基于相控超聲的罐底缺陷檢測仿真實驗方法

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(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院， 北京 102200)

儲罐是石油行業的油氣儲運設備和化工行業的通用設備，用量非常大。儲罐達到服役年限后繼續使用，容易受到損傷而泄漏。由于泄漏的介質大多易燃、易爆、有毒、有害，成為裝置生產的巨大安全性隱患[1]。儲罐泄漏多為腐蝕引發，腐蝕發生在儲罐底板的概率高達80%，是導致儲罐失效的主要原因[2]。

目前石油儲罐缺陷的無損檢測方法主要有超聲波檢測、漏磁檢測、磁粉檢測及聲發射檢測等[3-7]。其中超聲波檢測與其它檢測方法相比具有方向性好、能量高及穿透力強等特點。相控超聲檢測方法是超聲波檢測方法的一種，具有深度缺陷檢測能力強、缺陷識別準確、檢測速度快以及對焊縫等對象的檢測精度高等優點，并且此檢測方法對人體沒有輻射，不會對人體和周圍環境造成影響，特別適合儲罐底板缺陷的檢測[8-11]。

針對儲罐底板缺陷的檢測，擬以相控超聲檢測原理為基礎，建立有限元計算模型，結合計算機技術進行儲罐底板缺陷檢測軟件的設計。借助MATLAB-FILED II軟件結合C#語言進行混合編程，形成便于操作的人機交互界面，為檢測人員提供檢測參數選擇優化和模擬檢測的測試平臺。

1 儲罐相控超聲檢測軟件架構及功能設定

1.1 檢測技術原理

石油儲罐罐底缺陷檢測軟件的設計以相控檢測原理為基礎。相控超聲檢測原理示圖見圖1。

圖1 相控超聲檢測原理示圖

相控超聲檢測系統工作時，信號發射系統產生波形脈沖信號，發射延時系統根據聚焦法則對接收到的激勵信號進行延時處理，實現聲束的偏轉和聚焦。聲束在遇到缺陷時被反射回來，反射波被壓電晶片接收，接收延時系統根據聚焦法則對接收信號進行延時處理，使缺陷信號時間對應并進行信號疊加放大，反饋給信號接收系統[12]。再經成像系統進行信號的濾波、包絡檢波、圖像壓縮和時間增益等處理，就可以形成直觀的缺陷成像信息[13-16]。

1.2 軟件系統架構

基于相控超聲方法的石油儲罐罐底缺陷檢測軟件的系統架構見圖2。

圖2 相控超聲仿真實驗軟件架構示圖

根據相控超聲檢測原理，相控超聲檢測系統分為換能器設置、缺陷設置和成像設置3大部分。針對石油儲罐罐底缺陷特征，換能器設置部分下設參數設置操作界面和分析顯示界面，缺陷設置部分下設缺陷自定義和缺陷信息導入操作界面，成像設置部分下設回波數據分析、缺陷成像顯示和聲波傳播動態界面。

1.3 軟件功能設定

按照系統的架構設計仿真實驗軟件功能，包括：①換能器設計功能。進行換能器參數的設置，包括換能器頻率、陣元數、陣元寬度、陣元高度、陣元間距、聚焦深度、偏轉角度和聲速等，通過可視化界面可查看所設置參數下的換能器指向性和輻射聲場的仿真情況。②缺陷設置功能。進行缺陷的自定義設置，包括缺陷的形狀、大小以及中心坐標位置，系統自帶了幾種常見缺陷，如焊縫、夾渣、裂紋等缺陷。③成像設置功能。具有回波數據查看和數據處理成像功能，可以選擇多種信號處理方式，可以進行單點聚焦、多點聚焦、動態聚焦[17]及動態孔徑[18]等成像，可生成聲波在試件中傳播過程的動態圖像[19]。④數據保存與導出。用于把回波數據和缺陷成像等信息保存在本地計算機上。

2 儲罐相控超聲檢測軟件界面設計與功能實現

根據系統架構和功能，運用C#語言和MATLAB進行混合編程制作軟件，得到的儲罐相控超聲仿真實驗軟件主頁面見圖3。

圖3 儲罐相控超聲仿真實驗軟件主頁面

2.1 換能器設置

2.1.1聲場輻射模型

儲罐相控超聲檢測軟件通過換能器設置部分為使用者提供不同參數下的輻射聲場指向性分析情況[20]和聲壓分布情況[21]。換能器設置部分的程序計算基于聲場輻射理論設計，建立的聲場輻射模型見圖4。

圖4 聲場輻射模型示意圖

2.1.2計算公式設置

根據惠更斯原理,輻射聲壓P(r,θ,t)計算公式如下。

(1)

指向性函數計算。按照指向性函數定義,為遠場中任意方向θ上的聲壓與聚焦法則所定義的主聲束偏轉方向θ1上的聲壓之比，計算公式如下。

(2)

