李夕強(qiáng)，史亞琨，張 俊，李曉紅，馬君鵬

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2.武漢大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)中心，武漢 430072)

管道不規(guī)則接頭的超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別方法

李夕強(qiáng)1，史亞琨2，張 俊2，李曉紅2，馬君鵬1

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2.武漢大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)中心，武漢 430072)

針對(duì)電站管道不規(guī)則接頭的超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)處理效率低、信號(hào)源位置識(shí)別困難等問(wèn)題，建立了超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別算法，設(shè)計(jì)制作了帶有人工缺陷的模擬試件，并利用該試件對(duì)識(shí)別算法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：提出的超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別算法能夠提高信號(hào)的初判效率，直觀顯示信號(hào)沿掃查方向的分布情況，有效區(qū)分結(jié)構(gòu)干擾信號(hào)及同一缺陷的多個(gè)顯示，為管道不規(guī)則接頭超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)提供了技術(shù)支持。

管道不規(guī)則接頭；超聲相控陣；自動(dòng)檢測(cè)；信號(hào)識(shí)別

火電站高溫高壓蒸汽管道系統(tǒng)中含有大量三通、彎頭、閥門及封頭等鍛造加工的管件，以及直管焊接或彼此相互焊接形成的一類不規(guī)則的管道對(duì)接接頭。管道對(duì)接接頭外在特征明顯，接頭母材雙側(cè)或單側(cè)靠近焊縫處有斜臺(tái)，常常在內(nèi)壁也有斜臺(tái)。由于這些斜臺(tái)的幾何尺寸隨母材管徑和壁厚的不同而發(fā)生變化，因此對(duì)不規(guī)則接頭的斜探頭超聲檢測(cè)沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。斜臺(tái)會(huì)使檢測(cè)聲束的有效覆蓋面積減小、盲區(qū)增大，嚴(yán)重降低了超聲檢測(cè)的可靠性，而已成熟應(yīng)用的超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)[1-2]，在對(duì)不規(guī)則接頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也會(huì)因斜臺(tái)的干擾受到限制。

筆者在文獻(xiàn)[3]中分析了超聲相控陣檢測(cè)不規(guī)則接頭的可行性，建立了相控陣聲束在管道不規(guī)則接頭中傳播的聲線模型，探討了內(nèi)外斜臺(tái)對(duì)檢測(cè)工藝的影響。超聲相控陣檢測(cè)雖然能解決管道不規(guī)則接頭超聲檢測(cè)區(qū)域聲束覆蓋面積小的問(wèn)題，但還存在由于接頭臺(tái)階處反射面增多、波型轉(zhuǎn)換復(fù)雜、管件壁厚有較大尺寸偏差而使信號(hào)識(shí)別困難的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有研究[4-6]只有針對(duì)管道接頭的超聲相控陣檢測(cè)信號(hào)分析，同時(shí)，市面上各相控陣儀器商業(yè)軟件也沒(méi)有針對(duì)帶臺(tái)階的管件接頭的超聲相控陣檢測(cè)信號(hào)分析模塊，無(wú)法將其應(yīng)用于管道不規(guī)則接頭超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)中。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)了超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)采集模塊，設(shè)計(jì)了超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別算法，該算法可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)構(gòu)建的側(cè)視圖和扇掃圖進(jìn)行圖像處理，自動(dòng)獲得任一信號(hào)的位置信息；在得出的壁厚輪廓中，引用聲線路徑算法追蹤已知周向位置信號(hào)的來(lái)源。對(duì)模擬檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理表明，該算法處理效率高，能夠有效區(qū)分結(jié)構(gòu)干擾信號(hào)及同一缺陷的多個(gè)顯示，具有很好的應(yīng)用前景。

1 超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別算法

該識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)的流程如圖1所示。

圖1 識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)流程圖

1.1閾值篩選

由采集模塊導(dǎo)入的數(shù)據(jù)量很大，如果逐個(gè)對(duì)信號(hào)進(jìn)行評(píng)判十分耗費(fèi)時(shí)間，數(shù)據(jù)中超過(guò)檢測(cè)閾值的信號(hào)才是檢測(cè)人員關(guān)注的重點(diǎn)，因此利用基于距離-波幅曲線(DAC)的檢測(cè)閾值對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行篩選，將采樣點(diǎn)幅值與DAC曲線進(jìn)行比較，保留超過(guò)DAC曲線的檢測(cè)信號(hào)。

