基于CIVA 仿真小徑薄壁管座角焊縫檢測的相控陣探頭優化設計

陳光宇 ，陳永生 ，陳仲武 ，劉 滸 ，鄭國強 ，龍晉桓 ，張超才

（1.福建華電可門發電有限公司，福建 福州 350512；2.中國科學院福建物質結構研究所 泉州裝備制造研究所，福建 晉江 362200）

近年來火電發電廠在運行過程中，發生了多起小徑薄壁管座角焊縫泄漏事故，嚴重威脅電廠鍋爐的安全穩定運行。而管座角焊縫由于結構及焊接工藝等影響，容易出現裂紋、根部未焊透及坡口未熔合等高危害性缺陷，這些缺陷隨著電廠鍋爐啟停和運行發生擴展，最終引起管座泄露和失效[1-2]。所以，研究小徑薄壁管座角焊縫檢測，提高缺陷檢測可靠性和檢出率，對電廠鍋爐的安全運行有著重要意義。

當前用于小徑薄壁管座角焊縫的檢測方法中，磁粉檢測和滲透檢測只能對小徑薄壁管座角焊縫的表面或近表面進行檢測，且容易出現缺陷漏檢[3]。射線檢測技術由于受到實際現場條件和結構形式的限制，無法進行檢測或對面狀缺陷檢測靈敏度低[4]。由于管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊接接頭形式等因素影響，常規超聲檢測技術進行管座角焊縫檢測也存在一定的局限性，存在管座角焊縫的缺陷識別、缺陷定位以及焊縫全覆蓋困難等問題[5-7]。而相較于常規超聲檢測技術，超聲相控陣檢測技術具備更強的檢測靈活性、更高的檢測效率和缺陷檢出率等優勢，已成為開展小徑薄壁管座角焊縫檢測的一種較佳檢測手段。但目前針對接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的小徑薄壁管座角焊縫，由于其接管外徑小、壁厚薄等因素影響，使超聲相控陣檢測時聲場散射嚴重、超聲信號變形嚴重，導致檢測靈敏度低和可靠性低，并且至今關于該規格管座角焊縫的檢測研究較少，因而尚未發現有合適的檢測方法。

本文針對小徑薄壁管座角焊縫超聲檢測中存在的問題和難點，利用CIVA 軟件開展接管外徑小于32mm、壁厚2.5mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫的超聲相控陣檢測仿真研究，采用母管側接觸式橫波檢測方法，通過進行聲場仿真和缺陷響應，實現對相控陣探頭參數的優化設計，以進一步提高焊縫缺陷檢出率，為實際開展相控陣探頭研制和相控陣檢測工藝設計提供參考和指導。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測技術是通過控制換能器各個陣元按照延遲法則形成聲束偏轉和聚焦等，從而實現對所測區域缺陷直觀成像。而本文采用裝有楔塊的相陣探頭置于角焊縫的母管側，采用超聲相控陣聚焦檢測方式用二次波對安放式小徑薄壁管座角焊縫進行檢測。平面線性相控陣為超聲相控陣中典型陣列，將其各陣元近似為點聲源，通過特定延時法則使各個點聲源的聲場進行疊加，從而實現聲束聚焦和偏轉。裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉聚焦示意圖如圖1 所示，建立直角坐標系，以第1 個陣中心的坐標點O（x0，z0）為參考點，x 軸與楔塊底面平行，且其正向向右，而z 軸正向向下垂直于楔塊底面，假設聲束聚焦于焦點Q（xq，zq），聚焦深度為H。假設探頭陣元數目為N，陣元中心間距為P，第m 個陣元的坐標點為M（xm，zm），其中 m 為整數，且 1≤m≤N，第 m 個陣元聲束在楔塊和工件兩種介質中傳播路徑分別為lm、Lm（m=1，2，…，N），第m 個陣元聲束到達楔塊和工件的界面時所在交點為 Bm（xbm，zbm），第 m 個陣元聲束到達楔塊和工件的界面時入射角為 αm（m=1，2，…，N），其在工件中的折射角為 βm（m=1，2，…，N），第一個陣元中心到楔塊底部距離為H0。另外，楔塊傾斜角為θ，其聲速為cw，而工件的聲速為cs。

