基于柔性相控陣的插入式管座角焊縫CIVA仿真

(寧波市特種設備檢驗研究院, 寧波 315048)

相控陣超聲檢測技術已廣泛應用于醫療、壓力容器、石化工業、航空航天等領域，成為無損檢測領域的重要組成部分[1]。插入式管座角焊縫是壓力容器上的常見結構，為連接壓力容器與外圍壓力管道的重要組成部分，且數量龐大，其焊接質量常難以控制。目前，插入式管座角焊縫的檢測多采用常規超聲檢測技術，但該技術受壁厚和曲率的影響較大，特別是在探頭伸入接管內壁進行斜入射掃查時，干擾波和缺陷波易混淆而導致缺陷信號識別難，反射點曲率的變化會給缺陷定位帶來困難，且缺陷記錄由檢測人員控制，漏檢與誤檢時有發生[2]。傳統的相控陣檢測方法，主要從管座角焊縫外部進行檢測，檢測方法多用斜探頭在殼體和管子上做相控陣扇掃檢測以及利用剛性相控陣探頭深入管子內壁做線陣列掃查。但在內壁做線陣列掃查時需要設置凸形楔塊,與管內表面進行耦合并且需要手工移動探頭[3]。該方法有兩大缺點，一是插入式接管的規格繁多，需要多種凸形楔塊與凹面進行匹配；二是手工掃查效率低，難以滿足現場大規模的檢測需求。

將柔性相控陣探頭通過水套直接貼合在插入式接管內壁進行掃查的方法，可以克服上述常規超聲檢測以及剛性相控陣檢測方法的不足。因此，筆者提出了可變曲率的柔性相控陣探頭，其結構如圖1所示。

圖1 柔性相控陣探頭結構示意

柔性相控陣探頭由探頭成形夾具定位彎曲成凸陣探頭，不同曲率的管子由相應曲率的夾具來完成探頭的彎曲。其目的是為了使柔性探頭彎曲的圓弧面和管子的圓弧面成為同心圓，從而使周向電子線掃查時，焦點始終落在角焊縫的外側。此外，考慮到柔性相控陣探頭盲區的影響，以及對探頭磨損的保護，加工時在探頭前部安裝一個水套，水套內部充滿水，使探頭完全浸在水中。該設計既克服了其他外部無損檢測技術的不足，又解決了常規柔性相控陣檢測薄壁管的盲區控制問題。

綜上所述，筆者提出了一種可變曲率的凸面柔性相控陣超聲檢測方法，利用CIVA軟件建立插入式管座角焊縫的相控陣模型并仿真聲束的聚焦性能，從而得到了一組較理想的相控陣設計參數。根據聲場仿真所得參數進行缺陷響應研究，為試塊、人工缺陷設計以及探頭激發參數的選擇提供了重要的理論支撐。以此為理論依據，研制了插入式管座角焊縫專用相控陣探頭，對角焊縫進行了檢測試驗，成功地檢測出氣孔、未焊透等缺陷，有望應用于工程實踐中。

1 柔性相控陣水鋼界面波束聚焦模型

相控陣延時時間計算模型如圖2所示，在平面坐標系xOy中，直線r1,r2,…,rm為超聲波在鋼中的傳播路徑，直線l1,l2,…,lm為超聲波在水中的傳播路徑。設A(x,y)為聚焦點(回波聲源)坐標位置，C(xm,ym)為第m號陣元的坐標，B(m,m)為水鋼界面上的第m號陣元的聲波折射點坐標。O(x0,y0)為參考點，D(0,0)為聚焦點到水鋼界面的最短距離所對應的點，α,β為第m號陣元接收的由鋼界面入射到耦合劑時的入射角與反射角，c1為超聲波縱波在鋼中的傳播速度，c2為超聲波在水中的傳播速度，r0為鋼中超聲傳播的最短距離，l0為耦合劑中超聲傳播的最短距離，由此求得第m號陣元的延時時間τm。

圖2 相控陣延時時間計算模型

由于文中采用聲束不偏轉聚焦的方法，故位于參考點兩邊的相控陣列陣元信號的延時量相等，即：τ1=τ-1，τ2=τ-2，…，τm=τ-m。因此，僅需要計算右邊陣元的信號延時量。

以O為參考點，則第m陣元的信號延時量為

超聲波經界面折射，由折射率公式可得

sinα/sinβ=c1/c2

(2)

超聲波在鋼中傳播的距離AB為

(3)

超聲波在水中傳播的距離BC為

(4)

由于AD、OD、c1、c2已知，當m確定時，利用計算機建模求解可得到A、B、C、D的坐標，代入式(1)可得第m陣元的延時值τm。

記激發陣元個數為M，第m陣元接收信號為ym(t)(t為時間)，則超聲相控陣波束形成輸出為

Mu：Let me help you，Lao Yang.You have a good girl.You can change her for the debts.