1.2周向信息提取

對(duì)超標(biāo)信號(hào)構(gòu)建側(cè)視圖，側(cè)視圖是將任一掃查位置扇掃數(shù)據(jù)行取最大值，再投影于深度方向，依次按照掃查位置排列形成的視圖，其可以反映超標(biāo)信號(hào)沿掃查方向的分布情況。但初始圖像中信號(hào)形狀較為模糊，缺乏連續(xù)性，邊上仍然有鋸齒狀棱角，需通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)圖像進(jìn)行處理。

通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹[7]等方面的處理，減少了圖像中的噪聲信息，填平了圖像邊界不平滑的凹陷部分，處理后的圖像將更加平滑清晰。此外，初始圖像還存在始波的干擾，而始波出現(xiàn)于距離探頭表面固定深度的范圍，故將該范圍內(nèi)信號(hào)幅值置零，即完成了始波消除。在此基礎(chǔ)上提取采集信號(hào)質(zhì)心，得到信號(hào)周向位置及長(zhǎng)度。

1.3截面信息提取

在獲得信號(hào)周向位置后，為進(jìn)一步確定采集信號(hào)在焊縫截面處的來(lái)源，需對(duì)該掃查位置處構(gòu)建的扇掃圖像進(jìn)行處理。由于回波信號(hào)邊緣處是圖像灰度值局部發(fā)生變化最顯著的部分，故選用計(jì)算量小、速度快的Sobel邊緣檢測(cè)算子對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行邊緣提取，在此基礎(chǔ)上利用質(zhì)心提取得到焊縫截面中回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的掃查角度As和傳播時(shí)間ts，為后續(xù)信號(hào)源聲線追蹤算法提供參數(shù)。

Sobel算子[8-9]包括兩個(gè)運(yùn)算操作：導(dǎo)數(shù)方向的平滑垂直運(yùn)算和簡(jiǎn)單中心差分運(yùn)算。垂直平滑可由帕斯卡三角形得到，兩個(gè)運(yùn)算操作的表達(dá)式為：

在二維Sobel運(yùn)算中，x方向(水平)和y方向(垂直)的梯度矩陣可表達(dá)為：

x方向和y方向的卷積模板計(jì)算如下

式中：A為通過(guò)檢測(cè)閾值篩選后的輸入圖像；Gx，Gy分別為x方向和y方向的輸出圖像；G為輸出圖像；θ為梯度方向；*為卷積運(yùn)算符號(hào)。

文中在傳統(tǒng)Sobel算子基礎(chǔ)上增加了45°方向和135°方向兩個(gè)模板，使得Sobel算子還可以檢測(cè)出對(duì)角線方向上的邊緣部分，增強(qiáng)了邊緣檢測(cè)的方向不變性，改進(jìn)后的Sobel算子計(jì)算公式如下：

1.4信號(hào)源聲線追蹤

得到焊縫截面信號(hào)中心入射角度As及傳播時(shí)間ts后，利用聲線追蹤算法，建立扇掃圖像中回波信號(hào)與其在焊縫截面中幾何位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到信號(hào)源位置，聲線在界面的反射以及發(fā)生的波型轉(zhuǎn)換遵循Snell定律，計(jì)算流程如下所述。

(1) 將信號(hào)中心對(duì)應(yīng)入射角度As作為初始入射向量D0，結(jié)合檢測(cè)截面關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)集合P和探頭入射點(diǎn)I，求解在聲線檢測(cè)截面中的反射向量D和反射點(diǎn)O。反射面分為平面和弧面兩種情況，聲線在界面處的反射原理如圖2所示，D1為與界面平行的單位向量，I0為界面法向量，得到反射向量D的計(jì)算公式為：

圖2 聲線在界面處的反射原理示意

(2) 利用聲線模型計(jì)算得到反射點(diǎn)O之后，計(jì)算探頭入射點(diǎn)I到反射點(diǎn)O這一路徑對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間t。

(3) 如果t小于信號(hào)中心對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間ts，則將求得的反射點(diǎn)O作為新的入射點(diǎn)，反射向量D作為新的入射向量，回到步驟(1)繼續(xù)運(yùn)算；否則進(jìn)入步驟(4)。

