基于CIVA仿真的管道超聲內檢測參數設計與優化*

繆存堅，凌張偉，杜興吉，王 敏

（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州310020）

基于CIVA仿真的管道超聲內檢測參數設計與優化*

繆存堅，凌張偉，杜興吉，王 敏

（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州310020）

為了設計并優化管道超聲內檢測工藝參數，從檢測原理、聚焦法則、工藝參數等方面闡述了超聲相控陣在管道內檢測中對凹面結構檢測的應用，基于CIVA仿真對安裝在管道內部的凸面相控陣裝置參數及其檢測工藝展開研究，模擬了帶有焊縫、環切槽、側向孔等缺陷特征的管道的聲場特性，并利用仿真獲得的數據演化規律對水程和陣列動態孔徑進行了優化。基于仿真與優化獲得的參數制造了相應的相控陣檢測裝置，并通過對樣管的超聲檢測測試，驗證了設計參數的合理性以及基于CIVA仿真設計裝置的可行性。

管道；無損檢測；CIVA仿真；人工缺陷；超聲內檢測；相控陣

Abstract:In order to design and optimize the parameters of ultrasonic inner inspection,the application of ultrasonic phased array in the detection of concave structure was described from the aspects of inspection principle，focal law and process parameters.Based on CIVA simulation,the parameters and detection technology of convex phase phased array device installed inside the pipe were studied，and the ultrasound field characteristics in the pipe were simulated with defects characteristics of welds，circumferential cutting grooves,lateral hole and so on were simulated.Furthermore，the ultrasound propagation in water and dynamic element window were optimized by using the obtained simulation data.Thus,the phased array detection device was fabricated with the reference of the characteristics above.The experiments on the testing pipe were conducted and the rationality of the design parameters was verified，as well as the feasibility of designing device with the assistance of CIVA simulation.

Key words:pipeline;noudestructive examination;CIVA simulation;artificial defect;ultrasonic inner detection;phased array

隨著無損檢測技術的不斷發展和新材料、新結構、新環境的接連出現，出現了埋在公路和鐵路下的管道、深藏在河流與海洋底部的管線以及高空懸空管道等，管道檢測面臨著各種新的考驗，管道安裝要求也日益提高。面對這些日益困難的檢測環境，傳統的外檢測方法已不能很好地滿足管道檢測與安全保障，管道檢測已由傳統的外檢測逐漸向內檢測過渡，使得內檢測成為一種有效的檢測替代手段，彌補了外檢測的不足[1-3]。

超聲相控陣是一種有效的內檢測手段，其針對被檢管道材質及結構的不同，以及檢測對耦合、聲場回波等的要求，配備不同的檢測參數，以獲得良好的檢測效果[4-5]。為獲得合理、有效的檢測工藝參數組合，需要對檢測工藝進行反復調試。出于時間、經濟成本等因素的考慮，采用數值方法對檢測工藝進行模擬，研究不同環境下相控陣技術內檢測的可行性，對檢測工藝的制定、檢測裝置的研制及開發均有重要的意義。

本研究針對某常用規格管道開展超聲相控陣內檢測研究，應用CIVA仿真建模對超聲相控陣檢測參數進行分析。在頻率等基本參數確定的前提下，通過對不同形狀特征人工缺陷的仿真檢測，分析不同缺陷處的超聲聲場與回波特性，研究探頭水程、陣元動態孔徑等參數的變化對檢測結果的影響規律，并利用優化后參數設計制造的檢測裝置開展樣管測試，驗證基于CIVA仿真設計的可行性。

1 相控陣檢測原理與延時法則

超聲相控陣技術以惠更斯－菲涅爾原理（huygens-fresnel principle）為依據，通過控制換能器陣列中的各個壓電晶片，使超聲波信號按照一定的延時法則執行發射與接收，從而實現超聲波在介質中的偏轉和聚焦[6]。

一維線性相控陣是超聲相控陣中的典型陣列，可以將線性陣列近似看作多個單矩形陣元的集合，而單矩形陣元的聲源可視作無數點源的組成。根據超聲波采用脈沖聲源在理想介質中傳播的波動方程（1），可以得到空間中任意一點r在t時刻的聲場p0（r，t），用瑞利積分可表示為公式（2）[7]

式中：c—縱波波速；

p—聲壓；

t—超聲傳播時間。

式中：p0（r，t）—表示點r處在t時刻的聲場強度；

ρ0—介質密度；

v—探頭表面點源在t時刻的振動速度；

rT—探頭表面的點源位置；

r-rT|—從點源到空間中點r處的距離；

dS（rT）—探頭點源 rT的面積。

由于管道內部是凹面特征，因此，采用凸面相控陣進行內檢測時，其延時法則與一維線性陣列不同，同時，考慮到常規儀器采用的通常都是少量陣元與機械旋轉相結合，在內檢測時會出現較多機械結構方面的問題。因此，采用更為合適的電子掃查聲束旋轉的方式代替機械掃查[8-9]，并通過簡化的延時法則來簡化計算過程。