2.1.3檢測軟件操作

在儲罐相控超聲仿真軟件的換能器設置界面輸入換能器參數，換能器頻率f=5 MHz，陣元數N=16，陣元高度h=5 mm，陣元寬度a=0.6 mm，陣元間距d=0.12 mm，聲速c=5 900 m/s，偏轉角度θ=30°，進行極坐標指向性分析，得到的極坐標指向性分析界面見圖5。

選擇聚焦深度F=40 mm進行聲壓場分析，得到的聲壓場分析界面見圖6。

圖5 極坐標指向性分析界面圖

圖6 聲壓場分析界面圖

2.2 缺陷設置

在儲罐相控超聲仿真軟件的缺陷設置頁面中進行缺陷的自定義設置，可選擇常用的缺陷類型并定義缺陷中心坐標來確定缺陷的位置，也可以導入系統中默認設定的特別類型缺陷，如夾渣、焊縫和裂紋等缺陷。

在缺陷設置界面中點擊缺陷類型選擇按鈕，即可打開缺陷類型選擇界面，可根據具體情況選擇點缺陷、圓形缺陷、矩形缺陷、三角形缺陷及五角星缺陷等。

在缺陷類型選擇界面，點擊缺陷選項即可打開相應的缺陷定義界面。以圓形缺陷為例，在打開的定義界面，輸入直徑即可完成缺陷定義。

2.3 成像設置

在成像設置界面可以選擇多種聚焦成像方式，有單點聚焦、多點聚焦、動態聚焦、動態孔徑以及動態聚焦+動態孔徑等，在顯示方式選擇中可以選擇A掃、B掃、S掃3種掃查顯示方式。

根據實際需要，在處理方式選擇界面點擊具體的處理方式，即可打開相應的處理方式設置界面。以動態聚焦為例，在打開的界面中輸入接收聚焦點起點深度、接收聚焦點終點深度和接收聚焦點間隔數值，即可完成設置。

點擊運行后，缺陷成像會在右端顯示窗口進行成像顯示。除此之外，成像設置界面還可以進行回波信號查看和傳播過程查看，傳播過程動畫由MATLAB與COMSOL聯合仿真生成。

3 儲罐相控超聲檢測軟件仿真成像實驗驗證

3.1 實驗模型

為了驗證仿真實驗軟件的正確性和適用性，進行模擬仿真實驗驗證，實驗示意圖見圖7。

圖7共有3個缺陷，相應的缺陷設置為，缺陷1為圓形缺陷，直徑為1 mm，中心坐標為(0，40)；缺陷2為五角星缺陷，邊長為0.5 mm，中心坐標為(0，50)；缺陷3為矩形缺陷，長為2 mm，寬為1 mm。

3.2 軟件設置

應用仿真實驗軟件進行實驗設置，換能器設置為，換能器頻率f=5 MHz，陣元數N=128，陣元高

圖7 實驗模型示意圖

度h=5 mm，陣元寬度a=0.6 mm，陣元間距d=0.12 mm，聲速c=5 900 m/s，聚焦深度F=50 mm。成像設置為，處理方式選擇為多點聚焦和動態聚焦，多點聚焦焦點為(0，40)和(0，50)，動態聚焦掃描深度30～70 mm，內間隔2 mm設置1個聚焦接收點，顯示方式為S掃，2種方式均采用加窗處理，進行成像仿真分析。

3.3 實驗結果

多點聚焦成像界面見圖8。在多點聚焦仿真實驗中，焦點位置為(0，40)和(0，50)，缺陷1在焦點(0，40)上，所以缺陷1的成像分辨率較(0，60)處的缺陷3有所提高。缺陷2的實際坐標為(8，50)，并不在焦點上，但是由于系統的參數化較為合理，橫向分辨率較好，所以缺陷2的成像分辨率也要比缺陷3好很多。

圖8 多點聚焦成像界面圖

動態聚焦成像界面見圖9。與多點聚焦相比，經過動態聚焦后，3個缺陷的成像更加明顯，空間分辨率極大提高，側面證明了動態聚焦技術的成像優越性。通過2組聚焦成像方式的模擬仿真實驗，得到了較好的實驗成像結果，驗證了此仿真實驗軟件和仿真實驗方法的合理性。

圖9 動態聚焦成像界面圖

4 結語

相控超聲仿真實驗方法是借助于FIELD II有限元軟件進行換能器的優化設計，通過設定不同換能器參數建立了輻射聲場模型，分析不同參數對聲場、聲束和聚焦特性的影響，確定適用于儲罐底板檢測的換能器參數。設定不同的底板缺陷類型進行仿真缺陷成像，從仿真實驗結果來看，證實了動態聚焦方式的優越性和軟件良好的仿真成像效果。相控超聲仿真實驗方法可為檢測工作人員的現場實際操作提供模擬仿真的測試平臺。