(4) 計(jì)算t與ts的差值Δt，將其與聲線傳播路徑中最后一段對(duì)應(yīng)的聲速相乘，即可據(jù)此得到聲線終止點(diǎn)位置，此位置為信號(hào)源。

由于管件壁厚存在較大尺寸偏差，若在每個(gè)掃查點(diǎn)都采用標(biāo)稱尺寸進(jìn)行檢測(cè)截面的繪制，容易出現(xiàn)對(duì)根部缺陷的誤判，因此需要基于壁厚輪廓測(cè)量進(jìn)行聲線路徑計(jì)算。使用相控陣儀器支持多組檢測(cè)參數(shù)添加，分別設(shè)置輪廓測(cè)量與數(shù)據(jù)采集兩組參數(shù)，可保證壁厚輪廓與檢測(cè)數(shù)據(jù)的匹配性。

2 試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)對(duì)象

為驗(yàn)證自動(dòng)識(shí)別算法，設(shè)計(jì)制作了模擬試件(見(jiàn)圖3)，試件用料取自某電廠高壓旁路管道用P92管材，規(guī)格為φ443 mm×75 mm(外徑×壁厚)。為模擬管道不規(guī)則接頭，將管材切割后在端部加工內(nèi)外臺(tái)階，再通過(guò)焊接形成帶臺(tái)階接頭。

圖3 模擬試件實(shí)物

在模擬試件上制作了人工缺陷，缺陷參數(shù)如表1所示。

表1 模擬試件人工缺陷信息

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2試驗(yàn)系統(tǒng)

針對(duì)管道不規(guī)則接頭開(kāi)發(fā)了專用檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)包括工藝設(shè)計(jì)、信號(hào)采集以及分析模塊，采集模塊為多浦樂(lè)公司制造的超聲相控陣儀器，陣元型號(hào)為5L32-0.5*10，楔塊型號(hào)為SD1-N55S，入射橫波角度范圍設(shè)定為36°80°，DAC曲線制作參照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。由于采集時(shí)未連接編碼器，故后續(xù)側(cè)視圖信號(hào)周向位置及長(zhǎng)度不能分別作為其真實(shí)周向位置和指示長(zhǎng)度。

2.3試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 信號(hào)初判

相控陣采集數(shù)據(jù)初始側(cè)視圖如圖5所示，從圖5可知，信號(hào)存在強(qiáng)烈始波，形狀較為模糊，缺乏連續(xù)性，無(wú)法真實(shí)反映信號(hào)的周向分布情況?；贒AC曲線閾值篩選，通過(guò)圖像腐蝕膨脹及始波消除處理后，得到側(cè)視圖如圖6所示?？芍?jīng)過(guò)處理后的圖像更加平滑清晰，可自動(dòng)獲取圖中沿周向掃查方向分布的5個(gè)不同帶狀信號(hào)的質(zhì)心位置，其中信號(hào)1，2，3的深度分別為30，45，73 mm，而接頭壁厚為75 mm，故上述信號(hào)均處于一次波檢測(cè)范圍內(nèi)；而信號(hào)4，5深度分別為93，122 mm，超出一次波檢測(cè)范圍；同時(shí)需要注意信號(hào)3在整個(gè)掃查過(guò)程中一直出現(xiàn)且波幅強(qiáng)烈，初步懷疑為與接頭結(jié)構(gòu)相關(guān)的干擾信號(hào)。

圖5 相控陣采集數(shù)據(jù)初始側(cè)視圖

圖6 圖像腐蝕膨脹及始波消除處理后側(cè)視圖

圖7 試件側(cè)視圖周向66 mm處扇掃圖

2.3.2 信號(hào)源位置確定

選取模擬試件側(cè)視圖同時(shí)出現(xiàn)5個(gè)信號(hào)的掃查位置(周向66 mm)，其對(duì)應(yīng)的焊縫截面扇掃圖如圖7所示。由于側(cè)視圖中同一深度信號(hào)可能發(fā)生重疊，該位置處焊縫截面中實(shí)際存在9個(gè)超標(biāo)信號(hào)，根據(jù)信號(hào)顯示深度位置可得：a、b同屬于側(cè)視圖中的信號(hào)1；c、d同屬于側(cè)視圖中的信號(hào)2；e為側(cè)視圖中信號(hào)3；f、g、h同屬于側(cè)視圖中的信號(hào)4；i為側(cè)視圖中的信號(hào)5。

