管道的相控陣超聲高頻導(dǎo)波檢測(cè)

余海軍，王孝卿，王良濤，朱佳良

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心 工藝開(kāi)發(fā)部，大同 037038)

管材的導(dǎo)波檢測(cè)是一種比較成熟的檢測(cè)方法，在電力及石化行業(yè)應(yīng)用比較廣泛，但是目前常用的導(dǎo)波檢測(cè)通常是低頻導(dǎo)波，頻率為幾十kHz到幾百kHz，一次檢測(cè)有效長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，可達(dá)到上百米。但在一些小范圍檢測(cè)的場(chǎng)合，尤其是對(duì)小口徑管道用管材的檢測(cè)，高頻導(dǎo)波具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)于管道的相控陣超聲導(dǎo)波檢測(cè)，羅更生等[1]加工制作了5根帶缺陷的城鎮(zhèn)油氣管道系統(tǒng)中常用的大曲率對(duì)焊彎管，并采用基于相控陣超聲低頻導(dǎo)波(40 kHz，50 kHz)掃描成像的方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。謝寧等[2]為了實(shí)現(xiàn)薄板類工件的導(dǎo)波快速掃描檢測(cè)，在相控陣檢測(cè)儀器上開(kāi)發(fā)了頻散曲線計(jì)算模塊及相控陣導(dǎo)波成像軟件模塊,設(shè)計(jì)了相控陣導(dǎo)波檢測(cè)探頭及專用掃查器、導(dǎo)波檢測(cè)對(duì)比試塊，該研究采用的是2.5 MHz的高頻導(dǎo)波；陳選民等[3]針對(duì)具有不同腐蝕坑缺陷的板材試塊，采用相控陣超聲導(dǎo)波B掃描和C掃描成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，該研究使用的是2.5 MHz的高頻導(dǎo)波。此外，何存富等[4]論述了導(dǎo)波的傳感激勵(lì)方法與裝置,并比較了各種激勵(lì)接收方法的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合，為超聲導(dǎo)波在板材、管材和復(fù)合材料中的應(yīng)用提供了參考，并從提高缺陷檢測(cè)能力的角度介紹了相控陣法在超聲導(dǎo)波技術(shù)中的應(yīng)用。在一些不需要大范圍檢測(cè)的場(chǎng)合，采用高頻導(dǎo)波檢測(cè)是比較有優(yōu)勢(shì)的。高頻導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，采用壓電晶片產(chǎn)生導(dǎo)波的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)是比較方便的，可通過(guò)設(shè)計(jì)不同角度的楔塊來(lái)形成不同模態(tài)的波形。與此同時(shí)，相控陣檢測(cè)技術(shù)具有聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的功能，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的覆蓋檢測(cè)。因此，筆者結(jié)合高頻導(dǎo)波的檢測(cè)特點(diǎn)，利用壓電晶片產(chǎn)生導(dǎo)波的方式，通過(guò)相控陣激勵(lì)和接收導(dǎo)波的檢測(cè)方法對(duì)小口徑管道用管材上加工的平底孔和通孔進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 相控陣導(dǎo)波檢測(cè)原理

1.1 單晶片導(dǎo)波檢測(cè)原理

單晶片超聲導(dǎo)波探頭發(fā)出的超聲波在工件中經(jīng)過(guò)多次反射及波型轉(zhuǎn)換后形成比較穩(wěn)定的波形模態(tài)導(dǎo)波，當(dāng)該導(dǎo)波遇到缺陷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射回波并被探頭接收，因此利用導(dǎo)波可以對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。單個(gè)壓電晶片產(chǎn)生導(dǎo)波的檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 單個(gè)壓電晶片產(chǎn)生導(dǎo)波的檢測(cè)原理示意

從圖1可以看出，壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，激發(fā)出超聲波，超聲波經(jīng)過(guò)楔塊后進(jìn)入工件，在工件內(nèi)同時(shí)激勵(lì)出縱波和橫波，工件中的縱波和橫波在受限的空間內(nèi)進(jìn)行多次反射(波型轉(zhuǎn)換)，在離開(kāi)探頭一段距離后形成了比較穩(wěn)定的傳播波型(導(dǎo)波)。導(dǎo)波充滿整個(gè)檢測(cè)工件內(nèi)部并進(jìn)行傳播，當(dāng)導(dǎo)波遇到缺陷時(shí)將產(chǎn)生反射回波，回波被探頭接收，可識(shí)別出缺陷的位置，同時(shí)根據(jù)回波信號(hào)幅度可判斷缺陷的大小。

