基于超聲相控陣的小徑薄壁管座角焊縫檢測CIVA仿真

張超才， 韓 軍， 龍晉桓， 李士林

(1. 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所泉州裝備制造研究所，福建 晉江 362200;2. 廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

0 引 言

火力發(fā)電廠機(jī)、爐外薄壁小口徑管座角焊縫母管管徑大、接管管徑小且壁厚薄，在焊接過程中易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，且氫在焊縫和熱影響區(qū)擴(kuò)散聚集，易造成微小氫致裂紋[1]。隨著運(yùn)行年限、過負(fù)荷調(diào)峰，角焊縫中應(yīng)力更為集中，微小裂紋將擴(kuò)展成高危裂紋，嚴(yán)重影響管座結(jié)構(gòu)的承載、承壓能力，甚至造成管座泄露事故發(fā)生。目前，機(jī)、爐外管座角焊縫數(shù)量眾多，提高內(nèi)部裂紋缺陷檢出率，對(duì)火力發(fā)電廠安全運(yùn)行具有重要意義。

目前常采用的磁粉和滲透技術(shù)只能對(duì)管座角焊縫進(jìn)行表面、近表面檢測，射線檢測受角焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚影響較大，難以實(shí)施[2]。對(duì)于內(nèi)部缺陷的檢測，大多采用常規(guī)超聲進(jìn)行檢測，但由于受到馬鞍狀焊縫結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率的影響，以及檢測位置的局限性，存在缺陷信號(hào)識(shí)別難、缺陷定性及定位難、焊縫全覆蓋難等問題。超聲相控陣檢測技術(shù)作為目前超聲檢測前沿技術(shù)，利用相控陣技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件來控制超聲波，結(jié)合扇形掃查，聲束可大面積覆蓋被測體，得到直觀的可記錄圖像結(jié)果。其檢測效率、缺陷檢出率、定性及定量精度等方面都比常規(guī)超聲具有明顯優(yōu)勢，特別對(duì)于復(fù)雜幾何形狀材料的檢測。DB 37/T 3143—2018《小徑管管座角接焊接接頭相控陣超聲檢測技術(shù)規(guī)程》[3]中只規(guī)定了對(duì)壁厚不小于4 mm管座角焊縫進(jìn)行超聲相控陣檢測；姚健松等[4]針對(duì)壁厚5 mm管座角焊縫進(jìn)行了超聲相控陣缺陷定位準(zhǔn)確性研究；齊高軍等[5]制作了壁厚不小于4 mm的角焊縫對(duì)比試塊，用于調(diào)整檢測靈敏度以及檢測工藝制定及驗(yàn)證。而對(duì)于壁厚小于4 mm的管座角焊縫，由于焊縫特殊結(jié)構(gòu)、壁厚、曲率等因素的影響，超聲相控陣檢測相關(guān)研究較少。

一方面由于管材服役長期暴露在空氣中，表面會(huì)氧化而變得粗糙，導(dǎo)致聲波入射能量減弱，降低檢測靈敏度，影響缺陷的檢測精度。另一方面管材在加工及熱處理中，輕微因素的改變會(huì)造成同批次材料晶粒度粗大，晶粒度過大會(huì)加劇超聲波散射衰減，產(chǎn)生嚴(yán)重材料噪聲。因此有必要對(duì)小徑薄壁管座角焊縫專用超聲相控陣探頭進(jìn)行不同表面粗糙度、晶粒度進(jìn)行聲場仿真，探究其影響規(guī)律，進(jìn)而削弱其對(duì)超聲檢測的影響。針對(duì)以上問題本文通過建立無缺陷3D模型，利用無損檢測專業(yè)仿真軟件CIVA，對(duì)專用超聲相控陣探頭進(jìn)行不同表面粗糙度和晶粒度的薄壁小徑管管座角焊縫進(jìn)行聲場仿真，揭示了表面粗糙度、晶粒度對(duì)焊縫聲場的影響規(guī)律；建立有缺陷3D模型，對(duì)不同位置、大小母管融合線裂紋、坡口裂紋進(jìn)行模擬仿真分析，總結(jié)裂紋響應(yīng)變化規(guī)律及特征，從而提高裂紋檢測精度及靈敏度，并有助于指導(dǎo)檢測工藝編制及現(xiàn)場檢測工作。