(5)

2 聲場仿真

承壓設備中的插入式接管規格眾多，具體規格可以參考國家石油化工行業標準SH/T 3405-2012《石油化工鋼管尺寸系列》。因此，筆者開發了一種可變曲率的柔性相控陣探頭，可以根據探頭成形夾具，設置不同的彎曲半徑，匹配各種規格的插入式接管。目前，厚度為10～20 mm，管徑DN100～300之間的插入式接管在我國承壓設備領域中使用廣泛。仿真對象應盡量選擇規格常見的，檢測難度較高的接管規格。考慮到薄壁小徑管的檢測難度較大，但管徑過小的小徑管不適合用內檢測技術。綜合考慮，筆者選取φ168 mm×10 mm(外徑×壁厚，下同)的插入式管座角焊縫的檢測模型為仿真對象。

利用CIVA軟件仿真不同參數下的相控陣聲場聚焦效果，包括激發陣元個數(n)、陣元尺寸(a)、陣元間距(d)、信號中心頻率(f)等。聚焦效果主要體現在焦點尺寸和聲場覆蓋范圍上。一般焦點尺寸越小，聲場更加匯聚，焦點處的聲壓幅值越高，但聲場覆蓋范圍也會因此減小。所以，設計的原則是在保證聲場覆蓋被檢工件的同時，盡量使聲束更加集中。

2.1 激發陣元個數對聚焦性能的影響

根據圖2的檢測模型，初步選取頻率為5 MHz,陣元寬度為0.7 mm,間距為0.8 mm,長度為10 mm,偏轉角為0°的相控陣參數，焦點落在角焊縫的外側，對4,8,12,16,32個激發陣元的聲場聚焦性能進行仿真，如圖3所示。接著，對上述激發陣元個數下的聲壓幅值進行比較，如圖4所示。

圖3 激發陣元個數對聚焦性能的影響

圖4 不同激發陣元個數下的聲壓幅值比較

由圖3,4的仿真結果可得：激發陣元個數越多，聚焦點區域的聚焦能力越好，但激發陣元數過多會導致聚焦區域減小，且增加了系統的復雜性。當激發陣元數過少(如n=4)時，聚焦效果較差，聲束無法在預定焦點處匯聚。文章是利用柔性相控陣探頭伸入到管子內壁進行縱波電子線掃查的，因此對于該結構來說其是一個凹面聲場聚焦模型。對于直徑較小的管子，增加激勵陣元個數，往往會使得參與聚焦法則兩邊的陣元所發射的聲波無法匯聚，只有中間部分的陣元參與聲場的聚焦，其余陣元形成的雜波還會干擾缺陷的判斷。因此，對中小徑管的內檢測應該在保證檢測精度的情況下采用較少的激勵陣元。故對目前插入式角焊縫的尺寸結構，往往采用12個激發陣元進行縱向電子線掃查。

2.2 陣元尺寸對聚焦性能的影響

為了抑制旁瓣，應使陣元寬度a盡量接近陣元間距d。CIVA建模設置參數時，初步選取頻率為5 MHz，陣元間隙為0.1 mm，偏轉角為0°，激發陣元個數為12的參數，焦點落在角焊縫外測，對陣元寬度a為0.3，0.5，0.7，0.9，1.1 mm的5組數據進行仿真。仿真結果如圖5所示。

圖5 陣元尺寸對聚焦性能的影響

由仿真結果可得：當a為1.1 mm時，陣元間距大于波長，造成柵瓣效應。當a為0.3，0.5 mm時聚焦效果不理想，聲束無法匯聚到角焊縫的外側；當a為0.7，0.9 mm時聚焦效果較好。

接著再從焦點尺寸和聲場覆蓋范圍兩方面來分析比較a為0.7，0.9 mm時的聚焦效果。從結果來看，a為0.9 mm時的焦點處聲場更加匯聚，聲能更加集中，但聲場覆蓋的深度范圍不夠(利用-3 dB法測得圖6中的焦點尺寸進行比較)，而且從幅值比對圖來看，a=0.7 mm時比a=0.9 mm時的幅值只低了1.8 dB。所以，a選擇0.7 mm較合適。