1.2 相控陣導(dǎo)波檢測(cè)原理

相控陣導(dǎo)波與單晶片導(dǎo)波的最大區(qū)別是相控陣導(dǎo)波探頭采用的是陣列探頭，晶片在楔塊水平方向排成一排，根據(jù)所用相控陣儀器的硬件通道數(shù)確定晶片數(shù)，晶片數(shù)可以達(dá)到16或32以上，一些高級(jí)的相控陣系統(tǒng)晶片數(shù)甚至可以達(dá)到64以上。由于采用的是陣列探頭排列方式，所以相控陣導(dǎo)波具有更大的覆蓋范圍，同時(shí)利用相控陣的聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦功能，缺陷的檢出率可以大大提高。筆者以16晶片探頭產(chǎn)生的相控陣導(dǎo)波原理進(jìn)行介紹。

相控陣導(dǎo)波探頭結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，與常規(guī)單晶片探頭不同的是，相控陣探頭每個(gè)晶片均激勵(lì)出導(dǎo)波信號(hào)，通過(guò)相控延時(shí)的方式控制導(dǎo)波信號(hào)的發(fā)射與接收，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波信號(hào)的聚焦和偏轉(zhuǎn)。發(fā)射時(shí)，相控陣列單元按照設(shè)置的延時(shí)法則依次觸發(fā)相控陣探頭中的每個(gè)晶片，使每個(gè)晶片發(fā)出的超聲波通過(guò)楔塊角度的改變，在工件中激勵(lì)出沿工件傳播的導(dǎo)波，并在某一點(diǎn)聚焦；接收時(shí)，相控陣列單元根據(jù)每個(gè)接收晶片接收的導(dǎo)波信號(hào)，按照設(shè)置的延時(shí)法則合成為一個(gè)導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)。因此，相控陣超聲導(dǎo)波的檢測(cè)信號(hào)是一個(gè)多晶片信號(hào)的合成信號(hào)，偏轉(zhuǎn)和聚焦原理如圖3所示。

圖2 相控陣導(dǎo)波探頭結(jié)構(gòu)示意

圖3 相控陣聚焦和偏轉(zhuǎn)原理示意

1.3 相控陣導(dǎo)波扇掃成像

研究的相控陣導(dǎo)波成像主要基于相控陣扇掃原理(見(jiàn)圖4)，扇形掃描又稱方位掃描或角掃描，陣列中相同晶片組發(fā)射的聲束對(duì)某一聚焦聲程在掃描范圍內(nèi)移動(dòng)，一般聚焦點(diǎn)的軌跡為圓弧曲線，每條聲束的聚焦法則均不同。由于相控陣導(dǎo)波探頭的晶片采用水平排列方式，因此形成的扇形掃描圖像成水平鋪開(kāi)的方式。這種掃描成像方式可以實(shí)現(xiàn)大角度覆蓋范圍的檢測(cè)。

圖4 相控陣導(dǎo)波扇掃成像原理示意

2 管材導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)方法

2.1 試塊設(shè)計(jì)

通過(guò)在管道上設(shè)計(jì)人工反射體來(lái)模擬管道腐蝕和穿孔，管道外徑為76 mm，壁厚為4 mm；人工反射體缺陷為直徑為5 mm的通孔，直徑為5 mm、深度為2 mm的平底孔，直徑為10 mm的通孔，直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔。為了驗(yàn)證探頭在某個(gè)位置能否覆蓋整個(gè)管道，4個(gè)人工反射體缺陷周向間隔90°，軸向間隔30 mm，以便檢測(cè)圖像能夠區(qū)分開(kāi)周向和軸向距離，反射體在試塊中的位置示意如圖5所示。

圖5 反射體在試塊中的位置示意

2.2 探頭及儀器選擇

為了驗(yàn)證鋼管高頻導(dǎo)波檢測(cè)效果，以管材試塊的縱波聲速5 900 m·s-1，橫波聲速3 230 m·s-1，楔塊聲速2 337 m·s-1為參考，使用的相控陣探頭頻率為4 MHz，晶片數(shù)量為16個(gè)，相控陣楔塊激勵(lì)角度為52°。采用CTS-PA22B型相控陣超聲檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)小口徑管道上加工的平底孔和通孔進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，包括導(dǎo)波聲速測(cè)量、相控陣高頻導(dǎo)波有效檢測(cè)范圍、檢測(cè)靈敏度及定位定量試驗(yàn)研究。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 聲速測(cè)量結(jié)果

以試塊上直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔為參考反射體，通過(guò)探頭分別放置在距離孔中心200，300，400，500 mm的距離，來(lái)測(cè)量導(dǎo)波時(shí)間并求出聲速，試驗(yàn)圖像如圖6所示。

