鄭晨

摘 要：平面波成像（PWI）技術(shù)早期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲中的快速成像，近年來，在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域陸續(xù)有設(shè)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(shè)備檢測(cè)等領(lǐng)域中一般采用射線的檢測(cè)方案，由于相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，相控陣超聲技術(shù)在小徑管焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛。本文將針對(duì)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(yàn)證PWI技術(shù)用于小徑管焊縫檢測(cè)的技術(shù)可行性和技術(shù)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：平面波成像、全聚焦、小徑管

1、引言

平面波成像技術(shù)是一種快速超聲成像方式，在使用時(shí)，探頭的所有陣元同時(shí)激發(fā)，僅通過一次發(fā)射和一次接收就能夠采集一幅完整的圖像，和傳統(tǒng)的超聲成像方式相比，在成像幀頻上有大幅提升?；谄矫娌ㄏ喔蓮?fù)合成像技術(shù)，通過將平面波數(shù)據(jù)采集和全聚焦技術(shù)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)聚焦成像的效果，該種成像方法早期應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像中，相較于傳統(tǒng)的掃描方式，成像效率實(shí)現(xiàn)大幅提升。平面波成像技術(shù)需要進(jìn)行大量聲束合成計(jì)算，近年來，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，GPU并行處理能力日益強(qiáng)大，硬件系統(tǒng)架構(gòu)不斷優(yōu)化，開始有工業(yè)級(jí)超聲儀支持平面波成像功能。

小徑管焊縫傳統(tǒng)上采用射線的檢測(cè)方案，但是受到輻射安全及檢修工期的限制，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的限制條件較多。隨著相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的崛起，該技術(shù)在火電或核電及特種設(shè)備檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PWI作為一種新引入工業(yè)領(lǐng)域的超聲成像方法，在成像分辨率、近表面盲區(qū)、探頭位置相對(duì)反射體方向敏感度等方面相比傳統(tǒng)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(fā)能量、成像效率等方面優(yōu)勢(shì)明顯，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的人力資源投入也明顯低于射線檢測(cè)。

2、平面波成像的基本原理。

PWI成像時(shí)，假設(shè)探頭的陣元數(shù)量為Q，則其一次激發(fā)Q個(gè)角度的Q個(gè)平面波信號(hào)，并且利用探頭的所有陣元來接收工件中返回的超聲信號(hào)，進(jìn)而得到一個(gè)QxN的矩陣。利用矩陣中的數(shù)據(jù)，利用延遲疊加原理合成聚焦信號(hào)后，對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行虛擬模擬聚焦，基于合成的幅值信息進(jìn)行圖像表征。將成像區(qū)域劃分為網(wǎng)格即成像點(diǎn)，為每個(gè)成像點(diǎn)計(jì)算延遲法則，實(shí)現(xiàn)每個(gè)成像點(diǎn)的清晰成像，實(shí)現(xiàn)整個(gè)成像區(qū)域的全聚焦成像。

平面波成像有多種成像模態(tài)[1]，包括直射、端角、非直射以及自定義模態(tài)，每種模態(tài)的每一段聲波傳輸路徑都可以設(shè)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(shè)置傳輸時(shí)的波形。

平面波成像時(shí)除了要選擇適合的探頭、楔塊和檢測(cè)角度范圍，還需要根據(jù)檢測(cè)工件的規(guī)格以及缺陷的常見位置選擇合適的成像模態(tài)以及成像的區(qū)域和步進(jìn)[2]。結(jié)合檢測(cè)對(duì)象的規(guī)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(cè)使用的編碼器移動(dòng)300mm進(jìn)行編碼器校準(zhǔn)，保證設(shè)備中顯示的位移數(shù)值和實(shí)際移動(dòng)位移數(shù)值之間的誤差小于移動(dòng)長度數(shù)值的1%。將掃查步進(jìn)設(shè)置為0.1mm進(jìn)行波幅可信度測(cè)試。測(cè)試時(shí)需確保使用所有成像模態(tài)，且成像區(qū)域的成像點(diǎn)都完成橫通孔成像，相鄰兩個(gè)成像點(diǎn)之間的波幅變化不應(yīng)超過2dB。

3、基于PWI技術(shù)的小徑管檢測(cè)

使用頻率為7.5MHz，陣元數(shù)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(shí)施檢測(cè)材質(zhì)為碳鋼的小徑管焊縫。探頭移動(dòng)方向和焊縫長度方向平行，檢測(cè)采用不同模態(tài)的基于PWI技術(shù)的扇形掃描。成像點(diǎn)間的最小距離應(yīng)保證不大于1%工件厚度方向的要求。掃描時(shí)保證每25mm的數(shù)據(jù)丟失量小于2根數(shù)據(jù)線，且無效數(shù)據(jù)線沒有相連。使用同一顯示信號(hào)在不同位置或不同成像模態(tài)中TFM成像顯示的最高回波幅度作為該顯示信號(hào)的幅值。

