薛 巖，李 佳，周廣言，高 靜，王 雪，皮亞東

(1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，廊坊 065000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院 電子與控制工程學(xué)院，廊坊 065000)

在化石能源領(lǐng)域，石油及天然氣大多采用儲罐進(jìn)行存儲，在存儲過程中，儲罐內(nèi)部存儲介質(zhì)及土壤環(huán)境等都可能會對金屬儲罐底板造成腐蝕。儲罐底板的腐蝕狀況嚴(yán)重影響了常壓儲油罐的使用壽命和運(yùn)行的安全性，因此儲罐罐底板的安全狀態(tài)越來越受到重視。國內(nèi)外廣泛開展了金屬儲罐罐底板檢測/監(jiān)測技術(shù)的研究，主要分為開罐檢測和非開罐檢測兩種方式，儲罐開罐檢測技術(shù)包括漏磁技檢測、超聲檢測等[1-2]，非開罐檢測的典型技術(shù)為聲發(fā)射檢測[3]。全聚焦檢測技術(shù)近幾年快速發(fā)展，其基于全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對每一網(wǎng)格都進(jìn)行聚焦，使得超聲成像結(jié)果更加均勻平滑，成像質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)相控陣檢測方法成像質(zhì)量[4]。在全聚焦成像方面，有學(xué)者提出全模式全聚焦成像及3D全聚焦成像等算法[5-9]。

筆者提出在非開罐狀態(tài)下，采用蘭姆波全聚焦成像檢測方法對儲罐底板進(jìn)行檢測。由于蘭姆波是多模式復(fù)合波，實(shí)際應(yīng)用過程中干擾信號多，分析困難，國內(nèi)外雖然對蘭姆波檢測方法進(jìn)行了大量研究，但很少有將蘭姆波全聚焦檢測技術(shù)應(yīng)用于金屬儲罐檢測的報道。

文章通過對鋼質(zhì)儲罐底板蘭姆波激勵及傳播模式進(jìn)行研究，確定蘭姆波檢測工藝，建立了蘭姆波檢測全聚焦成像算法，開發(fā)了一套儲罐底板蘭姆波檢測軟件系統(tǒng)，并開展了儲罐底板模擬缺陷檢測試驗(yàn)以驗(yàn)證軟件系統(tǒng)的可靠性。

1 蘭姆波檢測模態(tài)及成像算法

1.1 蘭姆波檢測模態(tài)

蘭姆波為多模式復(fù)合波[10]，傳播質(zhì)點(diǎn)具有不同的振動模式，根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)振動位移形態(tài)的特點(diǎn)，分為對稱型(S0,S1,…)和反對稱型(A0,A1,…)，描述蘭姆波的聲速分為群速度和相速度。

試驗(yàn)待測的儲罐底板壁厚為8 mm，因此進(jìn)行8 mm厚度鋼板頻散曲線模擬，得到的頻散曲線如圖1所示。

圖1 8 mm厚鋼板頻散曲線

圖1所示頻散曲線中紅色曲線代表對稱型模態(tài)(S0,S1,…)，藍(lán)色曲線代表反對稱型模態(tài)(A0,A1,…)，在某一頻率下，結(jié)構(gòu)中同時存在多種模態(tài)的聲波，隨著頻率的增加，模態(tài)數(shù)量也會逐漸增加，不同模態(tài)聲波的群速度和相速度各不相同，尤其在高頻段表現(xiàn)得更為明顯。

板中存在的蘭姆波模態(tài)越多，應(yīng)用分析起來越困難，由圖1可以看出，板中最少存在A0和S0兩種模態(tài)的波。因此筆者選擇A0和S0模式作為蘭姆波檢測模式。

1.2 蘭姆波成像算法

在超聲檢測技術(shù)中，利用全聚焦成像技術(shù)可對工件進(jìn)行檢測成像。通過對采集的超聲全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后期延時、加權(quán)疊加合成等數(shù)據(jù)處理，獲得聲波與工件內(nèi)部缺陷互相作用后的超聲回波信號，此時的聲波沒有在工件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)真實(shí)的聚焦，而是一種數(shù)據(jù)后處理方式，是超聲陣列對成像區(qū)域內(nèi)的所有點(diǎn)進(jìn)行虛擬聚焦。

全矩陣數(shù)據(jù)采集技術(shù)是全聚焦成像技術(shù)的基礎(chǔ)，其基本原理為：依次激發(fā)探頭中所有晶片，陣列中所有晶片接收回波信號，最終接收到N×N個A掃波型，即首先使換能器中第1個晶片激勵超聲波，所有晶片并行接收，所獲得的回波數(shù)據(jù)定義為S1j(j=1,2,…,N)，共獲得N組數(shù)據(jù)，然后依次激勵換能器中各晶片，重復(fù)上述過程。將發(fā)射晶片i、接收晶片j采集的超聲回波數(shù)據(jù)記為Sij，為全矩陣數(shù)據(jù)的第i行第j列的數(shù)據(jù)。Sij為一組數(shù)據(jù)，包含每個時間采樣點(diǎn)時接收信號的幅值[11]。全矩陣數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示。全矩陣采集方法所得到的數(shù)據(jù)集包含了所有單個晶片發(fā)射和所有晶片接收的組合關(guān)系，即接收數(shù)據(jù)的完備集。