圖6 聲速測(cè)量試驗(yàn)圖像

在圖6中，在位置200，300，400，500 mm處分別測(cè)得回波時(shí)間為73.7，107.5，141.1，174.8 μs，v1為2 959 m·s-1，v2為2 976 m·s-1，v3為2 967 m·s-1，v4為2 967 m·s-1。因此，相關(guān)試驗(yàn)采用2 967 m·s-1為導(dǎo)波聲速。

2.4.2 有效范圍測(cè)量結(jié)果

以直徑為5 mm、深度為2 mm及直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔為參考對(duì)象，通過(guò)移動(dòng)探頭檢測(cè)平底孔回波來(lái)確定有效范圍及盲區(qū)。對(duì)于直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭距離孔10 mm左右位置的檢測(cè)圖像如圖7(a)所示，當(dāng)檢測(cè)范圍為600 mm時(shí)，檢測(cè)圖像如圖7(b)所示，當(dāng)檢測(cè)范圍超過(guò)600 mm時(shí)，孔的回波高度與噪聲比低于6 dB，不利于分辨。對(duì)于直徑為5 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭距離孔4 mm的檢測(cè)圖像如圖7(c)所示，當(dāng)檢測(cè)范圍為623 mm時(shí)，檢測(cè)圖像如圖7(d)所示，當(dāng)檢測(cè)范圍大于623 mm時(shí)，孔的回波高度與噪聲比低于6 dB。通過(guò)試驗(yàn)表明，采用的設(shè)備和探頭可以一次有效檢測(cè)長(zhǎng)度600 mm范圍；外徑為76 mm，壁厚為4 mm的管材，有效檢測(cè)缺陷為直徑5 mm、深度2 mm的平底孔。儀器參數(shù)設(shè)置為：扇掃角度±45°，焦距200 mm，最大范圍1 000 mm。

2.4.3 靈敏度測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證相控陣導(dǎo)波檢測(cè)的靈敏度及衰減情況，分別將探頭放置在距離孔100，200，300，400，500 mm的位置上進(jìn)行試驗(yàn)，在管道上放置磁吸尺進(jìn)行定位，探頭在特定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。儀器參數(shù)設(shè)置為：扇掃角度±30°，焦距200 mm，檢測(cè)范圍600 mm。

針對(duì)直徑為5 mm的通孔，探頭在100，200，300，400，500 mm的位置處，檢測(cè)時(shí)增益分別設(shè)置為48，53，56，60，64 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 直徑5 mm通孔的檢測(cè)圖像

針對(duì)直徑5 mm、深度2 mm的平底孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)增益分別設(shè)置為47，48，52，57，60 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 直徑5 mm，深度2 mm的平底孔檢測(cè)圖像

針對(duì)直徑為10 mm的通孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置處檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)增益分別設(shè)置為35，41，50，50，59 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 直徑10 mm通孔的檢測(cè)圖像

針對(duì)直徑為10 mm、深度為2 mm的平底孔，探頭分別在100，200，300，400，500 mm的位置，檢測(cè)時(shí)增益分別設(shè)置為43，55，60，61，69 dB，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 直徑10 mm，深度2 mm平底孔的檢測(cè)圖像

對(duì)于不同參考反射體回波的靈敏度對(duì)比情況如表1所示，從表1可以看出：對(duì)于直徑5 mm的平底孔和通孔，同樣回波靈敏度相差最大為5 dB，最小為1 dB；對(duì)于10 mm的平底孔和通孔，同樣回波靈敏度相差最大為14 dB，最小為8 dB。對(duì)于5 mm和10 mm的平底孔，同樣回波靈敏度相差最大12 dB，最小4 dB；對(duì)于5 mm和10 mm的通孔，同樣回波靈敏度相差最大13 dB，最小5 dB。對(duì)于同一參考反射體，如直徑5 mm通孔的衰減比較有規(guī)律，大約為0.04 dB·mm-1。其他參考反射體，如直徑5 mm、深度2 mm的平底孔，在100 mm和200 mm處，靈敏度相差不大；直徑10 mm通孔和直徑10 mm、深度2 mm的平底孔，在300 mm和400 mm處，靈敏度相差不大。

表1 不同參考反射體回波靈敏度

2.4.4 定位和定量檢測(cè)結(jié)果

以探頭在某個(gè)位置能夠同時(shí)將4個(gè)參考反射體檢出并測(cè)量定位為基準(zhǔn)，進(jìn)行定位和定量檢測(cè)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，以直徑5 mm通孔和直徑10 mm平底孔為參考距離，探頭放置在300 mm和400 mm的位置，均能夠有效檢出4個(gè)反射體的回波圖像，缺陷定位與實(shí)際情況基本符合，位于探頭對(duì)側(cè)180°位置的缺陷靈敏度最低。儀器參數(shù)設(shè)置為：扇掃角度±45°，焦距200 mm，檢測(cè)范圍600 mm。

