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        熱電阻插入式平板角焊縫的全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)研究

        2023-04-29 00:44:03黃輝施方哲錢盛杰周常迪胡利晨
        化工機(jī)械 2023年2期
        關(guān)鍵詞:超聲檢測(cè)熱電阻

        黃輝 施方哲 錢盛杰 周常迪 胡利晨

        摘 要 利用全聚焦相控陣成像技術(shù)對(duì)熱電阻產(chǎn)品中的插入式平板角焊縫進(jìn)行了研究。利用CIVA軟件進(jìn)行典型缺陷的缺陷響應(yīng)分析,制定了無損檢測(cè)方法。經(jīng)插入式平板角焊縫的相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn),成功檢測(cè)出焊縫內(nèi)部的一處未熔合缺陷,并精確測(cè)得缺陷的尺寸。最后,總結(jié)了插入式平板角焊縫的全聚焦相控陣檢測(cè)方法。

        關(guān)鍵詞 插入式平板角焊縫 熱電阻 全聚焦相控陣 CIVA仿真 超聲檢測(cè)

        中圖分類號(hào) TQ050.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094(2023)02?0175?05

        溫度是過程控制系統(tǒng)中重要的被控變量之一。熱電阻是工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行溫度檢測(cè)最常用的元件之一,反應(yīng)快,時(shí)間間隔相對(duì)較小,具有較高的精度、較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,測(cè)溫范圍廣,可測(cè)特定部位或狹小場(chǎng)所的溫度,具有溫度調(diào)節(jié)、控制及放大等功能[1,2]。熱電阻傳感器是基于導(dǎo)體或者半導(dǎo)體電阻值隨溫度的變化而改變的特性進(jìn)行溫度測(cè)量的。其連接裝置可以形成密封腔,是現(xiàn)場(chǎng)安裝的重要部分。該連接裝置往往采用插入式平板結(jié)構(gòu),其焊接質(zhì)量是保證設(shè)備安全運(yùn)行、不發(fā)生泄漏的關(guān)鍵;因此,有必要進(jìn)行無損檢測(cè)。由于熱電阻的套管小,角焊縫尺寸也較小,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,常規(guī)超聲和射線技術(shù)難以實(shí)施埋藏缺陷的檢測(cè),因此僅采用滲透檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行表面缺陷的檢測(cè)。

        全聚焦相控陣技術(shù)是近年來隨著高速處理器發(fā)展而出現(xiàn)的一種基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的圖像后處理新技術(shù)[3]。全聚焦技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、聲場(chǎng)覆蓋范圍廣、圖像信噪比高及缺陷形狀畸變小等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此,筆者采用全聚焦相控陣成像技術(shù)對(duì)熱電阻產(chǎn)品中的插入式平板角焊縫進(jìn)行檢測(cè)研究。利用CIVA軟件的缺陷響應(yīng)模塊仿真了坡口未熔合、根部未焊透等埋藏缺陷。確定了現(xiàn)有相控陣探頭對(duì)于插入式平板角焊縫檢測(cè)的可行性,并制定檢測(cè)工藝。在仿真的基礎(chǔ)上,進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)研究,成功檢測(cè)出產(chǎn)品內(nèi)部的一處坡口未熔合缺陷,并精確測(cè)得缺陷埋藏深度和自身高度。

        1 插入式平板角焊縫的CIVA缺陷響應(yīng)研究

        CIVA軟件可用來設(shè)計(jì)或者優(yōu)化無損檢測(cè)方法,預(yù)測(cè)在實(shí)際無損探傷工作中的檢測(cè)能力[5,6]。筆者利用CIVA軟件進(jìn)行熱電阻中的插入式平板角焊縫結(jié)構(gòu)的缺陷響應(yīng)分析,分別討論了不同檢測(cè)模式下幾種典型缺陷的圖譜特征和缺陷測(cè)量,為進(jìn)一步開展此類產(chǎn)品的檢測(cè)試驗(yàn)奠定檢測(cè)工藝基礎(chǔ)。

        根據(jù)常見的熱電阻結(jié)構(gòu)尺寸,在CIVA仿真軟件中建立熱電阻結(jié)構(gòu)缺陷響應(yīng)模型,如圖1所示。仿真模擬全聚焦相控陣對(duì)插入式平板角焊縫內(nèi)部埋藏缺陷的響應(yīng)情況。該結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生的主要缺陷類型為未熔合和根部未焊透,因此在仿真模型中添加未焊透、未熔合等缺陷。坡口類型為K型,試板厚度為15.9 mm,坡口角度為單側(cè)30°。角焊縫坡口處設(shè)置1個(gè)上坡口未熔合缺陷F1:深度為5.0 mm,自身高度為2.0 mm;1個(gè)下坡口未熔合缺陷F2:深度為10.0 mm,自身高度為2.0 mm;角焊縫根部設(shè)置1處未焊透缺陷F3:深度為8.0 mm,自身高度為2.0 mm。其中,未熔合用面狀矩形代替,未焊透用球狀孔代替。

