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        氫環(huán)境箱厚壁筒體的相控陣超聲周向檢測

        2020-10-12 07:03:02繆存堅(jiān)鐘海見郭偉燦凌張偉
        無損檢測 2020年9期
        關(guān)鍵詞:楔塊比試厚壁

        繆存堅(jiān),鐘海見,郭偉燦,凌張偉

        (1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,杭州 310020;2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310020)

        超高壓氫環(huán)境箱是測試材料氫相容性的必要裝置,其中140 MPa氫環(huán)境箱是目前國內(nèi)壓力最高的氫環(huán)境箱,其厚壁筒體承壓高、壁厚大、外徑內(nèi)徑比大,在使用過程中存在低周疲勞、應(yīng)力集中及高壓氫環(huán)境等,容易引起設(shè)備損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素。因此,對氫環(huán)境箱厚壁筒體進(jìn)行定期檢驗(yàn)是確保其安全使用的關(guān)鍵[1]。

        氫環(huán)境箱的厚壁筒體結(jié)構(gòu)是超高壓容器的常用典型結(jié)構(gòu),其中的埋藏缺陷和表面缺陷通??刹捎贸暦椒ㄟM(jìn)行檢測。但常規(guī)超聲方法存在靈敏度低、缺陷定位困難等技術(shù)難點(diǎn)[2-6]。GB/T 34019-2017 《超高壓容器》等標(biāo)準(zhǔn)對超高壓容器的檢驗(yàn)檢測提出了具體的要求和方法,為氫環(huán)境箱厚壁筒體的無損檢測提供了參考,例如采用超聲周向斜入射等檢測方法進(jìn)行檢測。然而,氫環(huán)境箱厚壁筒體的外徑內(nèi)徑比達(dá)到了1.85,厚度也達(dá)到了85 mm,雖然標(biāo)準(zhǔn)提出了可采用常規(guī)周向超聲檢測技術(shù)進(jìn)行檢測,但并沒有提出如何使用檢測效果更好的相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行檢測,且國內(nèi)少有采用相控陣超聲技術(shù)檢測超高壓容器結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)報(bào)道。相對于常規(guī)超聲技術(shù),相控陣超聲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測區(qū)域多角度、多方向的掃查和動態(tài)聚焦檢測,結(jié)合實(shí)時(shí)成像能直觀地顯示缺陷的位置、分布、尺寸等信息,可大幅提高檢測靈敏度和缺陷的定位精度[7-9]。

        為建立140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的相控陣超聲檢測方法,提出了一種配置曲面楔塊的相控陣超聲周向檢測技術(shù),對相控陣超聲在氫環(huán)境箱厚壁筒體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的聲場進(jìn)行仿真分析,同時(shí)加工帶有人工缺陷的對比試塊并開展試驗(yàn),討論該相控陣超聲檢測方法在氫環(huán)境箱厚壁筒體檢測中的適用性。

        1 相控陣超聲檢測方法

        1.1 扇掃描

        140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體相控陣超聲周向檢測方法如圖1所示,采用曲面楔塊和一維線性陣列,陣列按一定角度沿曲面楔塊的斜面排列。檢測中計(jì)劃采用扇掃模式對厚壁筒體進(jìn)行周向掃查,通過準(zhǔn)確控制曲面楔塊和相控陣參數(shù),使相控陣超聲檢測周向扇掃描能同時(shí)掃查到筒體內(nèi)壁和外壁。筒體內(nèi)徑為200 mm,外徑為370 mm,外徑內(nèi)徑比K為1.85,采用全橫波掃查時(shí),橫波主聲束無法達(dá)到筒體內(nèi)壁,因此假設(shè)橫波主聲束能夠與筒體內(nèi)壁相切,對應(yīng)橫波折射角為32.7°,此時(shí)縱波入射角αL在聚苯乙烯/鋼第一臨界角23.6°附近,而鋼中存在的聲場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,存在橫波、頭波、爬波、臨界折射縱波(LCR波)等多種波型。鑒于筒體結(jié)構(gòu)、外內(nèi)徑之比的特殊性以及內(nèi)壁檢測的需要,將超聲檢測入射角設(shè)置在縱波第一臨界角附近。

        圖1 相控陣超聲周向檢測方法示意

        1.2 相控陣聚焦

        考慮到筒體壁厚達(dá)85 mm,檢測面為曲面且檢測距離較大,為減少衰減,同時(shí)改善聚焦和分辨力,相控陣探頭聚焦能力的設(shè)計(jì)十分重要。關(guān)于工作頻率和陣元間距d的選擇,可根據(jù)聚焦區(qū)域面積、被檢對象大小、材料特性以及陣列柵瓣等因素來確定。

