儲罐底板缺陷的相控陣超聲導波的圖像重建

王維斌,馮展軍,艾慕陽,王 琨

(中石油管道研究中心,廊坊 065000)

石油儲罐容易發生腐蝕穿孔、裂紋擴展甚至局部破裂等較為嚴重的損傷。為保證石油儲罐的安全正常運行,定期開展在役檢測是一項重要的工作。儲罐的檢測主要是針對底板和側壁的腐蝕及其他損傷,目前應用較多的為超聲檢測方法。由于底板和側壁的二維尺度很大,具有典型的板狀結構,因此應用超聲導波對儲罐損傷進行檢測是較為合適的檢測方法,也是當前的研究熱點之一[1-2]。

使用超聲導波對石油儲罐的底板或側壁進行檢測的主要難點如下：檢測導波需要覆蓋板狀結構中很長的距離范圍,而且由于石油儲罐的結構特點,導波在傳播過程中會遇到多道搭接焊縫或者對接焊縫,這些焊縫不僅會混淆缺陷的識別,同時也大大增加了超聲能量的衰減;由于石油儲罐的工作條件,在對側壁(底板)檢測時,其界面一側是油,一側是空氣(固態地基),界面條件也會造成超聲導波能量的散失。

由上述分析可知,應用超聲導波進行石油儲罐的檢測時,導波的衰減和畸變較為嚴重。因此除了選擇合適的導波模態之外,還應該提高導波的激勵能量和系統的接收靈敏度;另外,有效的檢測信號識別及處理方法也是必要的。

試驗證明,在較大頻厚積條件下,板狀結構中側壁激勵的縱波是一種比較有效的檢測方式[3]。筆者以此為基礎,研究了采用相控陣方法[4]提高板中導波的激勵能量,利用數字聚焦技術提高系統的接收靈敏度,以及對被檢區域的圖像重建等問題,以期能夠解決石油儲罐超聲導波檢測中存在的問題。

1 探頭陣列的布置形式

由于石油儲罐所需的檢測范圍較大,為提高導波激勵的能量,可以選用多個超聲探頭構成探頭陣列,按照相控陣的控制原理,以一定的時序激勵各個探頭,控制各探頭的合成波陣面,滿足聚焦或者偏轉等需求。

圖1 探頭陣列的布置方式

如圖1所示,根據不同的檢測范圍、被檢材料的衰減情況以及缺陷特征等參數,將探頭陣列進行分組,確定探頭的布置方式,每組的探頭數以及該組探頭的功能(發射、接收、或者自發自收等)。在不損失檢測靈敏度的前提下,實現對檢測范圍的有效覆蓋,并兼顧檢測效率。圖1(a)為單個探頭即可覆蓋檢測范圍的情況,此時將探頭陣列均布,以提高檢測效率。圖1(b)為通過單側聚焦,探頭陣列能覆蓋檢測范圍的情況,此時將探頭布置在一側,通過分段聚焦進行檢測。圖1(c)為單側聚焦時僅能覆蓋一半檢測范圍的情況,此時需要兩組探頭配合,一組發射一組接收,才能實現對全范圍的檢測。圖1(d)為當前激勵條件只能覆蓋局部的情況。如果需要實現對未覆蓋區域的檢測,需降低檢測分辨率和靈敏度才能實現。

2 數字聚焦及圖像重建

數字聚焦的原理可簡單表述如下：如圖1(d)所示,將兩組探頭陣列按一定角度布置,兩者均能對被檢測區域形成有效的覆蓋,每一個探頭既可以作為發射器也可以作為接收器。兩組探頭陣列分別編號為1,2,兩者探頭數相同為m,并對其中的探頭按照位置編號,依次為1,2,…,m。

根據目標探測區域的范圍,超聲探頭的頻率以及聲波傳播速度,可以估算從發射陣元到距此最遠的目標點的傳播時間t1,以及由該點產生的散射波到達距該點距離最遠的接收探頭所需要的時間t2,取兩者的和再增加一定的延遲時間,作為各探頭接收信號的采樣時間,采樣率根據要求的空間分辨率來定。