        利用全聚焦相控陣技術(shù)仿真的缺陷響應(yīng)圖譜如圖2所示。全聚焦相控陣TT模式(探頭發(fā)射的橫波與工件作用后產(chǎn)生反射橫波被探頭接收)可以較好地檢測(cè)出下坡口未熔合缺陷F2信號(hào)和根部未焊透缺陷F3信號(hào)。針對(duì)上坡口未熔合缺陷F1,僅得到上下兩個(gè)端點(diǎn)的衍射信號(hào)回波,且下尖端的回波信號(hào)比上尖端回波信號(hào)高約

        10 dB,不利于缺陷定性,如圖2a所示。針對(duì)下坡口未熔合缺陷F2,得到沿著坡口的面狀缺陷形貌,未熔合面上的回波信號(hào)連續(xù),未斷開,分布均勻,未熔合面的形貌與仿真模型中設(shè)置的未熔合缺陷基本一致,如圖2b所示。針對(duì)根部未焊透缺陷F3,在球狀孔的一側(cè)獲得較高的回波信號(hào),如圖2c所示。

        考慮到實(shí)際檢測(cè)過程中,探頭無法置于熱電阻的背面進(jìn)行檢測(cè),若存在上坡口未熔合缺陷,僅會(huì)得到如圖2a所示的缺陷信號(hào),與實(shí)際未熔合缺陷信號(hào)形貌差異較大,且因探頭靈敏度較低,容易漏檢。因此,筆者提出了全聚焦TTTT模式檢測(cè)法,將探頭移動(dòng)到一個(gè)合適的位置進(jìn)行檢測(cè)。所謂全聚焦TTTT模式,指的是橫波發(fā)射經(jīng)底面反射到缺陷處,再由缺陷反射經(jīng)底面被探頭接收,根據(jù)上述橫波傳播特征進(jìn)行計(jì)算即可得到TFM成像圖。利用全聚焦相控陣TTTT模式可以較好地檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷F1信號(hào),如圖3所示。

        根據(jù)上述仿真結(jié)果可得,全聚焦相控陣能直觀、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口未熔合和未焊透兩類缺陷的仿真成像,能實(shí)現(xiàn)缺陷的定位和定量。從缺陷的檢出情況和定性方面來分析,采用TT模式均可以檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷、下坡口未熔合缺陷和根部未焊透缺陷,TTTT模式可以根據(jù)圖譜特征輔助上坡口未熔合缺陷的定性,從而實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)在整個(gè)角焊縫的全覆蓋檢測(cè)。另一方面,采用TTTT模式也可以檢測(cè)出上坡口未熔合缺陷、下坡口未熔合缺陷和根部未焊透缺陷,但僅通過單一TTTT模式,難以實(shí)現(xiàn)下坡口未熔合缺陷的定性,需要輔以TT模式??傊?,聯(lián)合使用TT和TTTT模式,才能獲得全面的缺陷特征圖譜,從而更好地實(shí)現(xiàn)缺陷的定性。從缺陷定量方面來分析,根據(jù)上坡口未熔合上下兩個(gè)端點(diǎn)的衍射回波間距所測(cè)得的自身高度較為準(zhǔn)確,下坡口未熔合測(cè)得的缺陷自身高度略大于實(shí)際仿真尺寸,球孔狀未焊透的自身高度需要結(jié)合繞射波進(jìn)行測(cè)量較為準(zhǔn)確,否則會(huì)使缺陷定量變小。將上述3個(gè)缺陷的仿真情況總結(jié)于表1,缺陷的定量信息可由-6 dB法測(cè)量得到。

        2 熱電阻產(chǎn)品的超聲檢測(cè)試驗(yàn)

        熱電阻的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖分別如圖4所示。主體材料為316L SST;法蘭厚度為15.9 mm;角焊縫采用K型坡口,單側(cè)坡口角度為30°;實(shí)物圖背面存在4個(gè)深度為1 mm的槽。針對(duì)此類規(guī)格的插入式平板角焊縫,采用上文仿真中所述的方法進(jìn)行全聚焦相控陣超聲檢測(cè)。熱電阻主體材料有晶粒粗大的特性,使得超聲波有一定程度的衰減,而所用試板厚度較小,焊縫結(jié)構(gòu)也小,因此超聲波傳播聲程較小,其本身的衰減就比較小。此外,采用了基于全聚焦算法的相控陣檢測(cè),能得到更高的圖像信噪比,從而進(jìn)一步減弱了晶粒噪聲對(duì)缺陷信號(hào)的干擾。

        采用全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù),將探頭置于平板法蘭上并緊靠角焊縫。保持探頭不動(dòng),通過手工旋轉(zhuǎn)插入式接管,將編碼器置于法蘭側(cè)面,能在檢測(cè)儀器中得到清晰完整的C掃描圖像。