        由于檢測焦距較大,故要增強(qiáng)遠(yuǎn)距離聚焦能力,宜選取較大的孔徑尺寸,同時(shí)為了減小旁瓣和柵瓣的影響,陣元間距d要盡量小。因此,宜選取較大的陣元數(shù)量N,陣元數(shù)量N越大,聚焦能力越強(qiáng),獲得的焦點(diǎn)尺寸越小,實(shí)際焦點(diǎn)深度越大。

        對于相控陣探頭的近場區(qū),其長度一般要大于焦距F,由于探頭晶片尺寸遠(yuǎn)小于曲率半徑,因此可以將相控陣探頭晶片陣列近似看作矩形,其近場區(qū)長度如式(1)所示[10]。

        N矩形=k矩形L2/(4λ)

        (1)

        式中:k矩形為近場區(qū)長度修正系數(shù)(見圖2,W為探頭寬度);L為探頭長度,mm;λ為試塊中的超聲波波長,mm。

        取L為31.9 mm,W為10 mm,查圖2可得k矩形為0.994。λ取1.615 mm,得N矩形為156 mm,即當(dāng)折射波軸線與內(nèi)壁相切時(shí),焦區(qū)落在切點(diǎn)上。

        圖2 矩形探頭的近場長度修正系數(shù)曲線

        1.3 檢測工藝參數(shù)

        根據(jù)上述參數(shù)確定原則,針對140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體提出了周向檢測的相控陣超聲檢測工藝參數(shù),如表1所示。

        表1 相控陣超聲檢測工藝參數(shù)

        2 聲場研究與仿真分析

        當(dāng)有限尺寸換能器的聲束以第一臨界角附近的角度入射到工件時(shí),由于換能器的尺寸有限,激發(fā)出的超聲波不可能是純平面波,其傳播到兩介質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生的超聲波空間分布較為復(fù)雜。為研究臨界角附近的縱波入射角在介質(zhì)中的折射聲場,采用超聲仿真軟件CIVA開展聲場仿真,即采用鉛筆法的半解析方法[11],仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

        表2 CIVA超聲仿真軟件的參數(shù)設(shè)置

        仿真中射線角度考慮覆蓋工件內(nèi)表面至外表面之間的檢測范圍,設(shè)置橫波折射角分別為32.7°,34.2°,45°,其仿真獲得的輻射聲場如圖3所示。當(dāng)橫波折射角為32.7°時(shí),折射聲場在工件內(nèi)表面附近,縱波入射角接近第一臨界角時(shí),在工件中同時(shí)存在多種波型,從而使聲場結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較純橫波聲場復(fù)雜;當(dāng)橫波折射角為34.2°時(shí),此時(shí)縱波入射角已大于第一臨界角,折射橫波已占主導(dǎo)地位;當(dāng)橫波折射角為45°時(shí),折射聲場在工件外表面附近,為純橫波聲場。從圖中可以看出,雖然仍然存在一些旁瓣和柵瓣,但主要的能量還是集中在聲束主軸線上,從而形成較好的聚焦效果。

        圖3 不同橫波折射角時(shí),筒體中相控陣超聲聲場示意

        為進(jìn)一步研究攜帶曲面楔塊的相控陣探頭對厚壁筒體中缺陷的檢測效果,采用CIVA軟件開展仿真,采用如圖1所示的相控陣檢測方法對φ370 mm×85 mm氫環(huán)境箱厚壁筒體中不同位置人工缺陷的反射聲場和檢測效果進(jìn)行建模仿真分析,人工缺陷的設(shè)置如圖4所示,待測工件包含有內(nèi)外表面長為25 mm的溝槽,深度分別為0.85 mm和1.7 mm;離外表面深度分別為20%,40%,60%,80%壁厚的φ2 mm×40 mm的4個(gè)長橫孔。相控陣探頭對人工缺陷的CIVA仿真聲場和波形圖像如圖5所示。從圖5可以看出,相控陣技術(shù)對不同位置和不同類型的缺陷進(jìn)行檢測時(shí)均能獲得較清晰的超聲圖像,能夠直觀地顯示缺陷的位置、分布、尺寸等信息。從缺陷響應(yīng)來看,工件內(nèi)折射角越大,缺陷響應(yīng)幅值越弱,從聲場特征分析,這是因?yàn)檎凵浣窃黾訉?dǎo)致近場區(qū)減小從而聚焦較弱,同時(shí)靠近外壁的缺陷在其檢測過程中聲程也比內(nèi)壁附近缺陷的聲程更遠(yuǎn),這也與之前的研究[12]有相似之處。對于內(nèi)外壁的缺陷響應(yīng),考慮到缺陷與壁面相連,會受到壁面對聲場反射的影響。