圖1 裝有斜楔塊的平面線陣聲束偏轉聚焦示意圖

如圖1 所示，楔塊和工件檢測面接觸進行角焊縫檢測時，第m 個陣元的聲束到焦點的時間為：

假設一次激發N 個陣元，由式（1）可以求得每個陣元的聲束到達焦點的時間，從而確定出所有陣元的聲時最大值Tmax，因而可計算得到第m 個陣元的延遲時間為

根據斯涅耳定律可得：

由幾何關系可知：

2 聲場仿真

本文的仿真對象為安放式小徑薄壁管座角焊縫的檢測模型，利用CIVA 軟件構建無缺陷模型，如圖2 所示。其母管材質為Sa335-P91，尺寸規格為Φ610mm×17.5mm（外徑×壁厚，下同），其縱波聲速為6028m/s，橫波聲速為3300m/s，密度為7.78g/cm3；其接管材質為不銹鋼，尺寸規格為Φ27mm×2.5mm，縱波聲速為5660m/s，橫波聲速為3120m/s，密度為8.03g/cm3；焊材為碳鋼，其縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為 3230m/s，密度為 7.8g/cm3，焊接坡口為 50°。

圖2 CIVA 軟件建立的仿真模型局部圖

圖3 相控陣探頭放置于焊縫母管側不同位置示意圖

另外，實際檢測時探頭要沿著焊縫圍繞支管進行掃查，但管座角焊縫為馬鞍型，母管側不同位置曲率有差別，但角焊縫結構具有對稱性，因而選擇將探頭置于母管側 0°、45°和 90°位置下進行聲場仿真分析，如圖 3 所示。在探頭置于不同位置時利用CIVA 軟件分別進行探頭工作頻率、陣元中心間距、一次激發陣元數和陣元曲率等不同參數下的聲場仿真分析，判斷并優化超聲相控陣的聚焦效果，確定合適的探頭設計參數。另外，當探頭陣列類型、工作頻率、陣元中心間距和一次激發陣元數等參數變化時，由于探頭置于母管側45°和90°位置的仿真結果與探頭置于母管側0°位置的仿真結果類似，因此在本文中不做討論分析。

2.1 探頭頻率的確定

圖4 不同頻率下聲場仿真效果圖

圖5 不同陣元中心間距下的聲場仿真效果圖

探頭頻率較小時，則波長較大，造成檢測分辨力差，不利于小缺陷檢測；而當探頭頻率越大時，則聲束主瓣寬度越小，指向性好，從而檢測分辨率高，但如果頻率過大，則聲束衰減嚴重，又不利于檢測。初始選取的探頭主要參數：陣元中心間距為0.6mm、主動孔徑為19.1mm、陣元長度為10mm、一次激發陣元數目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。另外，為了將使聲場可以聚焦到焊縫區域，選取的聚焦深度為 35mm。在偏轉角為 0°時分別對2.5MHz、5MHz、7.5MHz 和 10MHz 等四個頻率進行仿真分析，探頭置于母管側0°位置時的仿真結果如圖4 所示。

從圖4 仿真結果可得：隨著探頭頻率的增加，聲束越集中，主瓣寬度越?。划旑l率為2.5MHz 時，聲束并沒有在角焊縫區域聚焦；頻率為7.5MHz 和10MHz 時，聚焦效果更佳，并且頻率為10MHz 時，聚焦效果最佳。但由于頻率越大，聲束衰減越大，檢測靈敏度更低，因而探頭頻率選擇7.5MHz。

2.2 探頭陣元中心間距的確定

陣元中心間距是影響相控陣探頭聲學性能的基本參數。當陣元中心間距越大時，聲束指向性越好，所測區域聲壓幅值越大；但假如陣元中心間距過大時，會產生大角度柵瓣，以至于形成偽像，影響檢測，因而需要選取合適的陣元中心間距消除柵瓣的影響。選取的相控陣參數：頻率為7.5MHz、陣元間隙為0.1mm、陣元長度為10mm、一次激發陣元數目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。偏轉角為0°、聚焦深度為35mm 時，選擇陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm 和 0.6mm，對它們進行聲場仿真對比分析，探頭置于母管側0°位置式的仿真結果如圖5 和圖6 所示。