圖6 a=0.7 mm和a=0.9 mm時的聚焦效果比較

2.3 頻率對聚焦性能的影響

圖7 頻率對聚焦性能的影響

相控陣超聲頻率的選取應綜合考慮聚焦能力、分辨力和超聲波衰減等多種因素。從圖7的仿真結果可以得出：頻率為2.5 MHz時，聚焦效果不佳,聲束無法在預設焦點處匯聚；頻率為10 MHz時，出現了柵瓣現象；頻率為5 MHz時，聚焦性能較好。

根據理論分析以及聲場仿真，最終確定了探頭的設計參數，如表1所示。

表1 探頭的參數

圖8 插入式管座角焊縫人工缺陷試樣設計圖

3 缺陷響應

為了從理論上驗證聲場仿真中所得探頭的檢測能力，制定最佳檢測工藝，筆者在CIVA軟件中設計了φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫人工缺陷試樣，試樣設計圖見圖8。該試樣可以模擬該柔性探頭對管座角焊縫不同位置、不同角度、不同性質缺陷的靈敏度，以未熔合缺陷處為零點位置，順時針每隔60°分別設置了以下6大類缺陷：未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋。通過缺陷響應仿真可以得到該方法對于上述6大類常規缺陷的檢測靈敏度。因此，在設計相控陣探頭之前，有必要對其進行焊接試樣缺陷的響應仿真。

3.1 掃查方式

采用64陣元的柔性相控陣探頭進行管座角焊縫內表面掃查，具體掃查方式如下所述。① 周向：12陣元為一組激發方式的電子線掃查。由于陣元總數有限，完成一次電子線掃查之后，利用掃查裝置使探頭周向平移，直至完成整圈周向方向的檢測。② 軸向：完成一圈周向掃查之后，利用掃查裝置使探頭軸向平移一段距離(約陣元長度的1/3)，接著完成第二圈軸向掃查，直至完成整個軸向方向的掃查。根據上述掃查方式在CIVA中建立掃查軌跡(見圖9)，周向步進掃查精度為2 mm，軸向步進掃查精度為3 mm。

圖9 CIVA軟件中建立的掃查軌跡

3.2 檢測結果

如圖10所示，在CIVA11.0軟件中從左往右分別設置了6類缺陷：坡口未熔合,15 mm×3 mm(長×高);根部未焊透,15 mm×3 mm(長×高);坡口裂紋,15 mm×3 mm(長×高);圓形氣孔,φ4 mm(直徑);圓柱形夾渣,15 mm×3 mm×3 mm(長×寬×高);管道熔合面裂紋,25 mm×4 mm(長×高)。為了節省計算時間，將周向360°布置的缺陷集中放置在120°的圓周上。

圖10 CIVA軟件中的缺陷布置

圖11 柔性探頭的C掃查圖像

由C掃查圖像可以得到，該柔性探頭可以有效地檢測出上述6種缺陷，并能實現缺陷在俯視平面上的精確定位。

缺陷的C掃回波動態圖如圖12所示，由圖可對上述6種缺陷的聲壓回波幅值進行比較。其中，回波高度從大到小排列依次是：圓柱形夾渣，根部未焊透，縱向裂紋，圓形氣孔，坡口未熔合，坡口裂紋。接下來，分別分析每個缺陷的具體情況。

圖12 缺陷的C掃回波動態圖

圖13 坡口未熔合的D掃與B掃圖像

坡口未熔合的D掃與B掃圖像如圖13所示，未熔合在CIVA軟件中用矩形缺陷代替。從圖13可以看出，在未熔合缺陷的兩端發現衍射波信號且回波信號較弱；中間區域聲波大部分被反射出去，因此造成整體回波幅值較低。總之，該檢測方法雖然回波幅值不高，但依然可以檢測出坡口角度為40°的坡口未熔合缺陷。

根部未焊透的D掃與B掃圖像如圖14所示，考慮到實際焊縫中的根部未焊透形狀多數為凹凸不平的形狀，因此在CIVA軟件中用多面缺陷代替根部未焊透。從圖14可以看出，根部未焊透缺陷的朝向與主聲束垂直，其回波信號較高。因此，該方法對于檢測根部未焊透缺陷具有很高的靈敏度，是其他外檢測方法無法比擬的。