電子掃查原理如圖1所示。超聲波在鋼中經過r0、r1、…rm傳播，在水中經過l0、l1、…lm傳播，在鋼中實際焦點 A（x，y）處聚焦。圖中 C（xm，ym）為第 m 號陣元的坐標，B（xm′， ym′）為超聲波入射點坐標，O（xo，yo）為參考點， D（x0′， y0′）為聚焦點到水鋼界面最短距離的點，α、β分別是No.m陣元接收從鋼中傳遞來的波束在鋼水界面處的入射角與反射角。

圖1 相控陣電子掃查原理

根據相控陣延時法則，No.m陣元的信號延時為

式中：c1—鋼中的超聲波縱波波速；

c2—水中的波速。

超聲波經界面折射時的特性可由公式（4）表征，距離AB和CD則可分別經公式（5）和公式（6）計算獲得。

當m確定時，將已知坐標代入式（3）可得延時值。由于檢測中聲束不偏轉，基于同樣方法可得到所有陣元的延時值，從而形成陣元激發法則。

2 管道內檢測工藝

2.1 仿真用管道

管道由于安裝位置等因素導致很難進行外檢測時，更傾向于采用內檢測，例如儲氣井、豎直管道、架空管道、埋地管道等管狀設備，這些管狀設備內部可能因為長期環境與介質的腐蝕形成各類腐蝕缺陷與厚度減薄。

以外徑159 mm、厚度8 mm的某規格管道為例，采用CIVA仿真模擬研究超聲相控陣進行管道內檢測的工藝參數合理性。管道主體為一圓形截面管道，總長1 000 mm，低碳鋼材質，并在不同位置共設置了3道不同深度、同樣寬度的環形切槽，以及兩排不同深度和直徑的平底孔，具體缺陷規格如圖2所示。假設焊縫與母材材料力學特性相近，則帶有余高的焊縫在結構上與凹陷的環形切槽類似，屬于管道幾何結構的變化，因此以環形切槽表征焊縫的聲學特性。

圖2 管道人工缺陷的具體規格

2.2 基于CIVA的工藝優化

2.2.1 CIVA仿真軟件

CIVA是法國原子能委員會（CEA）研發的一款無損檢測仿真軟件[10-11]，它基于半解析模型原理，包含超聲、渦流和射線等3個檢測模塊。在超聲檢測仿真中可實現聲束計算和缺陷響應，能夠對探頭參數、檢測工藝的制定起到很好的指導作用。以下采用CIVA對凸面相控陣在管道內檢測中的工藝參數展開仿真模擬研究。

2.2.2 超聲檢測參數

與常規管道內檢測儀采用少量陣元和機械旋轉不同，本研究提出的凸面相控陣將大量陣元分布在凸形圓柱面上，利用電子掃查方式在管道內旋轉聚焦，在提高工作效率的同時避免了機械結構帶來的旋轉問題。

凸面相控陣檢測工藝存在一系列參數需要確定，如工作頻率、陣元尺寸、陣列動態孔徑等，與檢測工藝及裝置結構關系密切。陣元尺寸包括陣元間距、陣元寬度、陣元長度。其中陣元長度通常固定為10 mm。為了抑制旁瓣，陣元寬度a應盡量接近陣元間距，考慮到成本與檢測精度，最終確定陣元寬度為0.7 mm，間距為0.8 mm。工作頻率選擇常用5 MHz。根據圖1所示，凸面相控陣將經過水浸耦合在管道內形成聚焦，因此水程長度是裝置結構的重要參數，考慮到管道內外徑尺寸，暫定仿真中探頭外直徑為130 mm。另一方面，凸面相控陣由于自身結構的特性會導致不易聚焦，比平面的線性陣列更難聚焦，因此在設置激發陣列動態孔徑時，暫定使用6個作為陣列的動態孔徑。

2.2.3 建模仿真

應用超聲仿真軟件CIVA建立的檢測對象模型如圖3所示。

從圖3可以看到模型帶有不同規格的平底孔和環形切槽。圖4是超聲探頭檢測示意圖，通過編輯合適的計算區域降低仿真計算量。

通過計算可以得到不同缺陷處的聲場分布特征和缺陷響應，如圖5所示。從圖5可以看出，仿真檢測中，缺陷所處位置的聲場和響應都較為強烈，容易被發現。

圖3 利用CIVA建立的仿真模型

圖4 超聲探頭檢測示意圖

圖5 不同缺陷處的聲場與響應

2.2.4 陣列動態孔徑

根據先前設置，水程為13 mm，探頭外直徑為130 mm。為研究陣列動態孔徑對相控陣檢測的影響規律，在考慮凸面相控陣結構特點的基礎上，設置4、6、8、10和12個陣元分別同時激發，計算獲得的聲場分布，得到探頭軸向聲場隨動態孔徑的變化規律，如圖6所示。

