承壓設備兩大CI法的圖像質量評價

李 衍(無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會 無錫 214026)

承壓設備兩大CI法的圖像質量評價

李 衍
(無錫市鍋爐壓力容器學會無損檢測專委會 無錫 214026)

介紹承壓設備超聲檢測計算機成像（CI）兩大主流技術——TOFD法和PAUT法有關檢測結果圖像顯示質量的等級評定要點。相位灰度對比度和端部分辨力，是TOFD斑馬紋圖的像質評定要素；相應于脈沖回波動態曲線的色譜顯示，是PAUT彩虹圖的像質評定要素。結合焊接試樣中已知缺陷的檢測顯示，給出了像質評定示例。引述了最新國際動態，意在為國內及早推出承壓設備CI法相關圖像質量評定標準提供有用借鑒。

超聲檢測 TOFD 相控陣 圖像質量 灰度級 色譜

在超聲計算機成像（CI）法中，圖像質量是評價UT設備校驗和檢測設置正確與否的基本參數。

在TOFD法中，缺陷顯示的正負相位灰度對比度和端部分辨力是評估圖像質量的重要參數。在相控陣法中，缺陷信號的圖像質量，是用彩色色譜表征。此圖像色譜代表A型顯示中反射體的回波動態曲線，借此可評估反射體尺寸。

本文介紹作為焊縫承壓設備NDE“現在進行式”的兩大CI（計算機成像）法——TOFD法和相控陣法的圖像質量評定要領，并結合焊接試樣中面型缺陷和體型缺陷的檢測顯示，給出像質評定的示例。兩大CI法的圖像特征（“斑馬紋”圖和“彩虹”圖）概貌比照，如圖1所示。

圖1　焊縫兩大CI法圖像特征比照

1　衍射時差（TOFD）法

1.1TOFD 圖像特征

●1.1.1灰度條紋

TOFD法基于衍射現象，正負相位的聲波用相關于聲強的不同灰度級表示。此灰度級條紋（又稱斑馬紋）由A掃描（或波形）信號轉化而來，如圖2所示。

圖2　A掃描波形轉化為不同等級的灰度條紋

TOFD圖像一般是由A掃描的射頻波形轉換集積而成的黑白條紋顯示（通常稱為D掃描顯示），TOFD黑白條紋的灰度層次與A掃描波形相位和波幅的對應性如圖3所示。直通波和底波信號分別呈有一定寬度的、連續的黑白相間的條紋，中間的面狀缺陷，則呈現上端部信號和下端部信號轉化的兩道黑白相間的條紋，缺陷信號的條紋顯示介于直通波與底波信號條紋顯示之間。所有信號的條紋顯示均為多周期信號的條紋顯示。

圖3　A掃描波形與D掃描圖像的相關性

●1.1.2相位信息

TOFD灰度級條紋圖顯示相位信息，有些信號呈白-黑-白條紋，有些則呈黑-白-黑條紋。借此可識別波源（缺陷上端部或下端部等），也可用于缺陷定量。根據入射脈沖的相位（通常為負電壓），直通波是正相位；隨后，第一個衍射（缺陷上端部）信號是負相位，第二個衍射（下端部）信號是正相位，而底面信號是負相位。典型的TOFD布置和A掃描射頻波形及正負相位顯示的圖例見圖4。此相位信息對TOFD檢測圖像信號的解釋評定很有用，因此，射頻（RF）信號和不檢波信號常用于TOFD檢測。圖像中的相位信息可用于正確識別和表征信號屬性（如缺陷上端部和下端部，以及缺陷類別等），也可用于缺陷準確測深定高。

圖4　標準TOFD布置與A掃描射頻波形及信號相位顯示

1.2TOFD像質測評[1]

為測評TOFD圖像質量等級，特制作了板厚60mm的焊接試板作為校驗試樣，試樣中加工了兩條寬1mm的人工線槽和一個φ3mm 橫孔，分別代表面型和體型缺陷。

圖5即為測評TOFD法圖像質量用的校驗試樣和專用掃查器。掃查器由微型電機驅動，無需更換硬件，能同時進行平行掃查和非平行掃查。

圖5　測評TOFD法圖像質量用的校驗試樣和專用掃查器

用TOFD雙探頭對上述校驗試樣用不同中心間距（PCS）作TOFD檢測時，人工缺陷顯示的不同圖像質量等級示例，如圖6～圖11所示。

圖6　線槽和橫孔的斑馬紋顯示和像質評定例（1）

圖7　線槽的斑馬紋顯示和像質評定例（2）

圖8　橫孔的斑馬紋顯示和像質評定例（3）

圖9　線槽和橫孔的斑馬紋顯示和像質評定例（4）

圖10　橫孔的斑馬紋顯示和像質評定例（5）

圖11　線槽的斑馬紋顯示和像質評定例（6）

圖12歸納了面型和體型兩類缺陷、三種等級的TOFD圖像質量特征。Ⅰ級：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）輪廓清晰，給出的斷面測量值準確；Ⅱ級：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）上清下糊，或上糊下清；Ⅲ級：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）上下不清。

以線槽（代表面型缺陷）TOFD圖像為例，其圖像質量與線槽參數和檢測參數的相關性見表1。TOFD圖像的像質評估用相位灰度對比度（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級）表示，端部分辨力高低評估用A、B、C表示。

圖12　TOFD圖像：“斑馬紋”顯示分級

表1　用TOFD法驗證的圖像質量分級（不同深度區）

2　相控陣（PA）法

2.1PA圖像特征

與TOFD法一樣，相控陣法的圖像質量水平，也關系到焊縫超聲檢測設備的設置和檢測能力。測評方法也用焊接校驗試樣中參考反射體的顯示圖像。典型的相控陣圖像（稱為彩虹圖）有以下四種基色：

