厚壁筒形件內表面徑向缺陷檢測的超聲聚焦技術

郭偉燦，錢盛杰

(1.浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048)

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厚壁筒形件內表面徑向缺陷檢測的超聲聚焦技術

郭偉燦1，錢盛杰2

(1.浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020；2.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048)

厚壁筒形件的周向超聲檢測過程中，超聲波對內表面徑向缺陷檢測的靈敏度受到多種因素的影響。常規的超聲檢測技術存在靈敏度低、缺陷定位困難等難點；采用聚焦技術可提高檢測的靈敏度，但橫波接觸聚焦法的檢測范圍受曲面和聲場結構等因素限制。采用柔性超聲相控陣聚焦技術，根據曲面形狀設計聚焦法則，可以有效地解決厚壁筒形件徑向缺陷超聲檢測的技術難題。試驗結果表明：提出的柔性相控陣聚焦技術對厚壁筒形件內表面徑向缺陷具有較高的檢測信噪比。

超聲檢測;厚壁筒形件;超聲相控陣技術;徑向缺陷;柔性探頭

對內外徑之比不大于0.6的厚壁筒形件內表面徑向缺陷進行周向超聲檢測時，常規的周向超聲檢測技術存在純橫波檢測困難、聲波干涉以及曲界面導致檢測靈敏度降低等技術難點[1-2]。檢測時，采用純橫波技術通常使得聲束軸線與內表面缺陷的夾角接近90°，理論上端角反射率很高，但實際上入射波、反射波在邊界上發生互相干涉而導致對內表面裂紋檢測的靈敏度降低[3-4]；采用縱波技術時，聲壓往復透射率較低，而使得檢測靈敏度較低。采用聚焦技術可提高檢測靈敏度，但常規的超聲聚焦技術最大焦距只能在一個近場區長度左右，焦距再增加聚焦效果卻不明顯[4]。另外，由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，導致通過波型轉換后產生的折射聲束不能在原定的焦點附近會聚。相對于常規超聲聚焦技術，相控陣技術可以動態聚焦并實現多角度、多方向掃查[5]。但剛性相控陣探頭存在曲表面聲耦合、界面波型轉換等問題。筆者在試驗的基礎上，提出采用周向超聲柔性相控陣檢測技術，并根據曲面形狀設計聚焦法則，可以有效解決厚壁筒形件周向超聲檢測的技術難題。

1 線聚焦超聲檢測技術

1.1 理論分析

厚壁筒形件內表面裂紋的周向超聲檢測方法主要有純橫波法、雙重波型檢測法、小角度縱波切內壁法、變型橫波端角反射法、變型橫波切內壁法[4]。但上述方法能量不夠集中，對內表面徑向缺陷的檢測靈敏度偏低，而采用斜入射線聚焦方式可以提高厚壁筒形件內壁徑向缺陷的檢測靈敏度。斜入射線聚焦方式一般利用直探頭，通過楔塊將聲束斜入射到工件中。為了實現接觸式檢測，根據聚焦條件，通常采用高聲速的有機玻璃作為凹面聲透鏡，采用另一種較低聲速的有機玻璃作為楔塊，其斜探頭聲透鏡聚焦原理如圖1所示[5]。圖1中，α為入射角，β為折射角，LF為焦柱長度，ΦF為焦柱直徑，DF為焦柱中心離工件表面的距離。

圖1 有機玻璃凹聲透鏡聚焦原理示意

筆者采用圖2所示的雙重坐標系，對斜探頭聲透鏡的聚焦聲場進行分析。直角坐標系原點在聲透鏡背面中心上(見圖2(a))，x、y軸分別為透鏡長度和高度方向，z軸垂直于透鏡背平面(xOy面)。圖2(a)中a、b分別為壓電晶片的長度和寬度,ds為面積微元。柱面坐標系(見圖2(b))取透鏡內表面的圓柱體幾何中心作為原點，r為透鏡的曲率半徑，θ為透鏡曲面上投影點處的半徑與z軸正方向的夾角[6],O′為聲透鏡曲率中心，O″為焦點，f為聲透鏡的焦距。

