圖5仿真結果可得： 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實現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陣元數不小于8時，在水中均不可避免地會產生較嚴重的旁瓣，甚至出現柵瓣。通過上述比較，為保證水中聲場不出現嚴重的柵瓣和旁瓣，宜采用a為0.3 mm、d為0.4 mm的陣元尺寸。具體選擇激發陣元數N時，應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，超聲波在工件中設定焦點處的聚焦效果較好，且在水中只產生輕微的旁瓣，因此激發陣元數宜選用12～16較為合適，具體選擇時根據工藝試驗確定。

2.3 檢測頻率對聚焦性能的影響

在超聲相控陣參數設計時，超聲波頻率的選取至關重要。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、偏轉角為0°的相控陣參數，陣元數為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聲場仿真結果如圖6所示。

圖5 不同陣元尺寸的CIVA聲場仿真結果

圖6 不同頻率的CIVA聲場仿真結果

從圖6的仿真結果可以得出：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柵瓣；選擇頻率為5 MHz時，也會在水中產生不同程度的旁瓣，激發陣元數越多，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，激發陣元數可適當多一些，如果頻率選取5 MHz，為抑止水中聲場的旁瓣，激發陣元數不宜超過8個。

3 檢測過程

根據上述的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,能夠實現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，在激發陣元數N為4的條件下的聲場聚焦效果幾乎與激發陣元數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，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換成數字信號，并將數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部，檢測并記錄壓力管道內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。

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 結論

(1) 針對水-鋼二層介質的管狀設備凸面相控陣檢測，采用CIVA軟件的仿真分析可知，如果陣元間距大于0.8 mm，則在水中容易產生柵瓣和旁瓣，激發陣元個數越多，柵瓣和旁瓣效應越嚴重。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陣元個數。

(2) 通過CIVA仿真分析，針對規格為φ177.8 mm×10.36 mm的管狀設備，采用512個陣元的圓周凸面超聲相控陣檢測技術，選擇合適的相控陣參數，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果表明，提出的圓周凸面相控陣檢測技術，能夠較為精確且有效地檢測出管狀設備缺陷的形狀、尺寸和位置，并能顯示管道內缺陷。

[1] 楊理踐，張國光，劉剛. 管道漏磁內檢測技術[M].北京: 化學工業出版社, 2014.

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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

浙江省質量技術監督系統科研計劃資助項目(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