a、b、c、d、e均為一次波檢測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)，可根據(jù)其在焊縫截面位置直接進(jìn)行識(shí)別，a、b位于上部坡口附近，c、d位于下部坡口附近，可判定a、b、c、d為4個(gè)未熔合缺陷；e位于內(nèi)斜臺(tái)面，結(jié)合側(cè)視圖中信號(hào)3在整個(gè)掃查過(guò)程中均出現(xiàn)的情況，可判定其為小角度(36°～45°)聲線在內(nèi)斜臺(tái)處形成的結(jié)構(gòu)回波。

剩余f、g、h、i信號(hào)均超出一次波檢測(cè)范圍，利用邊緣檢測(cè)及質(zhì)心提取后的信號(hào)截面信息進(jìn)行聲線追蹤，其位置信息見(jiàn)表2。f、g、h、i信號(hào)聲線傳播路徑如圖8所示。f、g為聲束在接頭內(nèi)壁反射后形成的下部坡口未熔合的二次波信號(hào)；h對(duì)應(yīng)聲線入射角小于第三臨界角，存在兩種反射路徑。1為聲線在內(nèi)斜臺(tái)反射為橫波至熱影響區(qū)；2為內(nèi)斜臺(tái)反射為縱波至焊縫上部坡口，其中2對(duì)應(yīng)位置與左側(cè)上部坡口未熔合位置吻合，見(jiàn)圖8(c)，而一次波范圍內(nèi)未見(jiàn)到熱影響區(qū)存在明顯回波。故h為內(nèi)斜臺(tái)處變型縱波超聲的上部坡口未熔合信號(hào)；i為聲束在內(nèi)斜臺(tái)反射后至接頭外壁處形成的結(jié)構(gòu)回波。綜上所述，采集信號(hào)精確識(shí)別算法能夠建立扇掃顯示信號(hào)與其在焊縫截面實(shí)際位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有效區(qū)分結(jié)構(gòu)干擾信號(hào)及同一缺陷的多個(gè)顯示。

表2 扇掃圖像各信號(hào)位置信息

圖8 f、g、h、i信號(hào)聲線傳播路徑

3 結(jié)語(yǔ)

研究了管道不規(guī)則接頭超聲相控陣自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)識(shí)別算法。先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，再對(duì)構(gòu)建的側(cè)視圖和扇掃圖進(jìn)行圖像處理，自動(dòng)獲得任一信號(hào)的位置信息，最后利用聲線路徑算法追蹤已知周向位置信號(hào)的來(lái)源。對(duì)模擬試件檢測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用表明，該算法處理效率高，能夠有效區(qū)分結(jié)構(gòu)干擾信號(hào)及同一缺陷的多個(gè)顯示，缺陷定位結(jié)果與設(shè)計(jì)值的偏差在5 mm以內(nèi)，具有很好的應(yīng)用前景。

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SignalRecognitionMethodofAutomaticPhasedArrayUltrasonicInspectionoftheIrregularPipeJoint

LI Xiqiang1, SHI Yakun2, ZHANG Jun2, LI Xiaohong2, MA Junpeng1

(1.Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China;2.NDT Research Center, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aiming at the automatic phased array ultrasonic inspection of the irregular structure of welds, an algorithm of signal recognition is proposed to solve the problem of inefficiency of data processing due to large amount and identification of signal source because of complexity of beam propagation with the appearance of tilt parts. The test block with artificial defects is designed and manufactured for validation of the algorithm. The results show that the proposed algorithm provides important support for the inspection as follows: the efficiency of data processing can be improved; the distribution of signals along the scanning direction can be displayed intuitively; the source of signals can also be acquired to distinguish pseudo signal from structure and multiple displays from one and the same defect.

irregular pipe joint; phased array ultrasonic; automatic inspection; signal recognition

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0024-05

2017-02-28

李夕強(qiáng)(1973-),男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠焊接及檢測(cè)技術(shù)研究工作

馬君鵬,asvragod@163.com

10.11973/wsjc201709006