以直徑5 mm通孔為0°定位參考，探頭位置在400 mm處的檢測(cè)圖像如圖12所示，探頭在300 mm處的檢測(cè)圖像如圖13所示。

圖12 直徑5 mm通孔,參考距離400 mm的檢測(cè)圖像

圖13 直徑5 mm通孔,參考距離300 mm的檢測(cè)圖像

直徑5 mm通孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度-0.4°，深度302.5 mm，波幅53.2%；直徑5 mm平底孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度6.7°，深度276.1 mm，波幅69.2%；直徑10 mm通孔有兩個(gè)聲束角度能夠同時(shí)檢測(cè)到，聲束角度分別為15.2°，-15.9°，深度分別為253.7，255.3 mm，波幅分別為14.4%，13.2%；直徑10 mm平底孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度-8.1°，深度為216.7 mm，波幅為96.8 mm。

以直徑10 mm平底孔為0°定位參考，探頭位置在400 mm處的檢測(cè)圖像如圖14所示，探頭在300 mm處的檢測(cè)圖像如圖15所示。

圖14 直徑10 mm平底孔，參考距離400 mm的檢測(cè)圖像

圖15 直徑10 mm平底孔，參考距離300 mm的檢測(cè)圖像

直徑5 mm通孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度4.6°，深度493.2 mm，波幅40.0%；直徑5 mm平底孔的測(cè)量結(jié)果是有兩個(gè)聲束角度能夠同時(shí)檢測(cè)到，聲束角度分別為9.6°，-8.9°，深度分別為468.6，471.0 mm，波幅分別為30.4%，36.4%；直徑10 mm通孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度-4.6°，深度433.1 mm，波幅88.4%；直徑10 mm平底孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度0.4°，深度400.1 mm，波幅100%。

直徑5 mm通孔的測(cè)量結(jié)果為：聲束角度5.3°，深度394.0 mm，波幅44.0%；直徑5 mm平底孔的兩個(gè)聲束角度能夠同時(shí)檢測(cè)到，聲束角度分別為11.0°，-11°，深度分別為372.1，374.2 mm，波幅分別為19.2%，25.2%；直徑10 mm通孔的測(cè)量結(jié)果為聲束角度-6.0°，深度333.7 mm，波幅27.2%；直徑10 mm平底孔 的測(cè)量結(jié)果為聲束角度0.4°，深度300.3 mm，波幅86.8%。

3 結(jié)論

(1) 采用相控陣扇掃對(duì)管道進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，以0°為中心角度，當(dāng)人工反射體缺陷位于探頭對(duì)側(cè)的180°位置時(shí)，負(fù)角度范圍和正角度范圍能夠同時(shí)檢測(cè)到該反射體圖像，缺陷圖像以0°中心線對(duì)稱，因此雖然試塊上只有4個(gè)人工反射體，但是檢測(cè)圖像中顯示了5個(gè)紅色圖像，其中有2個(gè)是同一個(gè)人工反射體圖像。因此，采用相控陣導(dǎo)波檢測(cè)管道時(shí)，在探頭對(duì)側(cè)的缺陷可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)缺陷回波顯示。

(2) 從檢測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)探頭放置在300 mm和400 mm位置時(shí)，扇掃圖像能夠?qū)?個(gè)人工反射體同時(shí)檢出，且靈敏度和信噪比較好，說(shuō)明此時(shí)導(dǎo)波已經(jīng)充滿了整個(gè)管道，因此利用相控陣導(dǎo)波可以將探頭放置在特定的位置，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域范圍的全覆蓋檢測(cè)。由于4個(gè)人工反射體的軸向長(zhǎng)度為90 mm，因此有效全覆蓋區(qū)域?yàn)?10～490 mm。

(3) 采用4 MHz的相控陣探頭，對(duì)壁厚為4 mm，管外徑為76 mm的管材進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)，圖像顯示質(zhì)量能夠滿足一次600 mm長(zhǎng)度范圍的管材全覆蓋檢測(cè)，缺陷發(fā)現(xiàn)能力不小于直徑為5 mm，深度為2 mm的平底孔當(dāng)量。

(4) 研究的高頻相控陣導(dǎo)波能夠滿足管道的快速檢測(cè)需求，可將探頭沿管道一周實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)，對(duì)于特定區(qū)域的檢測(cè)，可以將探頭放置在某個(gè)特定位置，利用相控陣導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)，可為工程應(yīng)用提供參考。