PWI技術在小徑管焊縫檢測中的應用

鄭晨

摘 要：平面波成像（PWI）技術早期應用于醫學超聲中的快速成像，近年來，在工業檢測領域陸續有設備開始支持這一成像方法。小徑管焊縫在火電或核電及特種設備檢測等領域中一般采用射線的檢測方案，由于相控陣超聲檢測技術的發展，相控陣超聲技術在小徑管焊縫檢測中的應用日益廣泛。本文將針對常見的小徑管焊縫缺陷開展PWI成像研究，并和相控陣超聲成像方法相比較，驗證PWI技術用于小徑管焊縫檢測的技術可行性和技術特點。

關鍵詞：平面波成像、全聚焦、小徑管

1、引言

平面波成像技術是一種快速超聲成像方式，在使用時，探頭的所有陣元同時激發，僅通過一次發射和一次接收就能夠采集一幅完整的圖像，和傳統的超聲成像方式相比，在成像幀頻上有大幅提升。基于平面波相干復合成像技術，通過將平面波數據采集和全聚焦技術結合使用，實現聚焦成像的效果，該種成像方法早期應用于醫學成像中，相較于傳統的掃描方式，成像效率實現大幅提升。平面波成像技術需要進行大量聲束合成計算，近年來，隨著電子技術的快速發展，GPU并行處理能力日益強大，硬件系統架構不斷優化，開始有工業級超聲儀支持平面波成像功能。

小徑管焊縫傳統上采用射線的檢測方案，但是受到輻射安全及檢修工期的限制，在現場應用的限制條件較多。隨著相控陣超聲檢測技術的崛起，該技術在火電或核電及特種設備檢測等領域得到廣泛應用。PWI作為一種新引入工業領域的超聲成像方法，在成像分辨率、近表面盲區、探頭位置相對反射體方向敏感度等方面相比傳統的相控陣超聲扇掃都有很大的提升。相比于常用的FMC-PWI全聚焦方法，在激發能量、成像效率等方面優勢明顯，現場應用時的人力資源投入也明顯低于射線檢測。

2、平面波成像的基本原理。

PWI成像時，假設探頭的陣元數量為Q，則其一次激發Q個角度的Q個平面波信號，并且利用探頭的所有陣元來接收工件中返回的超聲信號，進而得到一個QxN的矩陣。利用矩陣中的數據，利用延遲疊加原理合成聚焦信號后，對成像區域進行虛擬模擬聚焦，基于合成的幅值信息進行圖像表征。將成像區域劃分為網格即成像點，為每個成像點計算延遲法則，實現每個成像點的清晰成像，實現整個成像區域的全聚焦成像。

平面波成像有多種成像模態[1]，包括直射、端角、非直射以及自定義模態，每種模態的每一段聲波傳輸路徑都可以設置波形，也就是在聲束傳播過程中的入射和返回或者前向、反射和背向以及向前、前向反射、背向反射以及背向等傳播路徑中設置傳輸時的波形。

平面波成像時除了要選擇適合的探頭、楔塊和檢測角度范圍，還需要根據檢測工件的規格以及缺陷的常見位置選擇合適的成像模態以及成像的區域和步進[2]。結合檢測對象的規格選擇合適的試塊，試塊在深度方向上橫通孔的間距為5mm。將檢測使用的編碼器移動300mm進行編碼器校準，保證設備中顯示的位移數值和實際移動位移數值之間的誤差小于移動長度數值的1%。將掃查步進設置為0.1mm進行波幅可信度測試。測試時需確保使用所有成像模態，且成像區域的成像點都完成橫通孔成像，相鄰兩個成像點之間的波幅變化不應超過2dB。