1 仿真基本理論

1.1 聲場仿真理論

CIVA聲場仿真是基于Pencil法修正的瑞利積分模型，是一種半解析方法。瑞利積分將探頭離散成點(diǎn)源的形式，并假設(shè)每個(gè)點(diǎn)源分布在輻射面上。對(duì)于每個(gè)觀測點(diǎn)，利用彈性動(dòng)力學(xué)Pencil法來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)源在觀測點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓幅值[6]。該模型可計(jì)算浸入式、楔塊接觸式等任意形狀單探頭、相控陣探頭輻射的超聲場。Pencil模型是基于G.A.Deschamps提出的電磁波理論轉(zhuǎn)換為彈性動(dòng)力波的基礎(chǔ)上建立的，能夠預(yù)測超聲波在不同介質(zhì)傳播過程中的振幅衰減。

1.2 缺陷散射模型理論

根據(jù)缺陷的性質(zhì)，CIVA集成了3種缺陷散射模型：近似解析解、精確解析解和數(shù)值解來模擬聲束與缺陷的相互作用。對(duì)于經(jīng)典裂紋散射模型均采用半解析模型的近似解析解來模擬。

基爾霍夫（Kirchhoff）近似缺陷散射模型專門用于處理平面狀（可以包含多個(gè)平面）裂紋缺陷和體積空腔缺陷[7]。它是一種高頻近似模型，只有當(dāng)缺陷大于波長時(shí)有效。缺陷表面網(wǎng)格離散劃分，缺陷散射由幾何彈性動(dòng)力場和格林函數(shù)在離散缺陷表面積分所得，特別適用管座角焊縫模型中裂紋的鏡面反射和角反射。裂紋散射偏離鏡面方向時(shí)，基爾霍夫近似能精確預(yù)測裂紋邊緣衍射回波時(shí)間，但不能定量預(yù)測其振幅，使基爾霍夫近似在該情況下不能使用，誤差太大。

幾何衍射理論（geometrical theory of diffraction，GTD）模型是基于幾何射線理論，專門用于模擬裂紋邊緣衍射回波[8]，也是一種高頻近似，只有當(dāng)缺陷大于波長時(shí)有效。缺陷邊緣需進(jìn)行網(wǎng)格離散劃分，后進(jìn)行網(wǎng)格邊緣衍射積分，有助于管座角焊縫模型中裂紋邊緣衍射波的精確快速計(jì)算。GTD模型比Kirchhoff近似理論模型能更精確的預(yù)測缺陷邊緣與輪廓的衍射，當(dāng)檢測波形為橫波時(shí)，效果更好。但是，GTD模型在缺陷鏡面反射、前向散射區(qū)域發(fā)散，造成模擬結(jié)果失效。可見Kirchhoff近似理論模型和GTD模型存在互補(bǔ)有效區(qū)域關(guān)系。

Kirchhoff and GTD 模型專門用于模擬裂紋狀缺陷的反射和衍射回波。該模型是采用物理衍射理論[9]（physical theory of diffraction，PTD）將 Kirchhoff和GTD兩種模型優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，用GTD模型修正基爾霍夫邊緣衍射場。當(dāng)接收鏡面回波時(shí)，基爾霍夫場比邊緣衍射場貢獻(xiàn)更大，Kirchhoff and GTD模型與Kirchhoff近似模型結(jié)果相似；當(dāng)接收遠(yuǎn)離鏡面反射回波時(shí)，邊緣衍射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，Kirchhoff and GTD模型與GTD模型結(jié)果相似。