紅黃藍綠

理想的PA圖像示例見圖13。顯示色譜由紅→綠，代表回波聲強由強→弱。

圖13　理想的相控陣圖像示例

在脈沖回波法中，我們常用回波動態曲線來對缺陷進行定量。必須采用ASME法規第V卷附錄VIII規定的基于斷裂力學的驗收標準或基于非波幅法的技術進行定量時，則用缺陷端點尋找法定量。

相控陣（PA）是用多晶片（陣元）探頭的脈沖回波法，而多晶片用不同的時間或相位激發聲脈沖，如圖14和圖15所示。

圖14　由多陣元組成的相控陣探頭

圖15　相控陣激發脈沖和波前的形成

2.2PA像質測評[2]

PA最常用的扇形掃描顯示的“下弦月”形圖像對應于單晶脈沖法的回波動態曲線。

為使相控陣圖像有對應于100% DAC的正確顯示，典型相控陣圖像的四種基色（紅、黃、綠、藍）須呈現在參考反射體的扇形掃描顯示圖中。此圓弧長度就是包含藍—綠—黃—紅—藍的包絡圖像（見圖16）。

圖16 含四種基色的相控陣扇形顯示

圖17示出了相控陣彩色編碼的B型顯示（橫斷面顯示）與A掃描信號強度的相關性。

圖17　彩色編碼的檢波A型顯示信號用于創建彩色編碼的B型顯示

ASME 2013在第四章新增的附錄NA P中，規定了PAUT的圖像解讀和評判，總共13張圖；其中7張是圖譜解讀理念，6張是典型焊接缺陷圖譜圖例。

PA像質測評和PAUT讀譜必須諳悉圖像彩色與超聲波幅強度的相關性。UT數據常用彩色信號圖或“彩虹”圖（Rainbow color palette）顯示，彩色范圍代表一系列信號幅度。通常，白色代表0%信號幅度，藍色（或淺色）代表低信號幅度，紅色（或深色）代表判廢信號幅度[3]（見圖18）。

圖18 彩色信號、黑白信號與信號強度的相關性（ASME 2013）

圖19示出了相控陣對線槽作E掃所得彩虹圖的色譜與A掃信號強度的相關性[4]。

圖19　PA圖像色譜與A掃信號強度的相關性

優質像質是確保PAUT缺陷檢測可靠和定量準確的基本條件[5-6]。圖20說明聲束角度校準對缺陷準確定位、表征的重要性；圖21說明像質和光標位移取值對缺陷準確定量的重要性。

圖20　未校準的試件B掃顯示和折射角已校準的B掃顯示比照

圖21　焊接試樣裂紋實高(參數α)與PAUT S掃顯示裂紋測高(參數a)

有缺陷顯示的超聲相控陣圖像，按顯示的基色組成可劃分成三種質量等級，如圖22所示。

圖22　相控陣超聲圖像的質量分級

3　小結

當今成為承壓設備計算機超聲成像檢測（CI）技術主流的TOFD法和PAUT法，系統校驗和檢測設置關系到檢測結果的圖像顯示，而圖像顯示的有效性與可靠性相關于圖像質量。

1）TOFD法的圖像質量等級一分為三，像質參數主要有兩個：一是相位對比度，二是端部分辨力。

2）PAUT法的圖像質量等級也一分為三，按原色組成（紅黃藍綠）劃分，對應于A掃描動態回波曲線。影響像質的參數主要是：頻率、角度、聚焦法則。

以上有關承壓設備焊接接頭CI檢測圖像質量評定的初步研討，可供國內同仁操作借鑒。至于CI像質的定量評價，各級CI像質與系統參數、設置參數的相關性，還需結合檢測實際，進一步深化、細化和標準化。

[1] Nardoni G, Nardoni P, Folzano. Accuracy Capability of TOFD Technique in Ultrasonic Examination of Welds[R]. Rome：15th World Conference on Non Destructive Testing, 2000.

[2] Nardoni G, Certo M, Nardoni P, et al. Time of Flight Diffraction and Phased Array Techniques for the detection of small transversal in hydrocraking units welds in CrMoV steel[J]. Material Evaluation, 2011, 69（7）：890-891.

[3] ASME BPVC (2013) SectionⅤ，Art.4，NA P Phased Array (PAUT) Interpretation[S].

[4] R/D Tech. Introduction to Phased Array ultrasonic Technology Application: R/D Tech Guideline[M]. Quebec City, Canada, 2004.

[5] 王悅民，李衍，陳和坤. 超聲相控陣檢測技術和應用[M]. 北京：國防工業出版社，2014：12.

[6] 李衍. 承壓設備PAUT典型缺陷圖譜解讀[A].第十屆全國無損檢測學術年會論文集[C]. 南昌：2013，406-414.

Evaluation of Image Quality for Two CI Technologies Used in Inspection of Pressure Equipment

Li Yan
（NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society Wuxi 214026）

The key points of evaluating displayed image quality in the two big mainstream CI (Computerized Imaging) technologies, namely TOFD and PAUT, are presented. The essential element of image quality is the grey level as phase contrast and the tips resolution in the Zebra of TOFD, and the spectrum of colors representing pulse echo dynamic curves in the Rainbow of PAUT. The evaluation examples are given, using the obtained displays in inspection of welded samples with some known artificial defects. By means of viewing the latest international development, the intention is to provide useful references for establishing image quality evaluation standards of CI technologies used in pressure equipment at home.

Ultrasonic testing TOFD Phased array Image quality Grey level Spectrum of colors

X959

B

1673-257X(2016)01-0053-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．013

李衍(1940～), 男，高級工程師，NDE責任工程師，從事無損檢測技術研究工作。

（2015-04-23）