肖 琨 王 強(qiáng) 胡 棟 劉富君

（中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院1） 杭州 310018） （浙江省特種設(shè)備檢驗研究院2） 杭州 310018）

0 引 言

相控超聲檢測一般使用剛性探頭，這種探頭在制作和定位上相對較為容易，但對于彎頭、噴頭及管道等表面不平整的工件，只能使用楔塊進(jìn)行匹配.如果工件表面較為復(fù)雜，檢測時往往需要很多的楔塊匹配工件的不同部位，這種方法浪費(fèi)了人力物力，增加了檢測成本［1－5］.在剛性探頭基礎(chǔ)上發(fā)展起來的柔性探頭則可以很好的與曲面工件匹配，從而提高缺陷的檢出率.

目前，國外在柔性探頭的研究上已經(jīng)取得了一些成果.加拿大國家研究委員會（NRC）和麥吉爾大學(xué)在研究可應(yīng)用在300℃高溫環(huán)境下的柔性探頭［6］.英國帝國理工學(xué)院開發(fā)了一種內(nèi)部封裝了液體的彈性膜結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，目前已近取得了很好的效果［7］.法國IMASONIC 公司已經(jīng)生產(chǎn)出了商業(yè)化的柔性探頭.法國M2M 公司則推出了可以使用柔性探頭進(jìn)行探傷的超聲檢測儀.法國原子能委員會（CEA）開發(fā)出了CIVA 無損檢測仿真軟件，該軟件集成了數(shù)據(jù)處理、成像及模擬工具，可以直接、方便地將實(shí)驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行對比［8－10］.法國原子能委員會在最優(yōu)超聲波陣列設(shè)計技術(shù)上也取得了很大的突破［11］.

厚壁管道等曲面形工件在核電等工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但目前該類型工件內(nèi)部缺陷的無損檢測，仍然是一個全球性的難題.本文基于CIVA 無損檢測仿真軟件，設(shè)計了24 陣元的1D柔性探頭，并對探頭的中心頻率、陣元中心距及陣元寬度等關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在CIVA無損檢測仿真軟件上，分別采用柔性探頭和剛性探頭對厚達(dá)72.3mm 的厚壁不銹鋼管道的裂紋、分層及夾雜3種內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲波無損檢測，定性及定量的比較了2種探頭檢測結(jié)果的區(qū)別.

1 超聲柔性探頭原理

超聲柔性探頭工作原理見圖1.柔性探頭與剛性探頭最主要的區(qū)別是柔性探頭的各陣元可以相對滑動，陣列中各陣元保持相對獨(dú)立，可視為一個個獨(dú)立的小孔徑探頭［12］.柔性探頭在檢測中可以良好匹配被檢工件表面，從而提高檢測精度，提升其對不銹鋼厚壁管道內(nèi)部缺陷的檢測能力.

圖1 超聲柔性探頭工作原理圖

2 超聲柔性探頭成像模型

假設(shè)柔性探頭的陣元位置已知（實(shí)際檢測中可以使用輪廓儀獲得），根據(jù)回波信號以及延時求和規(guī)則就可以建立聚焦圖像.其成像模型見圖2.聚焦點(diǎn)f（x，z）的幅值可表示為［13］

式中：x，z為聚焦點(diǎn)坐標(biāo)；m，n分別為發(fā)射及接受超聲波波束的陣元索引號；e（t，um，vm）為回波數(shù)據(jù)；t為超聲波在工件中的傳播時間；um＝mΔu，un＝nΔu分別為發(fā)射及接受超聲波波束的陣元與探頭起點(diǎn)的距離；Δu為相鄰2個陣元的中心距；c為超聲波在工件中的傳播速度；rm，rn為聚焦點(diǎn)（x，z）與發(fā)射及接收超聲波波束陣元（Xm，Zm）和（Xn，Zn）的距離

其中：Xm＝X（um）和Zm＝Z（um）分別為發(fā)射及接受超聲波波束陣元的坐標(biāo).