2 CIVA仿真

2.1 參數(shù)設(shè)置

小徑薄壁安放式管座角焊縫3D模型采用solid works軟件繪制，如圖1所示。該工件的母管材質(zhì)為 SA335-P91，橫波聲速為 3300， 密度為7.78，尺寸規(guī)格為 Φ610 mm×17.5 mm；其焊材為碳鋼，橫波聲速為 3230， 密度為 7.8；其支管為不銹鋼，橫波聲速為3120， 密度為8.03，尺寸規(guī)格為 Φ27 mm×2.5 mm；坡口角度為 50°。

圖1 局部模型圖

自聚焦相控陣探頭能彌補(bǔ)管材曲率帶來的聲束發(fā)散影響，使聲束在聚焦區(qū)域更集中，晶片的曲率通過自聚焦位置計(jì)算可知，確定晶片曲率為100 mm的32陣元自聚焦相控陣探頭。焊縫區(qū)域較小，探頭頻率為7.5 MHz可增加檢測分辨率，其余探頭參數(shù)為：晶片間距 Pitch=0.6 mm、主動(dòng)孔徑為 19.1 mm、被動(dòng)孔徑為10 mm、–6 dB帶寬為50%。采用折射角55°橫波平楔塊，密度為1.18，縱波聲速為2680， 橫波聲速為 1340。

2.2 表面粗糙度對(duì)檢測聲場的影響

管材在實(shí)際服役過程由于氧化、腐蝕等原因，會(huì)使得表面存在不同程序的微觀、宏觀起伏現(xiàn)象[10]。

如圖2所示，聲束入射到粗糙表面時(shí)，產(chǎn)生的波形轉(zhuǎn)換，折射波部分會(huì)偏離預(yù)期的方向，造成該方向聲能的損失；采用橫波檢測時(shí)，部分入射縱波相對(duì)于入射點(diǎn)小于第一臨界角，產(chǎn)生折射縱波，干擾檢測；部分入射縱波相對(duì)于入射點(diǎn)法線角度大于第二臨界角，產(chǎn)生表面波，削弱折射波能量。由此可知，聲波入射到粗糙表面，產(chǎn)生其他波形，削弱預(yù)期方向聲波能量，造成檢測靈敏度低。

圖2 超聲波在粗糙表面的部分波形轉(zhuǎn)換示意圖

為了減弱表面粗糙度對(duì)管座角焊縫檢測的影響，提高缺陷檢測的靈敏度，對(duì)專用超聲相控陣探頭進(jìn)行不同表面粗糙度的管座角焊縫進(jìn)行聲場仿真，探討了不同表面粗糙度對(duì)超聲入射聲場的影響規(guī)律。

相控陣探頭置于母管側(cè)，楔塊前端距離焊縫邊緣約19.26 mm，利用二次波檢測焊縫區(qū)域，進(jìn)行40°～ 55°扇掃深度聚焦模式，扇掃步進(jìn)為 0.5°，聚焦于上表面。仿真結(jié)果如圖3和表1所示，其中焊縫區(qū)域聲壓幅值為焊縫正中心點(diǎn)處聲壓幅值。

表1 不同表面粗糙度下待測區(qū)聲壓

圖3 表面粗糙度聲場仿真圖

由表1數(shù)據(jù)可知，表面粗糙度從100 μm降低到12.5 μm時(shí)，焊縫區(qū)域幅值快速增加，檢測信噪比及靈敏度明顯提高，即圖3中焊縫區(qū)域顏色明顯加深。表面粗糙度繼續(xù)減小時(shí)，焊縫區(qū)域幅值增加微弱，檢測信噪比及靈敏度幾乎相同。

由此可知，表面粗糙度對(duì)于角焊縫裂紋檢測影響因素主要是降低檢測信噪比及靈敏度，甚至?xí)斐闪鸭y缺陷的漏檢和誤判。現(xiàn)場檢測時(shí)薄壁管座角焊縫母管表面粗糙度應(yīng)不大于12.5 μm，從而削弱表面粗糙度帶來的影響，有利于缺陷的檢出。

2.3 晶粒度對(duì)檢測聲場的影響

金屬材料內(nèi)部由大量隨機(jī)取向、尺寸晶粒和晶間夾雜物構(gòu)成。晶粒度是晶粒大小的量度，其對(duì)超聲波的聲速、衰減、散射等均存在不同程度的影響[11]。