        圖4 CIVA建模時(shí)缺陷的形狀尺寸示意

        圖5 相控陣超聲技術(shù)獲得的人工缺陷聲場響應(yīng)的模擬仿真

        3 試驗(yàn)過程

        根據(jù)140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的具體規(guī)格,試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34019-2017 《超高壓容器》設(shè)計(jì)了相控陣超聲檢測用超聲對比試塊。該對比試塊的材料和規(guī)格與被檢工件相同,加工精度參照GB/T 11259-2015 《無損檢測 超聲檢測用鋼參考試塊的制作和控制方法》的要求。為模擬實(shí)際缺陷,在試塊內(nèi)外表面一定深度位置加工一定形狀尺寸的人工缺陷。加工的對比試塊規(guī)格如圖6所示,實(shí)物如圖7所示。

        圖6 試驗(yàn)用產(chǎn)品對比試塊設(shè)計(jì)示意

        圖7 試驗(yàn)用產(chǎn)品對比試塊實(shí)物

        實(shí)際檢測時(shí),將相控陣探頭的凹面楔塊緊貼筒體外表面,設(shè)置合適的檢測參數(shù),通過適當(dāng)改變陣元的延時(shí),使超聲聲束在扇形面積內(nèi)開展掃描,并沿筒體圓周方向移動探頭,觀察圖像的變化情況,判斷缺陷和內(nèi)外壁圖像的變化情況。圖8為相控陣超聲檢測方向示意。圖9為相控陣超聲探頭檢測對比試塊中的人工缺陷得到的掃描圖像。

        圖8 相控陣超聲掃查方向示意

        圖9 對比試塊的人工缺陷相控陣超聲檢測結(jié)果

        從檢測結(jié)果可以看出,采用30°60°的扇掃角度范圍,環(huán)繞產(chǎn)品對比試塊一周,能夠覆蓋從內(nèi)壁到外壁的范圍,無需重新設(shè)置參數(shù)。在單次掃查中就可以較為清晰地檢測并顯示出產(chǎn)品對比試塊上的長橫孔和溝槽等人工缺陷,檢測結(jié)果信噪比高,成像效果好,分辨力好,可有效提高缺陷檢出率,大大提高了缺陷的檢測精度。從響應(yīng)幅值看,越是靠近內(nèi)壁,缺陷越明顯,這與仿真所得規(guī)律一致。而內(nèi)外壁的溝槽缺陷的響應(yīng)規(guī)律與仿真結(jié)果一致,且其響應(yīng)變化規(guī)律與試塊內(nèi)長橫孔缺陷的響應(yīng)變化規(guī)律并不完全相同,都受到了內(nèi)外壁壁面聲場的影響。總體而言,筆者提出的相控陣超聲技術(shù)對產(chǎn)品對比試塊的內(nèi)外表面以及內(nèi)部缺陷均具有較高的檢測精度和可靠性。該技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)140 MPa氫環(huán)境箱厚壁筒體的定期檢驗(yàn)。

        4 結(jié)語

        (1)針對超高壓氫環(huán)境箱的結(jié)構(gòu)、材料、壓力等特征,提出了采用帶曲面楔塊的相控陣超聲聚焦周向檢測技術(shù)。為開展氫環(huán)境箱厚壁筒體的周向檢測,分析了扇掃方式的適應(yīng)性以及聚焦檢測工藝參數(shù)的選用原則,給出了檢測工藝的基本參數(shù),實(shí)現(xiàn)了對氫環(huán)境箱厚壁筒體周向待測區(qū)域的無損檢測。

        (2)采用超聲仿真研究了檢測過程中工件內(nèi)的聲場分布以及人工缺陷的響應(yīng)規(guī)律,分析了橫波聲場在產(chǎn)品對比試塊工件內(nèi)的聚焦效果。結(jié)果顯示,聲場仿真下雖然存在少量的旁瓣和柵瓣,但大部分能量仍集中在聲束主軸上,可獲得較好的聲場聚焦效果以及對不同位置、不同類型缺陷響應(yīng)的清晰成像。

        (3)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造了帶人工缺陷的氫環(huán)境箱厚壁筒體產(chǎn)品對比試塊。試驗(yàn)表明,所提出的基于曲面楔塊耦合的相控陣超聲周向檢測方法對試塊內(nèi)外表面和內(nèi)部缺陷均具有較高的檢測靈敏度、檢測精度和可靠性。該技術(shù)已成功應(yīng)用于浙江大學(xué)140 MPa氫環(huán)境箱的定期檢驗(yàn)。

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