設k(k=1,2)組編號為i的探頭發射,l(l=1,2)組編號為j的探頭接收到的超聲波信號記為(t)。如果考慮全部組合,則可以獲得4×m×m組數據。

所謂數字聚焦是指按照相位關系,根據目標聚焦點的不同,將采集完成的(t)按照不同的延時參數進行疊加,以取得對目標點的聚焦接收效果。該方法是文獻[5]中提出的虛擬合成聚焦方法的一種推廣,可以大大增加缺陷信號幅度,從而有效地提高檢測靈敏度。

設探測區域內的某一目標聚焦點坐標為(x,y),則該點的與聲壓成正比的函數P(x,y)可以用下式表示：

式中——是對Uklij(t)離散采樣后的信號;

——k組第i個發射探頭幾何特征和聲場特性修正項;

——l組第j個接收探頭幾何特征和聲場特性修正項;

——目標聚焦點的幾何特征及聲場特征修正項;

——k組第i個探頭發射信號的最大幅值;

具體應用的每一修正項,均要通過對檢測聲場的試驗分析和研究,才能最終確定有效的修正函數。

按照式(1)即可獲得檢測區域內任意目標點的聲壓值,將各點的聲壓值按照對應坐標值分布成圖像,即完成了基本的圖像重建。

3 圖像重建試驗

為便于使用動態光彈設備分析聲場,使用K9光學玻璃作為檢測試件,尺寸為100 mm×100 mm×25 mm,正中開有直徑為30mm的通孔。使用超聲陣列探頭,側壁耦合,探頭頻率為6.5 MH z,陣元寬度為2mm,陣元數為22。如圖2所示,圖中畫出了某陣元發射時聲波的傳播路徑。試驗中分別在四個側面采集了發射/接收信號。

圖2 圖像重建試驗樣品圖

圖3列出了四組從試驗數據中選取的波形圖,為發射探頭陣列某陣元發射,接收探頭陣列所有陣元接收的波形排列。可以看出,波形圖的變化有一定的規律性,但由于直達波、邊角散射和界面波型轉換等干擾波形的存在,使得整個波形顯得十分復雜,不能明顯地分辨出圓孔的散射波。

圖4為利用式(1)對整個樣品進行圖像重建的結果。其中中央圓孔的像比較清晰,但是也增加了很多不存在的偽像,這主要是由于直達波的影響,當然式(1)中各修正項的合理選擇對成像的效果也有很大的影響。直達波的影響可以通過濾波手段去除,而各修正項的選擇則需要比較系統的試驗數據的支持。

圖4 圖像重建的結果

4 結論

超聲導波檢測是石油儲罐在役檢測的主要手段,由于石油儲罐的結構特點和工作條件的限制,超聲導波在儲罐檢測過程中的衰減尤為嚴重。探討了利用相控陣方法控制縱波探頭陣列提高超聲導波激勵能量的方法。針對實際中不同的可達檢測范圍,提出了可用的探頭陣列布置方式。為提高超聲信號的接收靈敏度,引入了數字聚焦方法,并給出了利用數字聚焦進行圖像重建的基本公式。試驗證明,利用該公式進行圖像重建是可行的,能夠對缺陷的位置和形貌等參數作出較為準確的反演。但是應用此方法進行聲成像時,在信號濾波,公式的簡化和實用化方面還需要進一步的工作。

[1]肖賢軍,劉麗川,劉子厚,等.超聲導波技術檢測儲罐底板缺陷[J].無損檢測,2008,30(1)：6-8.

[2]徐彥廷,劉富君,王亞東,等.大型立式儲罐綜合檢測技術[J].無損檢測,2007,29(8)：482-485.

[3]Greve D W,Zheng P,Oppenheim I J.Excitation of longitudinal and Lamb w aves in plates by edge-mounted transducers[C].Proc IEEE Ultrasonics Conference.New York,2007.

[4]Zhu W,Rose R L.Lamb w ave generation and reception with time delay periodic linear arrays：a BEM simulation and experimental study[J].IEEE Trans Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,1999(46)：654-664.

[5]Yang Y,Chen Y,Fu De.A new method of phased-array ultrasonic used in NDT[J].Sensor W orld,2003(5)：5-8.