P91焊接接頭中各區(qū)晶粒尺寸隨服役年限增加，晶粒尺寸逐漸增大[12]。晶粒尺寸越大，超聲波在內(nèi)部散射和衰減越嚴(yán)重。根據(jù)晶粒平均直徑d與波長λ比值，將散射分成以下3種情況[13]：

晶粒度為0～ 9級(jí)時(shí)散射衰減系數(shù)根據(jù)Born近似理論計(jì)算得出，如圖4所示。從圖4中可知d≤63.5 μm時(shí)，此時(shí) α ∝d3，即處于瑞利散射區(qū)域。當(dāng)d≥89.8 μm時(shí)，此時(shí)為線性關(guān)系，即處于隨機(jī)散射區(qū)域。

圖4 衰減系數(shù)與晶粒平均直徑關(guān)系

為了探究晶粒度對(duì)超聲檢測聲場的影響，在表面粗糙度不大于12.5 μm的情況下，對(duì)0～ 9級(jí)晶粒度進(jìn)行了聲場仿真，結(jié)果如圖5和表2所示，其中待測區(qū)域聲壓幅值為焊縫正中心點(diǎn)處聲壓幅值。

圖5 晶粒度聲場仿真圖

由圖5可知，隨著P91晶粒平均直徑增大，超聲波在晶界處相互作用，造成聲波雜亂反射、折射和散射，從而形成嚴(yán)重的材料噪聲和散射衰減，檢測靈敏度急劇下降，缺陷波淹沒在材料噪聲中，難以進(jìn)行區(qū)分。由表2和圖4可知，晶粒度為0～ 4級(jí)時(shí)處于隨機(jī)散射區(qū)域，對(duì)超聲檢測影響較大，超聲檢測靈敏度及信噪比較低。晶粒度為5～ 9級(jí)時(shí)處于瑞利散射區(qū)域，散射現(xiàn)象較弱，衰減系數(shù)也比較小，對(duì)超聲檢測影響相對(duì)較小，超聲檢測信噪比和靈敏度都很高。

表2 不同晶粒度衰減系數(shù)及待測區(qū)聲壓

因此在現(xiàn)場檢測時(shí)，P91晶粒度級(jí)別不大于4級(jí)時(shí)，可選取更低的頻率探頭進(jìn)行檢測，降低散射衰減引起的材料噪聲，提高檢測信噪比和靈敏度。

2.4 CIVA裂紋缺陷響應(yīng)

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋多位于焊縫和母管融合線區(qū)域[14]。由于主管道高溫?zé)崤蛎浳灰疲Ч芘蛎洸痪斐蓱?yīng)力集中于支管根部與母管焊縫融合區(qū)域，隨機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行及調(diào)峰，逐步開裂形成高危裂紋。支管和焊材線膨脹系數(shù)不同，在循環(huán)熱作用下工作，造成熱應(yīng)力集中產(chǎn)生高危坡口裂紋。

為了驗(yàn)證該檢測工藝對(duì)管座角焊縫中裂紋的檢出、定位、定性能力，以不同大小母管融合線裂紋、坡口裂紋為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行CIVA仿真實(shí)驗(yàn)。

在表面粗糙度不大于12.5 μm、晶粒度不小于5級(jí)的情況下，設(shè)置掃描步長為1 mm，掃描路徑為10 mm，起點(diǎn)均為距離缺陷中心一測5 mm處，向另一側(cè)移動(dòng)。

母管融合線裂紋采用面狀缺陷代替，在管座角焊縫中埋藏不同大小（長×寬）裂紋缺陷，如圖6所示。

圖6 母管融合線裂紋

通過橫通孔Φ1 mm×1 mm進(jìn)行裂紋檢測靈敏度對(duì)比，以此判斷裂紋的檢出能力。母管融合線裂紋缺陷響應(yīng)扇掃圖像如圖7所示，與橫通孔回波幅值對(duì)比如圖8所示，圖中選取點(diǎn)的超聲回波信號(hào)的正負(fù)幅值分別以成像圖中正負(fù)振動(dòng)最大的幅值為參考，通過公式（1）得到：