圖2 全矩陣數(shù)據(jù)采集過程示意

利用全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行全聚焦成像時，首先建立成像坐標(biāo)系，定義陣列成像檢測探頭中每個陣元在坐標(biāo)系中的位置以及每個成像像素點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，全聚焦成像原理如圖3所示(圖中di,dj分別為發(fā)射和接收陣元到點(diǎn)P距離)。通過采集的全矩陣數(shù)據(jù)計算聲波在激勵陣元、成像點(diǎn)P、接收陣元之間的傳播時間，依據(jù)傳播時間從全矩陣數(shù)據(jù)中提取對應(yīng)時刻的幅值，即

(1)

式中：N為陣元個數(shù)；i為激勵陣元；j為接收陣元；hij為全矩陣數(shù)據(jù)；tij(x,z)為時間延時；c為波速，x為陣列方向坐標(biāo);z為垂直于陣列方向坐標(biāo)。

2 蘭姆波檢測軟件系統(tǒng)開發(fā)

以蘭姆波傳播模態(tài)分析結(jié)果及全聚焦成像算法為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套儲罐底板蘭姆波檢測軟件，該軟件包括三大主要模塊，分別為蘭姆波檢測參數(shù)設(shè)置模塊、蘭姆波檢測數(shù)據(jù)采集模塊與蘭姆波缺陷成像模塊，三個模塊共同實(shí)現(xiàn)儲罐缺陷的超聲波陣列檢測。該軟件采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，使用相應(yīng)的動態(tài)鏈接庫來進(jìn)行LabVIEW與設(shè)備之間的交互，實(shí)現(xiàn)信號的激勵、采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)的處理與成像，蘭姆波檢測軟件主界面如圖4所示。

圖3 全聚焦成像原理

圖4 蘭姆波檢測軟件主界面

2.1 蘭姆波檢測參數(shù)設(shè)置模塊

蘭姆波檢測參數(shù)包括超聲激發(fā)頻率、激發(fā)周期數(shù)、延時、增益、采樣頻率以及直流偏置等。

針對超聲激發(fā)，可以對超聲激發(fā)頻率、激發(fā)周期數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。應(yīng)根據(jù)頻散曲線仿真結(jié)果設(shè)置激發(fā)頻率，盡量減少工件中聲波模態(tài)。激發(fā)周期數(shù)越大，產(chǎn)生的聲波能量越強(qiáng)，但同時帶來了波包過寬等不利影響，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測工件情況適當(dāng)選擇激發(fā)參數(shù)。

針對信號采集，可以對采樣頻率、增益、平均次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采樣頻率決定了所采集數(shù)據(jù)的時間精度；增益決定了采集信號的幅值信息，增加采集數(shù)據(jù)的平均次數(shù)可抑制信號中的噪聲，因此應(yīng)根據(jù)信號噪聲狀態(tài)對平均次數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所有參數(shù)設(shè)置完成后開始數(shù)據(jù)采集。

2.2 蘭姆波檢測數(shù)據(jù)采集與缺陷成像模塊

蘭姆波檢測參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，依次激勵每個通道信號，在每次激勵后，所有通道依次進(jìn)行信號接收，最后共采集n2(通道數(shù)為n)組數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可以在軟件界面中以A掃形式實(shí)時顯示，也可直接存儲到硬盤中。數(shù)據(jù)采集完成后，利用式(1)對所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，對成像區(qū)域內(nèi)的所有成像點(diǎn)進(jìn)行虛擬聚焦，最終形成蘭姆波圖像，數(shù)據(jù)采集及成像流程圖如圖5所示，蘭姆波缺陷檢測成像結(jié)果示例如圖6所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)采集及成像流程圖

圖6 蘭姆波缺陷檢測成像結(jié)果示例

3 儲罐底板的蘭姆波檢測試驗(yàn)

3.1 儲罐底板模擬試件加工

根據(jù)儲罐底板壁厚及實(shí)際工況，分別加工了兩塊規(guī)格(長×寬×厚)為1 200 mm×1 200 mm×8 mm(1號板)，以及規(guī)格為1 000 mm×1 000 mm(長×寬)，板厚為8 mm，立板厚度為32 mm(2號板)的儲罐底板模擬試件，儲罐底板模擬試件結(jié)構(gòu)如圖 7所示。制作含立板模擬試件是為了模擬真實(shí)儲罐壁板對檢測結(jié)果的影響。

