復合絕緣子內部缺陷超聲全聚焦檢測仿真及實驗研究

趙洲峰,黃錦瀚,羅宏建,胡宏偉*

(1.國網浙江省電力公司電力科學研究院,浙江 杭州 310014;2.浙江省電力鍋爐壓力容器檢驗所有限公司,浙江 杭州 310014;3.長沙理工大學 汽車與機械工程學院,湖南 長沙 410114)

0 引言

相較于其他絕緣子,復合絕緣子具有質量小,絕緣強度高,抗污閃性能優異及運行維護方便等優點,被廣泛應用于國內電網的各級輸電線路中。復合絕緣子在生產制造和長期運行過程中會產生護套與芯棒脫粘的現象、石護套內部出現氣孔和斷面等缺陷,導致復合絕緣子性能降低,這給電網的運行帶來了巨大的安全隱患[1]。

為了防范這些缺陷帶來的不良影響,無損檢測方法已被應用于檢測復合絕緣子內部缺陷,如射線檢測法、微波檢測法、紅外檢測法、核磁共振法、超聲波檢測法等[2]。其中超聲波檢測法具有對人體無害、成像分辨率高、靈敏度高、成像速度快及缺陷定位精準等優點,是最常使用的、適用范圍最廣的無損檢測方法[3-4]。鄧紅雷等[5]使用超聲導波法對復合絕緣子表面的一條線進行檢測,但不易判斷出缺陷的大小和深度。高英等使用水浸超聲法檢測復合絕緣子內部缺陷,能夠檢測出傘裙中直徑?3 mm的缺陷。謝從珍等[6]利用相控陣超聲波檢測法對復合絕緣子內部4種不同缺陷進行檢測,能夠檢測出直徑?0.5 mm的氣孔缺陷。徐天勇等[7-8]針對小管徑復合絕緣子內部缺陷進行了超聲相控陣檢測仿真,并提出了一種基于超聲相控陣的柔性水囊耦合檢測方法,為復合絕緣子在線檢測提供了可能。現有的復合絕緣子超聲檢測法大多為脈沖回波法、超聲導波法[5]和常規相控陣超聲法,這些方法對于缺陷的定位和定量不夠精準。全聚焦算法(TFM)被稱作相控陣超聲檢測技術中的“黃金標準”算法,其具有良好的成像質量和較高的成像分辨率。沈成業等[9]對焊縫缺陷進行了全聚焦仿真檢測,并取得了良好的效果,展示了全聚焦方法用于曲面和高衰減性材料缺陷檢測的可能,這也表明全聚焦方法在復合絕緣子內部缺陷檢測中具有良好的應用前景。

本文基于Matlab k-Wave開源工具箱,針對現有復合絕緣子缺陷超聲檢測仿真模型未考慮聲衰減性以及成像質量較差的問題,對復合絕緣子內部缺陷進行聲學建模和仿真模擬,實現了復合絕緣子內部缺陷的TFM成像,討論了頻率、相控陣陣元數目以及缺陷尺寸對檢測效果的影響,并開展驗證實驗。

1 理論與方法

1.1 k空間偽譜法

聲學中求解偏微分方程最常用的數值方法包括有限差分法、有限元法和邊界元法。使用上述方法求解波動方程時,每個波長需要約10個網格點來準確地表示場,并使用較小的時間步長來減少預期外的數值色散,這將使求解過程變得緩慢。k-Wave是用于Matlab的第三方工具箱[10],它使用k空間偽譜求解方法對超聲波的傳播進行時域模擬,能夠高效且準確地對超聲波場進行仿真模擬。

k空間偽譜法將傅里葉級數擬合到網格點的所有數據中,可以有效地計算傅里葉分量的幅值,每個波長只需要兩個網格點,相較于其他方法所需的約10個網格點,極大地提高了求解效率。k空間偽譜法在計算空間梯度時使用了快速傅里葉變換,場根據k空間傳播算子在時間上向前傳播,以獲得與有限差分法相似的精度和穩定性,這對于均勻介質是準確的,而對于非均勻介質,在使用更大的時間步長時也能獲得相同的精度[11]。

1.2 全聚焦成像

全矩陣數據采集(FMC)是一種數據采集方法,其流程如圖1所示。由圖可見,以具有N個陣元的相控陣換能器為例,相控陣換能器的N個陣元依次被激發,當激發其中一個陣元后,所有陣元都接收超聲回波信號并儲存。發射陣元的序號記為i,接收陣元的序號記為j,接收的超聲回波時域信號記為Sij,待N個陣元都激發完成后,便可得到一個N×N組的矩陣數據集,此數據集即為全矩陣數據[12-13]。