圖2 柱面聲透鏡模型

假設晶片由一系列點源組成，每個點源向外發射單一頻率的球面波，設球面波聲壓為P1，不考慮點源之間的相互干涉，且假設到達聲透鏡背面(xoy面)的時間相同。得到空間一點M(x，y，z)處的聲壓為[6-7]:

(1)

式中：p0為原始聲信號幅值;c1為透鏡材料中的聲速;c2為水中的聲速；R為空間任意點M到透鏡曲面上的距離，計算如式(2)。

(2)

式中：(x1,y1,r(1-cosθ))為透鏡曲面上的點。

1.2 聲場仿真

實際中，根據式(1)求解線聚焦超聲探頭在空間的聲場分布比較困難，筆者采用CIVA超聲仿真軟件計算線聚焦超聲探頭在厚壁筒形件的聲場分布。由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，為保證入射聲速都轉換為折射橫波，因此聚焦探頭的橫波折射角要比33.2°的臨界角大一些，筆者采用橫波折射角37°的聚焦超聲探頭檢測內徑r為140 mm、外徑R為200 mm的筒形件，得到的CIVA仿真聲場如見圖3(a)所示，而相應的非聚焦探頭的CIVA仿真聲場如圖3(b)所示。對比圖3(a)，(b)，如果聚焦距離較大，相對于非聚焦探頭，線聚焦超聲探頭的聚焦效果并不明顯。同樣，筆者采用橫波折射角為37°的聚焦超聲探頭檢測內徑r為70 mm、外徑R為100 mm的筒形件，得到的CIVA仿真聲場如圖4(a)所示，而相應的非聚焦探頭的CIVA仿真聲場如圖4(b)所示，對比圖4(a)，(b)，其線聚焦超聲探頭的聚焦效果就十分明顯。

圖3 r=140 mm，R=200 mm筒形件聚焦效果對比

圖4 r=70 mm,R=100 mm筒形件聚焦效果對比

2 柔性相控陣探頭曲面聚焦技術

2.1 理論分析

有機玻璃楔塊線聚焦技術雖然能起到一定的聚焦作用，但由于探頭和工件接觸面是曲面，聲束在曲界面的入射角各不相同，導致通過波型轉換后產生的折射聲束不能在原定的焦點附近會聚，且常規的超聲聚焦技術最大焦距只能在一個近場區長度左右，焦距再增加聚焦效果并不明顯[5]。而采用超聲柔性相控陣曲面聚焦技術，可以有效解決厚壁筒形件周向超聲檢測的技術難題。

曲面相控陣聚焦原理示意如圖5所示，線陣元沿曲面排列，運用電子技術，按計算得到的時序控制激發各個陣元，使陣列中各陣元發射的超聲縱波疊加形成一個新的波陣面[7]，最終聲束在厚壁筒形件內壁會聚，并使聚焦聲束以一定角度(通常為45°左右)入射到內壁。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規則和時序控制接收陣元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示出來， 由此實現超聲波聲束的動態聚焦。

圖5 曲面相控陣聚焦原理示意

以外徑為300 mm、內徑為150 mm的厚壁筒形件為例，如采用曲面相控陣聚焦探頭，探頭由16個陣元組成，每個陣元晶片長度為16 mm，晶片寬度為1.2 mm，探頭間距為0.8 mm。以中軸線為界，右邊8個探頭從左到右依次編號n為：1至8；左邊8個探頭從右到左依次編號n為：-1至-8。則各探頭中心到C點的距離為

(3)

由式(3)可求出各探頭中心到C點的距離，表1為各探頭中心到C點的距離及傳輸時差。

陣元沿曲面排列，運用電子技術，按表1計算得到的時序控制激發各個陣元，使陣列中各陣元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面，在厚壁筒形件內壁會聚，產生的聚焦聲束以45°入射到內壁，使內表面徑向缺陷的檢測靈敏度大幅提高。

