流量計對接焊縫超聲相控陣CIVA仿真研究

錢盛杰，黃海軍，賴 圣，汪 磊

(寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048)

流量計是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，廣泛應用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫藥、農業、環境保護及人民日常生活等國民經濟各個領域，是發展工農業生產、節約能源、改進產品質量的重要工具。本文所述的流量計為噴嘴蒸汽流量計，主要用于工業管道中蒸汽介質流體的流量測量，如圖1所示。該流量計由于其特殊的結構原因，往往需要承受較大的焊接應力、結構應力、疲勞載荷等；且該流量計的厚度較大，在焊接過程中由于焊縫冷卻過快或坡口形式復雜，容易造成裂紋、氣孔、未焊透和未熔合等缺陷產生，焊接質量難以控制，給無損檢測帶來了很大的困難。流量計對接焊縫的無損檢測方法主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測和滲透檢測【1】。但磁粉檢測和滲透檢測無法探測出焊縫內部缺陷，射線檢測方法對于裂紋、未熔合等缺陷不敏感，檢測可靠性受結構影響大并且伴有輻射危害【2】。常規超聲檢測理論上能實現對流量計對接焊縫的檢測，但是該方法不能建立工件的模型并成像，而流量計的結構復雜，若采用超聲檢測，難以將超聲信號和幾何回波信號區分開來，容易造成誤檢。特別是接管附近的對接焊縫，由于此處結構緊湊，常規探頭無法進行移動掃查，存在較大的檢測盲區。

針對上述問題，提出了相控陣技術，利用CIVA軟件仿真設計了小型相控陣探頭，并利用該探頭進行了缺陷響應研究，使檢測精度和檢測可靠性明顯提高，可有效保證流量計對接焊縫的制造質量和使用安全。

圖1 流量計

1 相控陣探頭設計

1.1 相控陣斜探頭設計

1.1.1 頻率

為提高成像分辨率，頻率越高越好，但過高的頻率又會使聲束的衰減大大增加。課題中工件厚度為39 mm，根據該厚度初步選取5 MHz的探頭激發頻率。

1.1.2 陣元尺寸

由于頻率為5 MHz，采用橫波檢測，那么聲波的波長為0.65 mm。若陣元間距太小，則需要較多的激發陣元個數，從而增加了系統的復雜性；若陣元間距太大，則容易產生柵瓣，特別是在聲束偏轉的情況下。一般陣元間距選擇半波長大小較為合適【3】。因此，初步選取寬度為0.3 mm、間距為0.4 mm、長度為10 mm的相控陣陣元尺寸。此外，激發陣元個數決定相控陣的孔徑，進而決定焦點的距離【4】。一般情況下，要檢測30 mm的鋼板，至少需要16個激發陣元，課題中工件厚度為39 mm，可以采取24或32的激發陣元個數。但在該結構中，過多地增加陣元個數會使探頭變大，這樣一來探頭的移動空間更小，甚至該空間的尺寸已不足以安放探頭。綜合考慮后，選取16個陣元的激發陣元個數。

1.1.3 楔塊設置

楔塊采用常規有機玻璃，由于課題中的流量計結構尺寸小，因此，需要設計與探頭相對應的楔塊尺寸。在CIVA中設置的楔塊尺寸如圖2所示。其中，超聲波經楔塊折射后在工件中的入射角為45°，方便超聲波對該工件的中部和下部進行檢測。

1.2 相控陣直探頭設計

為了實現對上部分焊縫的檢測，需要進行二次波扇形掃查，而在該結構中斜探頭的二次波無法達到焊縫的上部，因此提出了利用相控陣直探頭進行扇形掃查的方式來實現聲束對焊縫的全覆蓋。考慮到設計加工探頭的成本因素，上述橫波斜探頭的設計參數亦滿足檢測要求，故直探頭仍然采用相同的陣元尺寸和頻率進行檢測。

2 掃查方式的確定

由于該探頭移動范圍小，且焊縫深、底部結構復雜，給超聲檢測帶來了很大的困難。若采用常規超聲檢測，則需要多個K值的探頭進行分區檢測，將導致檢測過程極為復雜。根據該工件的特征，通過相控陣斜探頭扇形掃查，實現了對該焊縫的中部以及下部進行檢測；通過相控陣直探頭二次波檢測，實現了對該焊縫上部的檢測。扇形掃查聲場覆蓋范圍如圖3所示。

圖2 楔塊設計尺寸

圖3 扇形掃查聲場覆蓋范圍

2.1 扇形掃查角度的確定

對于斜探頭檢測，若偏轉角度過大，則出現柵瓣效應的幾率會增加【5】；而偏轉角過小，若小于第一臨界角，則會出現縱波，影響缺陷的定位【6】。因此，選取30°～65°的扇形掃查角度較為適宜。