圖7 儲罐底板模擬試件結(jié)構(gòu)示意

為了驗(yàn)證儲罐蘭姆波檢測系統(tǒng)的靈敏度，在兩塊模擬試件中分別設(shè)計加工了尺寸(長×寬×深)為5 mm×5 mm×2 mm及5 mm×2 mm×5 mm的兩個槽形缺陷。

3.2 儲罐底板蘭姆波全聚焦成像試驗(yàn)

3.2.1 平板儲罐底板成像試驗(yàn)

試驗(yàn)采用16個傳感器進(jìn)行檢測，布局采用壓電陣列方式?？紤]到板材厚度及激勵后產(chǎn)生的蘭姆波模態(tài)，經(jīng)過試驗(yàn)確定傳感器材料為PZT-5H，其直徑為26 mm，厚度為2 mm。傳感器陣列布局如圖8所示，傳感器與模擬試件表面采用紅糖熬制的耦合液進(jìn)行耦合，采用蘭姆波全聚焦成像算法，在1號儲罐底板試件上試驗(yàn)，檢測5 mm×5 mm×2 mm及5 mm×2 mm×5 mm的腐蝕坑。

圖8 傳感器陣列布局示意

選擇A0與S0模式作為Lamb波檢測模式，經(jīng)測得A0模態(tài)波傳播速度為2 430 m·s-1，S0模態(tài)波傳播速度為5 320 m·s-1。激發(fā)頻率不同，兩種模式的波長不同。根據(jù)8 mm厚鋼板中頻散曲線可知，在較低頻厚積(0.7 MHz·mm)下，A0頻散嚴(yán)重；當(dāng)頻厚積增大到1.3 MHz·mm以后，S0頻散嚴(yán)重。因此需要在此區(qū)間內(nèi)選擇檢測頻率，分別使用90 kHz，100 kHz和120 kHz作為檢測頻率，此時3種頻率下兩種模式波長分別為27 mm(90 kHz，A0)，59.1 mm(90 kHz，S0)，24.3 mm(100 kHz，A0)，53.2 mm(100 kHz，S0)，20.3 mm(120 kHz，A0)，44.3 mm(120 kHz，S0)，經(jīng)測試后最終選擇最佳頻率120 kHz。

首先，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)電壓幅值為150 V，采樣頻率為3.125 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為2 000個，激發(fā)周期數(shù)為5。采集的典型時域信號(單通道激勵及多通道接收)如圖9所示，從中可以看到A0和S0檢測缺陷的直達(dá)波，A0和S0的左右邊界回波以及S0檢測到試件對側(cè)的端面回波。

圖9 采集的平板儲罐底板典型時域信號

采用全聚焦成像算法對上述蘭姆波檢測采集的信號進(jìn)行二維成像，其結(jié)果如圖10(a)所示，其中兩個黑色坐標(biāo)標(biāo)記為檢測到的缺陷信號，由于信號幅值比較微弱，需要對缺陷信號進(jìn)行加權(quán)疊加處理及邊界去除處理，處理后的圖像如圖10(b)所示。

圖10 平板儲罐底板試件缺陷成像結(jié)果

3.2.2 帶立板儲罐底板成像試驗(yàn)

因?yàn)榱鍟?yán)重吸收聲能量，故進(jìn)入到儲罐底板的超聲信號微弱，所以帶立板的儲罐底板缺陷檢測更加困難。筆者提出將傳感器進(jìn)行兩兩并聯(lián)，一次同時激發(fā)兩個晶片，以此來提高激發(fā)能量。并聯(lián)傳感器檢測帶立板儲罐底板的演示圖如圖11所示，并聯(lián)傳感器后采集的A掃圖像如圖12所示。

圖11 并聯(lián)傳感器檢測帶立板儲罐底板的演示圖

圖12 并聯(lián)傳感器后采集的帶立板儲罐底板A掃圖像

因?yàn)槿毕莼夭[藏在眾多波包中，所以需要對直達(dá)波包、邊界回波進(jìn)行削弱處理，……在圖12中，一激多收信號和自激自收信號中都存在線性關(guān)系，處理后可呈現(xiàn)缺陷影像，處理后的缺陷成像結(jié)果如圖13所示，可以看出，所提方法能夠檢測到預(yù)制的模擬缺陷。

圖13 帶立板儲罐底板缺陷成像結(jié)果(處理后)

4 結(jié)語

針對金屬儲罐底板非開罐缺陷檢測問題進(jìn)行蘭姆波全聚焦檢測技術(shù)研究，并開展檢測試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1) 開發(fā)的蘭姆波全聚焦檢測系統(tǒng)能夠檢測到儲罐底板中預(yù)制的腐蝕缺陷，算法有效可靠。

(2) 檢測數(shù)據(jù)中含有模擬試件端面回波和兩側(cè)界面回波等干擾信號，可依據(jù)模擬試件參數(shù)分離去除。

(3) 利用所開發(fā)的軟件能夠?qū)Ωg缺陷進(jìn)行定位，但未能實(shí)現(xiàn)缺陷定量分析。