圖1 全矩陣數據采集

TFM是基于全矩陣數據的后處理成像方法,圖2為TFM檢測示意圖。由圖可見,以陣列換能器中心為原點O建立二維直角坐標系xOz,其中x軸為沿試塊長度方向,z軸為沿試塊高度方向。將成像區域分成若干個大小相同的網格,成像區域內任意一點p(x,z),將收集到的全矩陣數據中所有接收-發射對的超聲回波信號在此點疊加,即可得到該點的幅值I(x,z)為

(1)

圖2 全聚焦檢測示意圖

由式(1)可見,由陣元i激勵的聲波傳播到網格點p(x,z)之后反射回陣元j所經歷的渡越時間tij(x,z)為

(2)

式中c1、c2為第一、二層介質的縱波聲速。當試塊交界面為曲面時,根據費馬定理,超聲聲束在經過多層介質時總是沿著最短的路徑傳播,結合曲面界面函數方程式即可求得界面折射點(xt,zt)和(xr,zr)。通過計算獲得所有網格點的超聲渡越時間,將對應的回波幅值信息疊加得到I(x,z),即可實現成像區域內的圖像表征[14-16]。

2 仿真建模與分析

2.1 建立仿真模型

本文使用基于Matlab的聲學仿真工具箱k-Wave進行聲波場的仿真和重建。通過設置選定空間內復合絕緣子的材料參數,基于k空間偽譜法模擬超聲波在復合絕緣子中的傳播過程,由于三維模型的計算量過大,采用二維模型作為研究對象。圖3是建立的仿真模型。模型材料為復合絕緣子,由護套和芯棒兩部分組成,護套的材料為高溫硫化硅橡膠,芯棒的材料為玻璃纖維,材料的各仿真參數如表1所示。

圖3 復合絕緣子仿真模型

模型采用水浸的檢測方式,將xOz坐標系的原點設為相控陣陣列中心,設定陣元寬度為0.4 mm,陣元間距為0.5 mm,有限元網格尺寸為0.1 mm×0.3 mm,水聲距為12 mm,在(0,15) mm處設有直徑為?0.5 mm的通孔缺陷。將1個周期的toneburst信號作為相控陣陣元的激發信號,激勵信號如圖4所示。

圖4 激勵信號設置

對復合絕緣子全聚焦檢測進行仿真,選取32號陣元進行激勵,使用k空間偽譜法對二維非均勻介質的耦合一階偏微分方程進行時域求解,得到相應的空間聲場分布情況[17]。圖5為陣元激勵后超聲波的傳遞過程波動圖。

圖5 超聲波傳遞過程波動圖

超聲波在水中不斷向前傳播,當遇到水-護套交界面時,超聲波發生反射和透射,反射波即為水-護套層的界面回波,透射波則在護套層中傳播,遇到缺陷時繼續發生反射和透射。由于護套層為強聲衰減材料,超聲波在傳遞過程中能量逐漸變小,在仿真中表現為顏色逐漸變淡,在遇到護套-芯棒交界面時,已經處于能量較弱的狀態。

依次完成64個陣元的數據采集后,在Matlab軟件上用編寫的全聚焦程序進行后處理成像,選用信噪比(SNR)和陣列性能指標(API)兩個指標對成像質量進行定量評價。SNR通常被用于表征圖像的噪聲水平,其值越大,則噪聲的影響越小,成像質量越高,其表達式[18]為

(3)

式中:Imax為缺陷區域的最大幅值;RMS(I′)為無缺陷區域噪聲幅值的均方根。

API表示缺陷的成像分辨率,其值越小,則分辨率越高,其表達式[19]為

(4)

式中:λ為波長;A-6 dB為缺陷幅值下降6 dB所包含的缺陷面積。

2.2 頻率對檢測的影響

復合絕緣子中護套層為具有高聲衰減性的硅橡膠,超聲波在進入硅橡膠時,硅橡膠的沾滯性阻礙質點的振動,從而將部分聲能轉換為熱能,這導致了聲波的衰減,而衰減系數也隨著聲波入射頻率的變化而變化。為探究適合于復合絕緣子內部缺陷檢測的頻率,分別選取頻率1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz,使用64陣元進行仿真模擬,成像結果如圖6所示。不同頻率下硅橡膠的聲學參數以及成像質量如表2所示。結合圖6和表2可以看出,當選擇頻率5 MHz和10 MHz時,超聲波在硅橡膠中的衰減系數太大,隨著頻率增大,超聲波穿透性減弱,導致成像結果不理想,而在頻率1 MHz、2.5 MHz下缺陷輪廓清晰完整,定位準確,擁有更高的缺陷幅值、SNR及更低的API,成像效果明顯優于5 MHz和10 MHz,但在頻率1 MHz下對缺陷大小的定量不準確。綜合各項成像性能,2.5 MHz頻率的成像效果最佳。