圖6 軸向聲場隨動態孔徑的變化規律

根據仿真結果，在管壁內的聚焦區域，隨著陣列動態孔徑從4個增大至12個，聲場聲壓總體呈現先上升再下降的變化趨勢。當動態孔徑從4個增長至8個時基本呈現單調遞增規律；當孔徑繼續增大時，由于凸面的特性，聚焦性能不升反降，10個孔徑的聲場總體比8個孔徑時小，而12個孔徑的聲場在靠近外壁處聲場較低，而在靠近內壁處則較高。從整體看，當動態孔徑為8個時，其綜合聲場表現最好。

2.2.5 水程

鑒于管道內直徑為143 mm，為了研究水程對聲場聚焦的影響，設置水程分別為30 mm、20 mm、15 mm、10 mm和5 mm，陣列動態孔徑設置8 mm，分別計算其聲場分布，從而獲得探頭軸向聲場聲壓隨水程的變化規律如圖7所示。

圖7結果顯示，在管道管壁內，靠近外壁處（即焦點位置附近）聲場聲壓最高，越靠近內壁聲場越弱。另一方面，從液體介質折射進入管壁時聲場也有明顯衰減。超聲回波與管壁內聲場強度緊密相關，在聲場最高點處，隨著水程的增加，聲壓整體上呈降低趨勢。當水程從5 mm增加到13 mm時，聲壓反而上升了一段，超過了5 mm水程對應的聲壓；當水程從20mm增加到30 mm時，也出現了類似的增長現象。由此可以認為，當水程為13 mm（即探頭外直徑為130 mm）時，聲場聲壓高，水程長度合理。

圖7 探頭軸向聲場聲壓隨水程的變化規律

2.3 仿真結果比較分析

2.3.1 與實際結構比較

以3 mm直徑平底孔為例，其仿真檢測結果如圖8所示。根據顯示的缺陷及“6 dB”方法（以超聲幅度下降到最大值的50%作為缺陷的邊界），近似確定缺陷尺寸約3.04 mm，與真實平底孔直徑3 mm基本一致。

2.3.2 與設備檢測結果比較

根據參數的計算與設計，制造了凸面相控陣管道內檢測裝置，試驗樣管的檢測照片如圖9所示。檢測裝置在浸入充滿水的試驗管道后實施檢測。

圖8 CIVA仿真檢測結果計算

圖9 試驗樣管檢測現場

圖10 樣管缺陷檢測C掃描圖

圖10為檢測獲得的C掃描圖，掃描獲得的圖像可根據顏色直接分辨出所檢出孔的深度范圍以及人工缺陷的形狀和尺寸。圖中平底孔缺陷因為橫坐標的放大而被拉長，根據圖中計量手段可以獲得孔徑在垂直移動方向上的尺寸約3 mm，即平底孔的直徑，與實際情況相符。另一方面，C掃描厚度檢測的誤差約在0.2 mm范圍內，通過顏色可直觀判斷3 mm直徑平底孔深度在2 mm左右，而直徑2 mm的平底孔則深度在1 mm左右，與實際情況相符。

3 結 論

（1）采用CIVA可以有效模擬仿真管道內超聲相控陣在檢測管道和人工缺陷時的超聲聲場分布特性和缺陷響應，并可以通過參數化分析得出不同工藝參數，如水程和陣列動態孔徑等對檢測結果的影響規律，可用于指導相控陣檢測裝置的設計制造以及相控陣內檢測工藝參數的設置，從而代替試驗，成為一種有效的管道檢測工藝設計與調試的手段，有效縮短時間。

（2）通過實際樣管測量結果、試驗中實際設備檢測結果以及CIVA的仿真模擬結果之間的對比分析，表明仿真結果與實際結構以及實際裝置檢測結果基本一致，驗證了基于CIVA仿真設計相控陣檢測裝置的可行性。研究表明，優化后的檢測裝置參數與檢測工藝參數適用于此類規格管道的超聲相控陣內檢測。

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Parameter Design and Optimization of Ultrasonic Inner Inspection for Pipes Based on CIVA Simulation

MIAO Cunjian,LING Zhangwei,DU Xingji,WANG Min
（Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute，Hangzhou 310020， China）

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.07.002

2017－04－25

編輯：李紅麗

浙江省質量技術監督系統科研計劃項目“基于超聲內檢測的壓力管道智慧球研究”（項目編號20160122）；浙江省科技計劃項目“壓力管道自漂流式超聲內檢測智能球研制”（項目編號2017C33162）。

繆存堅（1985—），男，浙江溫州人，高級工程師，博士，主要從事特種設備無損檢測研究工作。