3、基于PWI技術的小徑管檢測

使用頻率為7.5MHz，陣元數量N=6，陣元間距P=0.5mm，陣元長度為W=10mm的自聚焦線陣探頭搭配60°折射角橫波楔塊實施檢測材質為碳鋼的小徑管焊縫。探頭移動方向和焊縫長度方向平行，檢測采用不同模態的基于PWI技術的扇形掃描。成像點間的最小距離應保證不大于1%工件厚度方向的要求。掃描時保證每25mm的數據丟失量小于2根數據線，且無效數據線沒有相連。使用同一顯示信號在不同位置或不同成像模態中TFM成像顯示的最高回波幅度作為該顯示信號的幅值。

檢測時采用PWI的直射模態結合40°-70°扇形掃描，成像區域步進0.1mm，從結果可見，未焊透缺陷被順利檢出，且成像清晰，易于識別和判定。

從圖2和圖3可見，其他參數不變，采用端角模態或者非直射模態，未焊透缺陷能被順利檢出，缺陷位置定位準確，但是成像分辨率不如采用直射模態時的成像效果。

檢測對象為靠近探頭側的一處焊縫內部裂紋，從圖4可見，采用直射模態采用橫波直射的方法，缺陷被順利檢出，缺陷定位準確，成像分辨率高。

使用端角模態，其他參數保持不變，可見缺陷位置處有信號顯示，但是位置略有偏差，但是同時在焊縫對側的相同區域也有信號顯示，但是該位置實現并未設計缺陷。

使用非直射模態，其他參數保持不變時，在缺陷處有信號顯示，但是同時在附近有多處其他信號顯示，但是這些區域均未設計缺陷，且成像區域整體信噪比較差，不利于缺陷的判別。

從圖7可見，對于探頭本側的未熔合信號，通過直射模態的PWI成像可以精確定位，信號圖像分辨力高。

從圖8和圖9可見，在其他參數不變，將成像模態從直射調整為端角或非直射時，探頭本側未熔合無法檢出，同時在焊縫根部產生非相關顯示信號。

從檢測結果可見，使用直射模態，探頭對側的未熔合無法被準確檢出，且因為工件結構和成像原理的關系，在焊縫對側的熱影響區產生非相關顯示。

根據圖11結果，探頭對側的未熔合被順利檢出，盡管成像中仍有部分非相關顯示，但是缺陷信號信噪比高易識別。

其他參數不變，改用非直射模態，缺陷無法檢出，且由于工件結構和成像原理的原因在探頭對側焊縫根部的熱影響區產生非相關顯示。

使用直射模態時，近表面裂紋無法順利檢出，由于工件結構和成像原理的原因在探頭對側焊縫根部熱影響區產生非相關顯示信號。

其他參數不變，改用端角模態，近表面裂紋區域依然無任何信號顯示，且由于端角PWI成像的特點在探頭對側焊縫表面產生非相關顯示信號。

改用非自射模態，保持其他參數不變，近表面裂紋順利檢出，且整個成像區域無其他非相關顯示信號干擾。

使用直射模態檢測焊縫中的氣孔，氣孔被順利檢出，但是由于成像原理的原因，缺陷信號連著偽像信號，影響缺陷的定位，且在信號包絡化處理后，信噪比有一定的下降。

改用端角模態，從上圖可見，缺陷可以被順利檢出，但是成像信噪比差，缺陷無法準確定位、定性。

使用非直射模態，經分析確認產生的信號為非相關顯示信號，氣孔并未被順利檢出。

總結

通過對小徑管焊縫常見缺陷進行PWI-TFM成像，并對不同模態的成像結果進行對比分析后可以得出一下結論：

?PWI技術可以用于小徑管焊縫的檢測;

?常見的面積型和體積型缺陷可以通過PWI技術順利檢出;

?僅使用單一模態容易造成缺陷的漏檢，PWI技術使用時需要同時使用多種模態。

?PWI技術可以作為單一的成像方法用于小徑管焊縫檢測，但因為每種技術都有其自身的特點，因此并不構成對現有檢測方案的替代。

參考文獻

[1]ASME BPVC V（S），ASME鍋爐和壓力容器規范第V部分

[2]ISO 23864（S），焊縫無損檢測-超聲波檢測-自動全聚焦技術（TFM）及相關技術的使用