從圖5 的仿真結果發現：相較陣元中心間距分別為0.35mm、0.40mm 和 0.45mm，陣元中心間距分別為0.50mm、0.55mm 和0.6mm 焊縫區域的聚焦效果更佳。圖7 為圖6 中黑線（最上面的線）所在位置上X 軸方向的聲壓幅值曲線，根據圖6 的仿真結果得出：焊縫熔合線處十字標記點的相對聲壓幅值隨陣元中心間距的增大而增大。本文未對Pitch 值大于0.6mm 時進行聲場仿真，但考慮到Pitch 值過大、偏轉角度過大時，會產生柵瓣，而且探頭和楔塊尺寸會隨著Pitch 值增大而增加，加重曲率的影響。因而最終陣元中心間距選擇0.6mm。

2.3 一次性激發陣元數目確定

圖6 不同陣元中心間距下的聲壓幅值比較

圖7 不同陣元激發數的聲場效果圖

主動孔徑越大即一次激發陣元數目越多，聲束能量越集中，聲束焦點越小，分辨力也越高；但一次激發陣元數目越多，近場長度變大，近場盲區更大，不利于檢測。本文選取頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、陣元間隙為0.1mm、陣元長度為10mm、鋼中折射角55°橫波斜楔塊探頭等探頭參數，在聚焦深度為35mm、偏轉角為0°時，分別一次激發8、16、32 陣元進行聲場仿真，仿真結果如圖7 所示。

表1 不同陣元曲率半徑下測試位置的聲壓幅值

表2 相控陣探頭主要設計參數

根據圖7 結果可得：當一次激發8 和16 個陣元時，聲束聚焦效果不佳，并沒有在焊縫區域聚焦；而一次激發32 陣元時，相較一次激發8、16 個陣元，聲束在焊縫區域聚焦效果更佳，焦柱更小，具有更高分辨力。因而選擇一次性激發陣元數目為32。

2.4 陣元曲率的確定

曲面自聚焦線陣探頭的陣元在陣元長度方向為柱面，可實現該方向聚焦，降低管壁曲率的影響，使得聲束更集中。當陣元曲率過小時，聲束依舊曲率影響造成發散現象；陣元曲率過大，則使得聲束聚焦深度縮短，造成聲束無法聚焦到檢測區域。選取已確定的探頭參數：頻率為7.5MHz、陣元中心間距為0.6mm、主動孔徑為19.1mm、陣元長度為10mm、一次激發陣元數目為32、鋼中折射角55°橫波斜楔塊。本文分別進行了探頭置于母管側0°、45°和90°位置時不同曲率下的40°～55°角度范圍扇型掃查的聲場二維仿真，結果如圖8 所示。

圖8 的聲場仿真效果圖是以平面線陣探頭聲場仿真的聲壓幅值最高點為參考基準獲得的，平面線陣探頭的陣元曲率半徑為∞mm，根據圖8 的結果可得出：探頭處于母管側0°位置，采用平面線陣探頭時，焊縫區域的聲束聚焦效果更差；探頭處于母管側45°和90°位置，采用平面線陣探頭和陣元曲率半徑為25mm 的曲面自聚焦探頭時，焊縫區域的聲束聚焦效果更差；其中探頭處于母管側45°位置時，由于該位置結構影響，造成焊縫區域仿真結果出現一些異常點。根據表1 可得到：探頭處于0°位置，曲率半徑為50mm 時所測靠近焊縫熔合線位置的測試點（位置標記線的交叉點）聲壓幅值最大；而探頭處于45°和90°位置，曲率半徑為100mm 時所測靠近焊縫熔合線位置的測試點聲壓幅值最大。因而考慮到實際檢測時探頭需要適合三個不同檢測位置，因而最終選取探頭的陣元曲率半徑為100mm。