圖2 超聲柔性探頭成像模型圖

由于不銹鋼材料內(nèi)部粗晶顆粒產(chǎn)生的弱散射、缺陷產(chǎn)生的中等強(qiáng)度散射和底面產(chǎn)生的強(qiáng)散射三者的共同作用，f（x，z）存在一個很大的動態(tài)變化范圍，因此有必要調(diào)整聚焦圖像的幅值范圍.可行的方法有：（1）參考幅值最高的信號、標(biāo)準(zhǔn)試塊的校準(zhǔn)信號或底面反射信號，將回波信號幅值建立在對數(shù)坐標(biāo)系；（2）去掉一些幅值低于下限門檻值的信號.具體公式表示為

式中：fref為對數(shù)坐標(biāo)系的參考幅值；imin＝20dB為下限門檻值.

3 工件及探頭設(shè)置

本文仿真的厚壁管道外徑932mm、壁厚72.3 mm［14］，材料為不銹鋼，結(jié)構(gòu)均勻，材料密度7.8 g／cm3，縱波聲速5900m／s，橫波聲速3230m／s.

由于裂縫、分層和夾雜是管道中常見的缺陷形式，本文在管道內(nèi)部設(shè)置有3處缺陷.缺陷從左至右分別為10mm×2mm、傾斜10°的橫向裂紋，5mm×5mm 的分層缺陷和直徑4 mm、內(nèi)部為鋁的夾雜缺陷，缺陷詳細(xì)位置及尺寸見圖3.

圖3 工件及缺陷示意圖

4 缺陷響應(yīng)

本文設(shè)計的超聲柔性探頭模擬法國IMASONIC公司推出的TCI2－1.4x17 型1D柔性探頭.該探頭陣元數(shù)24，中心頻率2 MHz，陣元節(jié)距1.4mm，陣元寬度17mm.本文設(shè)計的剛性探頭參數(shù)與柔性探頭相同，楔塊折射角為55°.檢測中采用機(jī)械掃查的方式，探頭沿工件表面從左向右掃查100mm，步進(jìn)1 mm，柔性探頭和剛性探頭的聚焦起點(diǎn)如圖3所示；在CIVA 軟件中剛性探頭使用的楔塊與工件的匹配可以使用Matched Connector的選項，使用這個選項之后，CIVA 會認(rèn)為楔塊與工件良好匹配.

本次仿真使用的聚焦方法為單點(diǎn)聚焦，柔性探頭和剛性探頭的2D 效果圖見圖4.

圖4 柔性探頭與剛性探頭單點(diǎn)聚焦效果圖

從圖4可看出，柔性探頭的聚焦效果遠(yuǎn)好于剛性探頭.柔性探頭幾乎將能量全部集中到一個點(diǎn)上，而剛性探頭由于楔塊和工件表面微小縫隙的影響，很多的波束沒有匯聚到期望的聚焦點(diǎn)上.

經(jīng)過CIVA 仿真得到的A 掃描圖像見圖5.

圖5 超聲A 掃描圖像

從圖5可看出，對于橫向裂紋，柔性探頭可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應(yīng)，而剛性探頭只能在缺陷的邊緣處獲得缺陷響應(yīng).柔性探頭缺陷響應(yīng)的中心位置為23mm，與預(yù)期25mm 相近；剛性探頭分別在6mm 和19mm 獲得了2處缺陷響應(yīng)，與預(yù)期結(jié)果10，19mm 同樣比較相近.

對于分層缺陷，柔性探頭同樣可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應(yīng)，而剛性探頭只能在缺陷的邊緣處獲得缺陷響應(yīng).柔性探頭缺陷響應(yīng)的中心位置為50mm，與預(yù)期50mm 一致；剛性探頭缺陷響應(yīng)的位置為37～47mm，與預(yù)期結(jié)果37.5 mm、42.5mm 相近.

對于4mm 夾雜缺陷，柔性探頭缺陷響應(yīng)的位置為78mm，與預(yù)期75mm 相近，缺陷波的幅值大約為－13dB 可以很容易的識別出來；而剛性探頭幾乎不能檢測到直徑4mm 的夾雜缺陷.

根據(jù)圖5所示，柔性探頭和剛性探頭相比，至少有2個優(yōu)勢：（1）可以在整個缺陷位置處獲得缺陷響應(yīng)信號；（2）可以較清晰的顯示夾雜缺陷.

