王維斌,馮展軍,艾慕陽(yáng),王 琨

(中石油管道研究中心,廊坊 065000)

石油儲(chǔ)罐容易發(fā)生腐蝕穿孔、裂紋擴(kuò)展甚至局部破裂等較為嚴(yán)重的損傷。為保證石油儲(chǔ)罐的安全正常運(yùn)行,定期開(kāi)展在役檢測(cè)是一項(xiàng)重要的工作。儲(chǔ)罐的檢測(cè)主要是針對(duì)底板和側(cè)壁的腐蝕及其他損傷,目前應(yīng)用較多的為超聲檢測(cè)方法。由于底板和側(cè)壁的二維尺度很大,具有典型的板狀結(jié)構(gòu),因此應(yīng)用超聲導(dǎo)波對(duì)儲(chǔ)罐損傷進(jìn)行檢測(cè)是較為合適的檢測(cè)方法,也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。

使用超聲導(dǎo)波對(duì)石油儲(chǔ)罐的底板或側(cè)壁進(jìn)行檢測(cè)的主要難點(diǎn)如下：檢測(cè)導(dǎo)波需要覆蓋板狀結(jié)構(gòu)中很長(zhǎng)的距離范圍,而且由于石油儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),導(dǎo)波在傳播過(guò)程中會(huì)遇到多道搭接焊縫或者對(duì)接焊縫,這些焊縫不僅會(huì)混淆缺陷的識(shí)別,同時(shí)也大大增加了超聲能量的衰減;由于石油儲(chǔ)罐的工作條件,在對(duì)側(cè)壁(底板)檢測(cè)時(shí),其界面一側(cè)是油,一側(cè)是空氣(固態(tài)地基),界面條件也會(huì)造成超聲導(dǎo)波能量的散失。

由上述分析可知,應(yīng)用超聲導(dǎo)波進(jìn)行石油儲(chǔ)罐的檢測(cè)時(shí),導(dǎo)波的衰減和畸變較為嚴(yán)重。因此除了選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)之外,還應(yīng)該提高導(dǎo)波的激勵(lì)能量和系統(tǒng)的接收靈敏度;另外,有效的檢測(cè)信號(hào)識(shí)別及處理方法也是必要的。

試驗(yàn)證明,在較大頻厚積條件下,板狀結(jié)構(gòu)中側(cè)壁激勵(lì)的縱波是一種比較有效的檢測(cè)方式[3]。筆者以此為基礎(chǔ),研究了采用相控陣方法[4]提高板中導(dǎo)波的激勵(lì)能量,利用數(shù)字聚焦技術(shù)提高系統(tǒng)的接收靈敏度,以及對(duì)被檢區(qū)域的圖像重建等問(wèn)題,以期能夠解決石油儲(chǔ)罐超聲導(dǎo)波檢測(cè)中存在的問(wèn)題。

1 探頭陣列的布置形式

由于石油儲(chǔ)罐所需的檢測(cè)范圍較大,為提高導(dǎo)波激勵(lì)的能量,可以選用多個(gè)超聲探頭構(gòu)成探頭陣列,按照相控陣的控制原理,以一定的時(shí)序激勵(lì)各個(gè)探頭,控制各探頭的合成波陣面,滿足聚焦或者偏轉(zhuǎn)等需求。

圖1 探頭陣列的布置方式

如圖1所示,根據(jù)不同的檢測(cè)范圍、被檢材料的衰減情況以及缺陷特征等參數(shù),將探頭陣列進(jìn)行分組,確定探頭的布置方式,每組的探頭數(shù)以及該組探頭的功能(發(fā)射、接收、或者自發(fā)自收等)。在不損失檢測(cè)靈敏度的前提下,實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)范圍的有效覆蓋,并兼顧檢測(cè)效率。圖1(a)為單個(gè)探頭即可覆蓋檢測(cè)范圍的情況,此時(shí)將探頭陣列均布,以提高檢測(cè)效率。圖1(b)為通過(guò)單側(cè)聚焦,探頭陣列能覆蓋檢測(cè)范圍的情況,此時(shí)將探頭布置在一側(cè),通過(guò)分段聚焦進(jìn)行檢測(cè)。圖1(c)為單側(cè)聚焦時(shí)僅能覆蓋一半檢測(cè)范圍的情況,此時(shí)需要兩組探頭配合,一組發(fā)射一組接收,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)全范圍的檢測(cè)。圖1(d)為當(dāng)前激勵(lì)條件只能覆蓋局部的情況。如果需要實(shí)現(xiàn)對(duì)未覆蓋區(qū)域的檢測(cè),需降低檢測(cè)分辨率和靈敏度才能實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)字聚焦及圖像重建

數(shù)字聚焦的原理可簡(jiǎn)單表述如下：如圖1(d)所示,將兩組探頭陣列按一定角度布置,兩者均能對(duì)被檢測(cè)區(qū)域形成有效的覆蓋,每一個(gè)探頭既可以作為發(fā)射器也可以作為接收器。兩組探頭陣列分別編號(hào)為1,2,兩者探頭數(shù)相同為m,并對(duì)其中的探頭按照位置編號(hào),依次為1,2,…,m。

根據(jù)目標(biāo)探測(cè)區(qū)域的范圍,超聲探頭的頻率以及聲波傳播速度,可以估算從發(fā)射陣元到距此最遠(yuǎn)的目標(biāo)點(diǎn)的傳播時(shí)間t1,以及由該點(diǎn)產(chǎn)生的散射波到達(dá)距該點(diǎn)距離最遠(yuǎn)的接收探頭所需要的時(shí)間t2,取兩者的和再增加一定的延遲時(shí)間,作為各探頭接收信號(hào)的采樣時(shí)間,采樣率根據(jù)要求的空間分辨率來(lái)定。