        圖5為全聚焦相控陣檢測(cè)圖譜,圖5a、b分別為全聚焦相控陣在熱電阻正面和背面檢測(cè)得到的圖譜。從圖中可以看出,全聚焦相控陣的界面左側(cè)為TFM成像圖,右側(cè)從上至下3幅圖分別為A掃、C掃(俯視圖)和D掃(側(cè)視圖)。正面檢測(cè)和背面檢測(cè)兩種方法均呈現(xiàn)出完整清晰的檢測(cè)圖像,對(duì)于背面4個(gè)槽、焊腳余高均呈現(xiàn)了較好的成像,與常規(guī)相控陣相比,全聚焦相控陣具有更高的檢測(cè)分辨率和信噪比,對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)回波的識(shí)別更具優(yōu)勢(shì)。正面檢測(cè)圖中4個(gè)深度為1 mm的槽成像清晰,其深度和位置經(jīng)測(cè)量與實(shí)際情況一致。背面檢測(cè)圖譜中,能清晰地識(shí)別出4個(gè)槽的結(jié)構(gòu)信號(hào),說明全聚焦相控陣的近表面盲區(qū)很小。

        從圖5中還可以發(fā)現(xiàn),利用全聚焦相控陣的TT模式,分別從正面和背面兩個(gè)方向檢測(cè)出了同一個(gè)缺陷信號(hào)。值得注意的是,采用TTTT模式會(huì)增大聲程,對(duì)缺陷的定量有一定的影響,建議在只能單面檢測(cè)時(shí)使用該方法。通過對(duì)兩幅圖譜的分析,結(jié)合CIVA仿真研究結(jié)果,可判斷該缺陷性質(zhì)為坡口未熔合。從正面進(jìn)行檢測(cè),由于該缺陷處于K型坡口的上部,角度為70°附近的聲束可以探測(cè)到該缺陷,因此TT模式檢測(cè)出了兩個(gè)上下端點(diǎn)信號(hào),且下端點(diǎn)信號(hào)靈敏度高于上端點(diǎn)的,這與CIVA仿真的結(jié)果基本一致。從背面進(jìn)行檢測(cè),角度為45°附近的聲束可以探測(cè)到該缺陷,因此TT模式檢測(cè)到了沿著坡口的面狀缺陷信號(hào)。通過TFM成像圖和D掃描成像圖可確定該缺陷深度為4.5 mm,通過C和D掃描成像圖可以看出該熱電阻角焊縫存在多處未熔合缺陷信號(hào),其中較大一處缺陷的自身高度為1.6 mm,長(zhǎng)度為78.0 mm。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        筆者所述檢測(cè)方法是根據(jù)插入式平板角焊縫的結(jié)構(gòu)特性,在仿真條件下制定專用檢測(cè)工藝,包括缺陷定位、定量和圖譜特征,因此只適用于接管與平板的焊接接頭埋藏缺陷的無損檢測(cè)。采用全聚焦相控陣技術(shù)對(duì)熱電阻插入式平板角焊縫中的典型焊接缺陷進(jìn)行研究。結(jié)合CIVA仿真軟件制定的檢測(cè)方法,驗(yàn)證了全聚焦相控陣技術(shù)對(duì)于此類特殊結(jié)構(gòu)的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。研究情況總結(jié)如下:

        a. 利用CIVA軟件建立聲學(xué)模型,并設(shè)置常見的人工缺陷,可以制定熱電阻插入式平板角焊縫的超聲檢測(cè)方法。

        b. 全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可通過不同的檢測(cè)模式(TT模式/TTTT模式)獲得不同朝向位置的缺陷信號(hào),有利于缺陷的定性。

        c. 全聚焦相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)成功檢測(cè)出熱電阻插入式平板角焊縫中的未熔合缺陷,并能進(jìn)行精確的定位和定量。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1] 郭孝玲.熱電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)的比較與使用[J].中國(guó)金屬通報(bào),2018(7):207;209.

        [2] 周鵬程,王志.基于鉑電阻多測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2019,38(6):158-160.

        [3] 楊貴德,詹紅慶,陳偉,等.相控陣三維全聚焦成像檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè),2018,40(5):64-67.

        [4] 強(qiáng)天鵬,楊貴德,杜南開,等.全聚焦相控陣技術(shù)聲場(chǎng)特性初探[J].無損檢測(cè),2020,42(1):1-6.

        [5]? GUO W C,QIAN S J,LING Z W,et al.Research on phased array ultrasonic technique for testing tube to tube?sheet welds of heat exchanger[C]//Proceedings of the ASME 2016 Pressure Vessels & Piping Conference.2016:1-5.

        [6]? FOUCHER F,F(xiàn)ERNANDEZ R.New applications of the NDT simulation platform CIVA[C]//Singapore International NDT Conference & Exhibition.2013:19-20.

        (收稿日期:2022-03-11,修回日期:2023-03-30)

        基金項(xiàng)目:浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(20170143);浙江省市場(chǎng)監(jiān)督管理局雛鷹計(jì)劃培育項(xiàng)目(CY2022219,CY2022225)。

        作者簡(jiǎn)介:黃輝(1984-),高級(jí)工程師,從事承壓設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)與科研工作,huanghuidh@163.com。

        引用本文:黃輝,施方哲,錢盛杰,等.熱電阻插入式平板角焊縫的全聚焦相控陣檢測(cè)技術(shù)研究[J].化工機(jī)械,2023,50(2):175-178;231.

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