圖7 母管融合線裂紋扇掃仿真圖

其中P1、P2為聲壓，換算后得到圖8所示曲線。

圖8 母管融合線裂紋和橫通孔回波幅值

如圖7所示，扇掃圖中裂紋缺陷受主聲束位置及衍射波的影響，后端（遠(yuǎn)離探頭端）回波幅值較高，前端較后端弱些。扇掃圖隨裂紋長度變化而相應(yīng)改變，寬度增加時(shí)，扇掃圖不變但回波幅值增加。扇掃圖底部波形成分為占比100%的TrsTrsT，為橫波發(fā)射-表面（底面）反射-橫波-表面（側(cè)壁）反射-橫波接收，即底面或側(cè)壁的干擾波。如圖8所示，對(duì)比結(jié)果表明：各母管融合線裂紋回波幅值都比Φ1 mm×1 mm橫通孔幅值弱，相差最大約13.4 dB，最小約8 dB；各裂紋對(duì)比，裂紋長度影響聲束的作用時(shí)間，裂紋寬度與回波幅值成正比關(guān)系。

由此可見，探頭置于母管側(cè)進(jìn)行超聲相控陣檢測時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)母管融合線處橫向裂紋的定位和定量，但其檢測靈敏度較低，對(duì)于較小裂紋可能會(huì)存在漏檢和誤判的可能。

采用相同檢測配置進(jìn)行坡口裂紋模擬檢測，并以相同位置的橫通孔Φ1 mm×1 mm進(jìn)行裂紋檢測靈敏度對(duì)比。在管座角焊縫中埋藏不同大小（長×寬）坡口裂紋缺陷，如圖9所示。坡口裂紋扇掃結(jié)果如圖10所示，與橫通孔幅值對(duì)比如圖11所示。

圖9 坡口裂紋

如圖10所示，因聲束幾乎垂直打在裂紋缺陷中心，鏡面反射回波幅值較高，檢測靈敏度較強(qiáng)；兩端衍射波相比較微弱。如圖11所示，對(duì)比結(jié)果表明：坡口裂紋檢測靈敏度要高于相應(yīng)位置的橫通孔靈敏度，相差最小約7.4 dB。裂紋缺陷寬度增加，由于聲束側(cè)接觸面一致，作用點(diǎn)時(shí)間相同，受掃查面缺陷寬度的影響，回波動(dòng)態(tài)曲線幅值明顯增大，成正比關(guān)系。

圖10 坡口裂紋扇掃仿真圖

圖11 坡口裂紋和橫通孔回波幅值

綜上，該檢測方式可有效檢出坡口裂紋，且檢測靈敏度較高，同時(shí)裂紋回波幅值主要受寬度影響，裂紋長度影響較弱，因而其可實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口處縱向裂紋的定位和定量。

3 結(jié)束語

本文基于CIVA仿真軟件對(duì)小徑薄壁管座角焊縫檢測的影響因素（母管表面粗糙度、晶粒度）進(jìn)行專用超聲相控陣探頭聲場仿真分析，探究了其影響機(jī)理，后對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行檢測仿真分析，分析了不同位置和大小的裂紋響應(yīng)特征，揭示了其變化規(guī)律。通過仿真實(shí)驗(yàn)得出：探頭置于母管側(cè)的超聲相控陣接觸式橫波檢測方式進(jìn)行深度聚焦和扇形掃查成像，使裂紋直觀顯示，可有效檢出不同位置、大小的裂紋缺陷，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性和定量，特別是對(duì)于坡口裂紋具有較高的檢測靈敏度，克服了當(dāng)前小徑薄壁管座角焊縫檢測中缺陷信號(hào)識(shí)別難、缺陷定性及定位難等問題。實(shí)際檢測時(shí)可利用該檢測方式開展不同位置掃查，提高檢測的可靠性和缺陷檢出率。