設(shè)k(k=1,2)組編號(hào)為i的探頭發(fā)射,l(l=1,2)組編號(hào)為j的探頭接收到的超聲波信號(hào)記為(t)。如果考慮全部組合,則可以獲得4×m×m組數(shù)據(jù)。

所謂數(shù)字聚焦是指按照相位關(guān)系,根據(jù)目標(biāo)聚焦點(diǎn)的不同,將采集完成的(t)按照不同的延時(shí)參數(shù)進(jìn)行疊加,以取得對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的聚焦接收效果。該方法是文獻(xiàn)[5]中提出的虛擬合成聚焦方法的一種推廣,可以大大增加缺陷信號(hào)幅度,從而有效地提高檢測(cè)靈敏度。

設(shè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的某一目標(biāo)聚焦點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y),則該點(diǎn)的與聲壓成正比的函數(shù)P(x,y)可以用下式表示：

式中——是對(duì)Uklij(t)離散采樣后的信號(hào);

——k組第i個(gè)發(fā)射探頭幾何特征和聲場(chǎng)特性修正項(xiàng);

——l組第j個(gè)接收探頭幾何特征和聲場(chǎng)特性修正項(xiàng);

——目標(biāo)聚焦點(diǎn)的幾何特征及聲場(chǎng)特征修正項(xiàng);

——k組第i個(gè)探頭發(fā)射信號(hào)的最大幅值;

具體應(yīng)用的每一修正項(xiàng),均要通過(guò)對(duì)檢測(cè)聲場(chǎng)的試驗(yàn)分析和研究,才能最終確定有效的修正函數(shù)。

按照式(1)即可獲得檢測(cè)區(qū)域內(nèi)任意目標(biāo)點(diǎn)的聲壓值,將各點(diǎn)的聲壓值按照對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值分布成圖像,即完成了基本的圖像重建。

3 圖像重建試驗(yàn)

為便于使用動(dòng)態(tài)光彈設(shè)備分析聲場(chǎng),使用K9光學(xué)玻璃作為檢測(cè)試件,尺寸為100 mm×100 mm×25 mm,正中開(kāi)有直徑為30mm的通孔。使用超聲陣列探頭,側(cè)壁耦合,探頭頻率為6.5 MH z,陣元寬度為2mm,陣元數(shù)為22。如圖2所示,圖中畫(huà)出了某陣元發(fā)射時(shí)聲波的傳播路徑。試驗(yàn)中分別在四個(gè)側(cè)面采集了發(fā)射/接收信號(hào)。

圖2 圖像重建試驗(yàn)樣品圖

圖3列出了四組從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取的波形圖,為發(fā)射探頭陣列某陣元發(fā)射,接收探頭陣列所有陣元接收的波形排列?？梢钥闯?波形圖的變化有一定的規(guī)律性,但由于直達(dá)波、邊角散射和界面波型轉(zhuǎn)換等干擾波形的存在,使得整個(gè)波形顯得十分復(fù)雜,不能明顯地分辨出圓孔的散射波。

圖4為利用式(1)對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行圖像重建的結(jié)果。其中中央圓孔的像比較清晰,但是也增加了很多不存在的偽像,這主要是由于直達(dá)波的影響,當(dāng)然式(1)中各修正項(xiàng)的合理選擇對(duì)成像的效果也有很大的影響。直達(dá)波的影響可以通過(guò)濾波手段去除,而各修正項(xiàng)的選擇則需要比較系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。

圖4 圖像重建的結(jié)果

4 結(jié)論

超聲導(dǎo)波檢測(cè)是石油儲(chǔ)罐在役檢測(cè)的主要手段,由于石油儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件的限制,超聲導(dǎo)波在儲(chǔ)罐檢測(cè)過(guò)程中的衰減尤為嚴(yán)重。探討了利用相控陣方法控制縱波探頭陣列提高超聲導(dǎo)波激勵(lì)能量的方法。針對(duì)實(shí)際中不同的可達(dá)檢測(cè)范圍,提出了可用的探頭陣列布置方式。為提高超聲信號(hào)的接收靈敏度,引入了數(shù)字聚焦方法,并給出了利用數(shù)字聚焦進(jìn)行圖像重建的基本公式。試驗(yàn)證明,利用該公式進(jìn)行圖像重建是可行的,能夠?qū)θ毕莸奈恢煤托蚊驳葏?shù)作出較為準(zhǔn)確的反演。但是應(yīng)用此方法進(jìn)行聲成像時(shí),在信號(hào)濾波,公式的簡(jiǎn)化和實(shí)用化方面還需要進(jìn)一步的工作。

[1]肖賢軍,劉麗川,劉子厚,等.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)儲(chǔ)罐底板缺陷[J].無(wú)損檢測(cè),2008,30(1)：6-8.

[2]徐彥廷,劉富君,王亞?wèn)|,等.大型立式儲(chǔ)罐綜合檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(8)：482-485.

[3]Greve D W,Zheng P,Oppenheim I J.Excitation of longitudinal and Lamb w aves in plates by edge-mounted transducers[C].Proc IEEE Ultrasonics Conference.New York,2007.

[4]Zhu W,Rose R L.Lamb w ave generation and reception with time delay periodic linear arrays：a BEM simulation and experimental study[J].IEEE Trans Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,1999(46)：654-664.

[5]Yang Y,Chen Y,Fu De.A new method of phased-array ultrasonic used in NDT[J].Sensor W orld,2003(5)：5-8.