對于直探頭檢測，探頭聲束可以覆蓋凹槽底部，超聲波可以覆蓋整個焊縫，如圖3(b)所示。因此，選取0°～30°的扇形掃查角度較為適宜。

2.2 探頭掃查移動距離

設計的楔塊長度為11 mm，檢測區域的空間約為20 mm，該探頭仍然有一定的空間可以移動。

2.3 一次波/二次波檢測

對于斜探頭檢測，由于該探頭移動范圍小，盡量采用一次波檢測。若強行進行二次波掃查，則需要將扇形掃查角度減小到第一臨界角內，而這樣就會出現縱波，所以無法進行二次波掃查。因此，需要從焊縫的兩側分別進行掃查，才能使聲束覆蓋焊縫的中部以及下部。

對于直探頭檢測，為了使聲束覆蓋斜探頭無法檢測到的焊縫上部，應采用二次波檢測。需要注意的是，底部存在凹陷結構，二次波掃查會出現復雜的結構回波，因此應注意區分幾何回波和缺陷信號。

3 聲場仿真

3.1 斜探頭聲場仿真

根據上述相控陣參數仿真得到的扇形掃查圖像如圖4～圖6所示。為了觀察扇形掃查在各個角度的聲場情況，從扇掃中分別提取了在30°、45°和60°時的聲束圖。從圖中可以看出，該相控陣參數較好地滿足了該工件的檢測要求。

圖4 斜探頭扇形掃查30°聲束

圖5 斜探頭扇形掃查45°聲束

圖6 斜探頭扇形掃查60°聲束

3.2 直探頭聲場仿真

圖7所示為直探頭的聲場仿真。從圖7中可以看出，二次波的聲場可以覆蓋焊縫檢測區域。檢測時，需要探頭從兩側分別進行扇形掃查。

圖7 直探頭聲場仿真

根據理論分析以及聲場仿真，最終確定了探頭的設計參數(見表1)。

表1 相控陣探頭的參數

4 缺陷響應

4.1 斜探頭檢測缺陷響應

為驗證設計的相控陣探頭的可行性以及確定檢測工藝，設計了流量計焊接試塊。試塊中含3個缺陷：坡口未熔合5 mm×5 mm(長×寬)、根部未焊透5 mm×5 mm(長×寬)、凹槽根部裂紋7 mm×5 mm(長×寬)。圖8為流量計焊接試塊的3種常見缺陷的在焊縫中的位置分布。

圖8 缺陷在焊縫中的位置分布

圖9為扇掃缺陷響應。從圖9中可以看出：扇形掃查能發現上述3種缺陷信號。對于缺陷面垂直于聲束的缺陷回波信號很高，如圖9中的凹槽根部裂紋；坡口未熔合和根部未焊滿缺陷由于缺陷面的方向與聲束存在一定角度，導致回波信號較低，但也可以發現端點的衍射信號。

圖9 斜探頭扇掃缺陷響應

由于扇形掃查角度和探頭移動距離的限制，對于焊縫根部區域可能會存在一定的盲區，而該焊縫根部未焊滿是其常見的缺陷。因此，筆者提出了對該部位進行線掃檢測的建議。如圖10(a)所示，將聚集點設置在焊縫的根部，可大大提高根部區域的靈敏度。

4.2 直探頭檢測缺陷響應

為使聲束覆蓋焊縫的上部區域，采用上文中提出的直探頭進行缺陷響應仿真。在CIVA軟件中設計了φ3 mm氣孔缺陷，模擬了相控陣直探頭扇掃對該缺陷的檢測情況，如圖11所示。從圖11中可以發現，該探頭可以檢測到距上表面10 mm的φ3 mm氣孔。此外，底部凹槽由于端角反射導致回波信號較大，應注意與缺陷信號進行區分。

圖10 斜探頭線掃缺陷響應

圖11 直探頭扇掃缺陷響應

5 結論

1) 本文為一個針對特殊結構件的相控陣探頭的設計開發案例，從探頭頻率、陣元尺寸、楔塊設計、掃查方式、聲場仿真和缺陷響應等方面全面介紹了相控陣探頭的設計思路，對相控陣技術的推廣應用具有一定的借鑒作用；

2) 利用本文設計的相控陣探頭可以實現對流量計對接焊縫的檢測，其中斜探頭主要用于焊縫中部以及下部的缺陷檢測，直探頭主要用于焊縫上部的缺陷檢測；

3) CIVA軟件可以對任意工件進行建模和聲場仿真研究，為專用探頭開發、試塊設計以及檢測工藝的確定提供了一個較好的仿真平臺。