經(jīng)過CIVA 仿真得到的B 掃描圖像和缺陷在工件中顯示的圖像見圖6～7.

圖6 超聲B掃描

圖7 缺陷響應(yīng)在工件中顯示

CIVA 軟件自動去掉了一部分沒有缺陷響應(yīng)的圖像，因此圖6顯示的缺陷信號靠近B 掃描圖像上部，缺陷的真實(shí)深度可以在圖7中獲得.從圖6～7 可知，柔性探頭不僅可以精確對缺陷定位（位置和深度），還可對缺陷進(jìn)行定量（缺陷長度）及定性（缺陷類型）的表征，便于檢測人員識別裂紋缺陷的長度甚至角度、分層缺陷的長度及夾雜缺陷的直徑等信息.而剛性探頭只能提供工件中存在缺陷的信息，難以獲得其他信息，且剛性探頭較難檢測到4mm 的夾雜缺陷.

5 結(jié) 論

1）超聲柔性探頭可以在整個缺陷位置處獲得有用信息，而剛性探頭只能在缺陷邊緣獲得有用信息.

2）超聲柔性探頭檢測直徑4 mm 夾雜缺陷的性能優(yōu)于剛性探頭.

3）超聲柔性探頭在厚壁管道等曲面形工件的10mm×2 mm、傾斜的橫向裂紋，5 mm×5 mm 的分層和直徑4mm、內(nèi)部為鋁的夾雜缺陷的定位、定量及定性綜合性能優(yōu)于剛性探頭.

［1］張益成，丁 輝，張俊汪，等.相控陣超聲檢測計算模型的建立［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，42（4）：525－527，531.

［2］CASULA O，POIDEVIN C，CATTIAUX G，et al.Control of complex components with Smart Flexible Phased Arrays［J］.Ultrasonics，2006，44（S）：647－651.

［3］KOBAYASHI M，JEN C，LEVESQUE D.Flexible ultrasonic transducers［J］.IEEE Transactions On Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，And Frequency Control，2006，53（8）：1478－1486.

［4］ROY O，MAHAUT S，CASULA O.Control of the ultrasonic beam transmitted through an irregular profile using a smart flexible transducer modelling and application［J］.Ultrasonics，2002，40（8）：243－246.

［5］CHATILLON S，CATTIAUX G，SERRE M，et al.Ultrasonic non－destructive testing of pieces of complex geometry with a flexible phased array transducer［J］.Ultrasonics，2000，38（8）：131－134.

［6］KOBAYASHI M，JEN C，BUSSIERE J，et al.Hightemperature integrated and flexible ultrasonic transducers for nondestructive testing［J］.NDT ＆ E International，2009，42（2）：157－161.

［7］LONG R，CAWLEY P.Phased array inspection of irregular surfaces［C］∥Thompson D O，Chimenti D E.2007 American Institute of Physics，Review of progress in quantitative nondestructive evaluation，2007（26）：814－820.

［8］CALMON P，MAHAUT S，CHATILLON S，et al.CIVA：An expertise platform for simulation and processing NDT data［J］.Ultrasonics，2006，44（S）：975－979.

［9］丁 輝.計算超聲學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［10］DARMON M，CALMON P，BERTRAND B.An integrated model to simulate the scattering of ultrasounds by inclusions in steels［J］.Ultrasonics，2004，42（1－9）：237－241.

［11］PUEL B，LESSELIER D，CHATILLON S，et al.Optimization of ultrasonic arrays design and setting using a differential evolution［J］.NDT ＆ E International，2011，44（8）：797－803.

［12］施克仁，郭寓岷.相控陣超聲波成像檢測［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［13］HUNTER A J，DRINKWATER B W，WILCOX P D.Autofocusing ultrasonic imagery for non－destructive testing and evaluation of specimens with complicated geometries［J］.NDT ＆ E International，2010，43（2）：78－85.

［14］陳學(xué)德，陳曉舟，崔赪昕.秦山核電二期工程冷卻劑系統(tǒng)管件應(yīng)力分析［J］.核動力工程，2003，24（S）：91－95.