圖14 根部未焊透的D掃與B掃圖像

坡口裂紋的D掃與B掃圖像如圖15所示，坡口裂紋在CIVA軟件中用多面缺陷代替。從圖15可以看出，在坡口裂紋的兩端處由于衍射波的影響而回波信號幅值較高;中間區域由于裂紋的不規則性以及坡口角度的影響，聲波大部分被反射出去，因此其整體回波幅值是上述6個缺陷中最小的。故該檢測方法雖然回波幅值不高，但依然可以檢測出坡口角度為40°的坡口裂紋缺陷。在檢測過程中為了提高對該缺陷的檢出率，建議增加外部扇形掃查檢測。

圖15 坡口裂紋的D掃與B掃圖像

圖16 圓形氣孔的D掃與B掃圖像

圓形氣孔的D掃與B掃圖像如圖16所示，在CIVA軟件中用球孔代替圓形氣孔。從圖16可以看出，當主聲束垂直到達該氣孔時，其回波信號較高。但由于球面的關系，探頭稍微移動就會使回波信號急速下降，因此常規超聲檢測技術對于氣孔的漏檢率較高。而文中采用的C掃查技術能保證氣孔缺陷在C掃查圖像中被顯示出來，避免了手工掃查的弊端。

圓柱形夾渣的D掃與B掃圖像如圖17所示，CIVA軟件中可以直接調用圓柱形夾渣缺陷。從圖17可以看出，當主聲束垂直到達該圓柱形夾渣底面時，其回波信號幅值非常高。在缺陷的周向方向上，由于缺陷為柱面形狀，探頭稍微移動就會使聲波往周向發散；在缺陷的軸向方向上，探頭稍微移動會使聲波往軸向反射。因此，在C掃圖像中，主聲束垂直到達該圓柱形夾渣底面部位的回波幅值最高，長度方向上的信號幅值迅速下降。

圖17 圓柱形夾渣的D掃與B掃圖像

管道熔合面裂紋的D掃與B掃圖像如圖18所示，縱向裂紋在CIVA軟件中用多面缺陷代替。從圖18可以看出，雖然縱向裂紋的裂紋面朝向具有不規則性，但由于其延伸面與主聲束垂直，故缺陷仍有較高的回波。因此，該方法對于縱向裂紋具有很高的檢測靈敏度，是其他外檢測方法無法比擬的。

綜上所述，該方法對于上述缺陷具有較高的檢測靈敏度，且能實現缺陷在焊縫中的定位與定量，為試樣和探頭的制作提供了重要的理論支撐。

圖18 管道熔合面裂紋的D掃與B掃圖像

4 檢測試驗

根據上述的CIVA仿真分析結果，為滿足φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫的內檢測要求，筆者設計了變曲率64陣元柔性相控陣，相控陣探頭參數如下：陣元寬度為0.7 mm，間距為0.8 mm，陣元長度為10 mm，頻率為5 MHz，參與聚焦法則的通道數量為12。試樣檢測現場如圖19所示。

圖19 試樣檢測現場

為驗證文中提出的檢測方法的可行性和可靠性，筆者加工了如圖8所示的人工缺陷試樣，設置了與CIVA仿真設置一致的6類缺陷：未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋。檢測時在水套內充滿水，將探頭通過探頭成形夾具放入水中，超聲波通過水耦合進入工件中，再以反射波的形式穿過水層被探頭接收，相控陣模塊將探頭組件和編碼器采集的信號轉換成數字信號，并將數字信號傳輸至超聲波檢測儀，最后通過成像軟件形成實時A、B、C、D掃描圖像。其檢測圖像如圖20所示，可以看出，該檢測技術能檢測出上述6大類缺陷，圖20中的缺陷顯示從左至右依次是：氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋、未熔合、未焊透、坡口裂紋，并能實現精確定量、定位。特別是在缺陷面平行于插入式接管管壁的情況下，對缺陷具有極高的檢測靈敏度。

圖20 缺陷的超聲檢測圖像

5 結論

(1) 提出了利用柔性相控陣探頭對插入式管座角焊縫進行超聲檢測的方法，對不同的激發陣元數目、頻率、陣元寬度等進行了聲場仿真，選擇出一組較為理想的相控陣參數，為柔性探頭的研制提供了理論依據。

(2) 在CIVA軟件中建立了φ168 mm×10 mm的插入式管座角焊縫模型，利用缺陷響應實現了未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋缺陷的掃查仿真。

(3) 利用CIVA軟件缺陷響應仿真結果可以得到該檢測技術對不同性質、不同朝向缺陷的檢測靈敏度。

(4) 該檢測技術成功地檢測出了未熔合、未焊透、坡口裂紋、氣孔、夾渣、管道熔合面裂紋缺陷，且能較為準確有效地對缺陷形狀、尺寸和位置進行成像顯示。