表2 不同頻率的全聚焦成像質量

圖6 不同頻率的全聚焦成像結果

2.3 陣元數量對檢測的影響

為探究陣元數量對檢測的影響,分別設置16個、32個、64個相控陣陣元,并選用2.5 MHz頻率進行仿真模擬,成像結果如圖7所示。成像質量如表3所示。

表3 不同陣元數量的全聚焦成像質量

圖7 不同陣元數量的全聚焦成像結果

由表3可見,隨著陣元數量的增加,SNR小幅上升,但API顯著提升,總體成像質量提高。這是由于陣元數量增加后,所得曲面輪廓和缺陷的數量增加,使兩層界面輪廓及缺陷都更清晰和完整,但同時也增加了計算時間。

2.4 缺陷尺寸對檢測的影響

側通孔是復合絕緣子的常見缺陷,為探究缺陷尺寸對檢測的影響,保持原有側通孔的深度不變,在水平方向相距3 mm處增設兩個大小相同的側通孔,分別對直徑為?0.5 mm、?1 mm、?1.5mm的側通孔進行TFM成像,成像結果如圖8所示。分別計算每個通孔的SNR、API以及每種尺寸的平均SNR、API,結果如圖9所示。

圖8 不同缺陷尺寸的全聚焦成像結果

圖9 不同缺陷尺寸的全聚焦成像質量

由圖8、9可見,每個側通孔都能精準地定位,擁有較好的SNR和API。側通孔缺陷的尺寸對成像質量的影響較小,但當側通孔尺寸過大或側通孔相離過近時,聲波會產生更復雜的反射和衍射,進而產生部分偽影并影響護套-芯棒交界面的輪廓成像。

3 實驗驗證

由仿真成像結果可知,陣元數量和缺陷尺寸對成像質量影響較小,頻率對成像質量影響較大。為進一步驗證頻率對成像質量的影響,在實驗室開展復合絕緣子內部缺陷超聲全聚焦成像檢測實驗,實驗裝置如圖10所示,所用復合絕緣子試塊尺寸見圖3。實驗采用水浸檢測方法,分別選取1 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz的入射頻率,使用陣元間距0.5 mm的64陣元超聲相控陣換能器采集全矩陣數據,采樣頻率為62.5 MHz,對所采集的全矩陣數據進行TFM后處理成像處理,成像結果如圖11所示,圖中白圈表示缺陷的實際大小和位置,成像質量如表4所示。

表4 不同頻率的全聚焦成像質量

圖10 復合絕緣子檢測實驗裝置

圖11 不同頻率的全聚焦成像結果

結合圖11和表4可以看出,10 MHz頻率下超聲成像質量較差,難以區分背景噪聲和缺陷。5 MHz頻率下護套-芯棒交界面輪廓清晰,通孔缺陷明顯,但成像質量仍不足,API較高且SNR較低。1 MHz、2.5 MHz頻率下能夠清晰分辨復合絕緣子的兩層交界面以及通孔缺陷,擁有較低的API和較高的SNR,均能對通孔缺陷進行準確定位,相對誤差在0.3 mm內。與頻率2.5 MHz時相比,1 MHz頻率的API和SNR較優,但由于探頭頻率較低,波長較長,探頭的檢測分辨力降低,導致缺陷面積誤差較大。綜合各項成像性能指標,選用頻率2.5 MHz的成像效果最佳。

對比仿真與實驗結果可知,當選擇合適的檢測參數時,全聚焦方法能夠有效地檢測復合絕緣子內部缺陷,擁有良好的成像質量。在實際檢測中,頻率對缺陷檢測有較大的影響,因此,在檢測復合絕緣子這類高衰減材料時,需要選擇合適的探頭頻率以獲得較強的聲穿透性及較好的檢測分辨力,從而獲得較好的成像結果。

4 結束語

針對復合絕緣子內部缺陷檢測定位和定量精度不高的問題,本文基于k-Wave工具箱對復合絕緣子內部側通孔缺陷檢測進行了仿真模擬,使用全聚焦方法進行成像,并討論了頻率、陣元數、缺陷尺寸對檢測的影響。為進一步驗證仿真結論,開展了復合絕緣子內部缺陷超聲全聚焦成像實驗。結果表明,當選取合適的檢測參數時,全聚焦方法能夠較好地檢測復合絕緣子的內部缺陷,擁有良好的成像效果。頻率對復合絕緣子內部缺陷檢測的影響較大,當選用頻率較大時,聲波的穿透性減弱,在硅橡膠材料中的衰減系數增加,成像質量大幅降低;當選用頻率較小時,波長增加導致檢測分辨力下降,易造成缺陷的定量誤差,所以在檢測復合絕緣子內部缺陷時應選用合適的頻率,在1 MHz、2.5 MHz、5 MHz和10 MHz中,2.5 MHz的成像效果綜合最佳。陣元數和缺陷尺寸對復合絕緣子內部缺陷檢測的影響較小,實際檢測中可以根據試塊大小、時間和成本選用合適的陣元數量。