檢測(cè)時(shí)采用PWI的直射模態(tài)結(jié)合40°-70°扇形掃描，成像區(qū)域步進(jìn)0.1mm，從結(jié)果可見，未焊透缺陷被順利檢出，且成像清晰，易于識(shí)別和判定。

從圖2和圖3可見，其他參數(shù)不變，采用端角模態(tài)或者非直射模態(tài)，未焊透缺陷能被順利檢出，缺陷位置定位準(zhǔn)確，但是成像分辨率不如采用直射模態(tài)時(shí)的成像效果。

檢測(cè)對(duì)象為靠近探頭側(cè)的一處焊縫內(nèi)部裂紋，從圖4可見，采用直射模態(tài)采用橫波直射的方法，缺陷被順利檢出，缺陷定位準(zhǔn)確，成像分辨率高。

使用端角模態(tài)，其他參數(shù)保持不變，可見缺陷位置處有信號(hào)顯示，但是位置略有偏差，但是同時(shí)在焊縫對(duì)側(cè)的相同區(qū)域也有信號(hào)顯示，但是該位置實(shí)現(xiàn)并未設(shè)計(jì)缺陷。

使用非直射模態(tài)，其他參數(shù)保持不變時(shí)，在缺陷處有信號(hào)顯示，但是同時(shí)在附近有多處其他信號(hào)顯示，但是這些區(qū)域均未設(shè)計(jì)缺陷，且成像區(qū)域整體信噪比較差，不利于缺陷的判別。

從圖7可見，對(duì)于探頭本側(cè)的未熔合信號(hào)，通過直射模態(tài)的PWI成像可以精確定位，信號(hào)圖像分辨力高。

從圖8和圖9可見，在其他參數(shù)不變，將成像模態(tài)從直射調(diào)整為端角或非直射時(shí)，探頭本側(cè)未熔合無法檢出，同時(shí)在焊縫根部產(chǎn)生非相關(guān)顯示信號(hào)。

從檢測(cè)結(jié)果可見，使用直射模態(tài)，探頭對(duì)側(cè)的未熔合無法被準(zhǔn)確檢出，且因?yàn)楣ぜY(jié)構(gòu)和成像原理的關(guān)系，在焊縫對(duì)側(cè)的熱影響區(qū)產(chǎn)生非相關(guān)顯示。

根據(jù)圖11結(jié)果，探頭對(duì)側(cè)的未熔合被順利檢出，盡管成像中仍有部分非相關(guān)顯示，但是缺陷信號(hào)信噪比高易識(shí)別。

其他參數(shù)不變，改用非直射模態(tài)，缺陷無法檢出，且由于工件結(jié)構(gòu)和成像原理的原因在探頭對(duì)側(cè)焊縫根部的熱影響區(qū)產(chǎn)生非相關(guān)顯示。

使用直射模態(tài)時(shí)，近表面裂紋無法順利檢出，由于工件結(jié)構(gòu)和成像原理的原因在探頭對(duì)側(cè)焊縫根部熱影響區(qū)產(chǎn)生非相關(guān)顯示信號(hào)。

其他參數(shù)不變，改用端角模態(tài)，近表面裂紋區(qū)域依然無任何信號(hào)顯示，且由于端角PWI成像的特點(diǎn)在探頭對(duì)側(cè)焊縫表面產(chǎn)生非相關(guān)顯示信號(hào)。

改用非自射模態(tài)，保持其他參數(shù)不變，近表面裂紋順利檢出，且整個(gè)成像區(qū)域無其他非相關(guān)顯示信號(hào)干擾。

使用直射模態(tài)檢測(cè)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(hào)連著偽像信號(hào)，影響缺陷的定位，且在信號(hào)包絡(luò)化處理后，信噪比有一定的下降。

改用端角模態(tài)，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(zhǔn)確定位、定性。

使用非直射模態(tài)，經(jīng)分析確認(rèn)產(chǎn)生的信號(hào)為非相關(guān)顯示信號(hào)，氣孔并未被順利檢出。

總結(jié)

通過對(duì)小徑管焊縫常見缺陷進(jìn)行PWI-TFM成像，并對(duì)不同模態(tài)的成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析后可以得出一下結(jié)論：

?PWI技術(shù)可以用于小徑管焊縫的檢測(cè);

?常見的面積型和體積型缺陷可以通過PWI技術(shù)順利檢出;

?僅使用單一模態(tài)容易造成缺陷的漏檢，PWI技術(shù)使用時(shí)需要同時(shí)使用多種模態(tài)。

?PWI技術(shù)可以作為單一的成像方法用于小徑管焊縫檢測(cè)，但因?yàn)槊糠N技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，因此并不構(gòu)成對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方案的替代。

參考文獻(xiàn)

[1]ASME BPVC V（S），ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范第V部分

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