綜上所述，通過聲場分析確定了相控陣探頭的主要設計參數如表2 所示。

3 缺陷響應

為了驗證所確定相控陣探頭參數的可靠性以及相控陣探頭的檢測能力，本文基于CIVA 軟件在已建立的無缺陷模型上進行缺陷設計，采用CIVA 中的多面缺陷、矩形平面缺陷、圓柱形夾雜缺陷、球形缺陷、多面缺陷、多面缺陷分別模擬了根部未焊透、坡口未熔合、夾雜、氣孔、管道熔合線裂紋和坡口裂紋等六種典型缺陷，如圖9 所示。缺陷的尺寸分別是：根部未焊透的寬×長為1mm×2mm、坡口未熔合的寬×長為1mm×2mm、夾雜的直徑×長為1×2mm、氣孔的直徑為1mm、管道熔合線裂紋的寬×長為1mm×2mm、坡口裂紋的寬×長為1mm×2mm，其中根部未焊透位于焊縫根部位置、坡口未熔合和坡口裂紋處于靠近接管側管道熔合線中間位置、夾雜和氣孔位于焊縫中間位置、管道熔合線裂紋處于靠近母管側管道熔合線中間位置。

本文采用聲場仿真確定的探頭參數對有缺陷模型進行掃查，將探頭置于母管側0°位置，探頭楔塊前沿距離焊縫邊緣19.26mm，采用扇型掃查，由于焊縫區域較小，角度范圍選擇為 40°～55°、間距為 0.5°，可實現聲束對焊縫區域全覆蓋。

仿真結果與分析：

圖9 有缺陷小徑薄壁管座角焊縫模型缺陷位置示意圖

六種典型缺陷的S 掃圖如圖10 所示，根部未焊透的S 掃圖如圖 10（a）所示，從圖 10（a）仿真結果可見，聲束幾乎垂直打在根部未焊透缺陷上，由于缺陷存在一個端角結構，聲束反射及衍射較強，回波幅值較高，該缺陷的檢測具有較高的檢測靈敏度；如圖10（b）為坡口未熔合的S 掃圖，從仿真結果可以看出，由于隨著扇掃角度的變化，主聲束垂直達到缺陷處時，該缺陷處回波信號幅值較高；夾雜的 S 掃圖如圖 10（c）所示，從圖 10（c）可見，當主聲束垂直達到該缺陷右下方底面時，回波信號幅值較高；圖 10（d）為氣孔的 S 掃圖，從圖 10（d）可以發現，當主聲束垂直達到該氣孔右下表面時，其回波信號較高；如圖10（e）為管道熔合線裂紋的 S 掃圖，從圖 10（e）可得出，該裂紋兩端由于衍射影響而回波幅值較高，而中間部分由于缺陷方向與聲束方向的角度較小，聲束被反射到其他地方造成回波較弱；圖10（f）為坡口裂紋的S 掃圖，從圖10 可以發現，該裂紋的S 掃圖和圖10（b）的坡口未熔合S 掃圖相似，但由于該裂紋未波折形，會對聲束造成一定發散，因而相較坡口裂紋處的回波信號幅值，其回波信號幅值更低。

綜合以上缺陷仿真結果，采用該探頭設計參數和檢測方法，可以對上述缺陷進行有效檢測，且具有較高的檢測靈敏度，并能對它們實現定位和定量，為相控陣探頭研制和檢測工藝制定提供了重要的理論依據。

4 結論

圖10 六種典型缺陷的S 掃圖

本文針對接管外徑27mm、壁厚2.5mm 的小徑薄壁管座角焊縫，通過采用母管側接觸式橫波檢測的方法進行超聲相控陣檢測的CIVA 仿真研究，在探頭處于母管側不同位置時開展了不同相控陣探頭參數下的聲場仿真分析，確定了相控陣探頭參數包括頻率、陣元中心間距、一次激發陣元數和陣元曲率等，并進行了六種典型缺陷的缺陷響應模擬，從而實現了對相控陣探頭設計參數檢測能力的驗證，為實際開展接管外徑小于32mm、壁厚小于4mm 的安放式小徑薄壁管座角焊縫超聲相控陣檢測奠定了良好基礎，并為其相控陣探頭研制和檢測工藝設計提供了指導。