2.2 聲場仿真

為探究柔性相控陣探頭效果，筆者用CIVA軟件進行聲場仿真分析，仿真使用的聚焦方法為單點聚焦，CIVA仿真的具體參數見表2，柔性相控陣探頭在厚壁筒形件中的CIVA仿真聲場如圖6所示。從圖6可得出，柔性相控陣探頭在內外徑之比為0.7,0.6,0.5的厚壁筒形件中均有較好的聚集效果，可以用于厚壁筒形件內表面徑向缺陷的檢測。

表1 各探頭中心到C點的距離及傳輸時差

圖6 柔性相控陣探頭在不同內外徑比的厚壁筒形件中的聚焦聲場

表2 CIVA仿真參數

3 檢測試驗

根據上述的理論分析，為驗證超聲檢測技術對厚壁筒形件內表面徑向缺陷檢測的可靠性，筆者加工了試驗用厚壁筒形件對比試塊，對比試塊的規格、簡圖和實物見表3與圖7。試塊上的線切割槽用以模擬徑向缺陷，所有試塊的寬度為40 mm。

表3 試塊規格

圖7 試塊結構尺寸示意與實物照片

筆者用柔性相控陣探頭曲面聚焦技術對B1、B2、B3試塊進行內表面徑向缺陷檢測，試驗結果見表4。從表4可看出，采用柔性相控陣探頭曲面聚焦技術檢測內外徑之比為0.7，0.6，0.5的厚壁筒形件內表面徑向缺陷，均有較高的信噪比。

表4 柔性相控陣探頭曲面聚焦技術檢測內表面徑向缺陷的信噪比 dB

4 結論

(1) 通過CIVA仿真分析，如果選擇合適的焦距，線聚焦超聲探頭能在筒形件內壁獲得較好的聚焦效果。

(2) 采用柔性超聲相控陣聚焦技術，根據曲面形狀設計聚焦法則，通過CIVA仿真分析，柔性相控陣探頭在內外徑之比為0.7，0.6，0.5的厚壁筒形件中均有較好的聚集效果，適用于厚壁筒形件內表面徑向缺陷的檢測。

(3) 通過厚壁筒形件產品對比試塊的人工缺陷檢測試驗表明，提出的柔性相控陣技術對厚壁筒形件內表面徑向缺陷檢測具有較高的信噪比，可以有效解決厚壁筒形件內壁徑向缺陷超聲檢測的技術難題。

[1] 郭偉燦，鄭津洋.厚壁筒形件和管道周向超聲檢測[J].壓力容器,2006(10):9-12， 22.

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[5] 鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：新華出版社，2008.

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[7] 施克仁，郭寓岷. 相控陣超聲成像檢測[M]. 北京：高等教育出版社,2010.

Ultrasonic Focusing Technique for Testing Internal Surface Radial Defects of Thick Walled Cylindrical Item

GUO Wei-can1, QIAN Sheng-jie2

((1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China; 2.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

When circumferential ultrasonic testing is performed for thick walled cylindrical item, the testing sensitivity of internal surface radial defects is affected by various factors. The conventional circumferential ultrasonic testing could not receive satisfied performance because of its low sensitivity and of difficulty in locating defects. The testing sensitivity of internal surface radial defects can be improved by ultrasonic focusing technique. However, the contact transverse wave ultrasonic focusing technique is limited by various factors such as curved interface and sound-field structure. A flexible phased array technique is performed in the paper, and a flexible probe is designed which can be in good match to the surface of thick walled cylindrical item. The focal law is designed based on the curved shape and can effectively solve the difficult testing problem of internal surface radial defects of thick walled cylindrical item. The experimental results show that the flexible phased array technique has high signal to noise ratio for detecting internal surface radial defects of thick walled cylindrical item.

Ultrasonic testing; Thick walled cylindrical item; Ultrasonic phased array technique; Radial defects; Flexible probe

2016-04-26

郭偉燦(1968-)，男，教授級高級工程師，研究方向為承壓設備檢驗與無損檢測等。

郭偉燦,E-mail：gwcndt@126.com。

10.11973/wsjc201612013

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0055-04