駱 琦，孔 傲，李雁南，王 黎，蔡慶生

（廣州多浦樂電子科技股份有限公司，廣州 510700）

0 引言

管座角焊縫是一種常見結(jié)構(gòu)，在鍋爐設(shè)備、核電管道、石油管道等領(lǐng)域中均有大量使用［1］。由于該結(jié)構(gòu)容易形成應(yīng)力集中，如果存在焊接缺陷，在使用過程中就極易發(fā)生擴(kuò)展而導(dǎo)致焊縫開裂失效。因此在使用時，需要對管座角焊縫內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測。

在實(shí)際檢測過程中，由于管座角焊縫的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，管座角焊縫外表面相對于支管是一個曲面，該表面結(jié)構(gòu)會在相控陣圖譜中產(chǎn)生反射信號，且其位置不斷變化，嚴(yán)重影響缺陷的評定［2］。采用常規(guī)超聲相控陣檢測方法很難準(zhǔn)確、有效地對其進(jìn)行無損檢測，無法準(zhǔn)確地確定缺陷的位置。近年來，超聲相控陣技術(shù)在管座角焊縫檢測領(lǐng)域取得了顯著的研究成果。諸多學(xué)者在該領(lǐng)域開展了深入的研究，提出了一系列具有創(chuàng)新性和實(shí)用性的方法。張義磊等［3］探究了相控陣技術(shù)在插入式管座角焊縫檢測中各類缺陷的識別方法。錢盛杰等［4］提出了一種將柔性相控陣探頭置于管子內(nèi)壁進(jìn)行水浸檢測的新方法，理論分析了水鋼界面凸面相控陣聲場的波束聚焦模型，同時利用CIVA 軟件對柔性相控陣所激發(fā)的聚焦聲束進(jìn)行了仿真，并在插入式管座角焊縫模型中添加常見的典型缺陷，得到缺陷響應(yīng)圖譜。祁玲敏等［5］分別用相控陣超聲檢測、常規(guī)超聲檢測和射線檢測這3 種方法對小徑管座角焊縫模擬試塊的缺陷尺寸進(jìn)行評定，表明相控陣超聲檢測是小徑管座角焊縫缺陷檢測的最佳選擇。羅萬光等［6］基于超聲相控陣的原理對集箱管座角焊縫缺陷檢測的可行性進(jìn)行分析并通過試驗(yàn)加以論證。王杜等［7］開發(fā)了一套插入式管座角焊縫超聲波機(jī)械掃查裝置。夏舞艷等［8］研究了將相控陣技術(shù)用于安放式和插入式管座焊縫的檢測并對相控陣檢測技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行說明。Byung－Sik Yoon 等［9－10］研究了相控陣超聲在核電管座角焊縫檢測的應(yīng)用。Xu Qian 等［11］研究了TFM 在管座角焊縫檢測中的應(yīng)用。

另外，支管插入部分的端頭容易產(chǎn)生端角反射，會給正常缺陷的檢測分析帶來干擾，容易導(dǎo)致漏檢和誤檢。因此，對于管座角焊縫的超聲相控陣無損檢測來說，如何準(zhǔn)確地判斷缺陷的位置，以及區(qū)分哪些是真實(shí)缺陷、哪些是端角反射一直是無損檢測的一個難點(diǎn)?，F(xiàn)有的方法通過CIVA 模擬仿真軟件對管座角焊縫相控陣超聲檢測進(jìn)行優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，指導(dǎo)實(shí)際檢測工作［12－20］，這種方式不利于集成到儀器軟件中，不便于實(shí)時檢測過程中進(jìn)行缺陷分析。模擬或仿真的方法會存在一定的誤差，誤差還是會導(dǎo)致誤判的可能。模擬和仿真的過程需要事先進(jìn)行準(zhǔn)備，工作量比較大，且效果較好的仿真軟件價格非常昂貴，因此，本文提出了一種高效簡便的超聲相控陣管角焊縫檢測方法。

1 問題描述

1.1 存在的問題

管座角焊縫是指在兩個或多個金屬管道交接的位置進(jìn)行焊接的區(qū)域，焊縫位于兩個管道的接口處。其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示，從圖中可以看出，掃查截面和支管內(nèi)外壁及焊接區(qū)域的交線是較為復(fù)雜的曲線，且不同截面曲線的形態(tài)各不相同。在進(jìn)行超聲檢測時，這些不規(guī)則曲線對應(yīng)的結(jié)構(gòu)有時會產(chǎn)生反射回波，干擾正常缺陷的分析。另外，由于結(jié)構(gòu)的曲線不規(guī)則且在不同的掃查截面動態(tài)變化，導(dǎo)致檢測人員無法準(zhǔn)確區(qū)分結(jié)構(gòu)回波和真實(shí)缺陷回波，給缺陷分析帶來了非常大的困擾。

圖1 管座角焊縫剖面

管座角焊縫廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，如石油、化工、核能、航空航天等行業(yè)，用于連接輸送介質(zhì)的管道系統(tǒng)。管座角焊縫的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，通常要求焊縫表面光滑，無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，以確保焊接接頭的強(qiáng)度和密封性。

1.2 定義掃查方式

為了獲取后續(xù)幾何分析所需要的數(shù)據(jù)，需要按以下掃查方式設(shè)置掃查架和進(jìn)行掃查。

掃查架采用兩軸掃查方式：一軸是旋轉(zhuǎn)軸，通過固定在支管上的軌道控制探頭在母管上繞支管中軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；另一軸是水平軸，水平軸的一端連接到旋轉(zhuǎn)軸，另一端通過支臂連接到探頭，通過移動支臂在水平軸上的位置可以控制母管上探頭離支管外表面的距離。掃查過程中探頭始終朝向支管的中軸線，即掃查斷面始終經(jīng)過支管的中軸線。掃查方式如圖2 所示。

圖2 掃查方式示意圖

1.3 定義參數(shù)

如圖3 所示，橫著擺放的是母管，支管從上方插入母管。支管可以直插，也可以斜插。定義參數(shù)如下：母管壁厚為H；母管外半徑為R；支管壁厚為h；支管外半徑為r；探頭繞支管中軸線旋轉(zhuǎn)角度為θ；探頭離支管外表面距離為d；母管和支管焊接夾角為α。其中探頭繞支管中軸線旋轉(zhuǎn)角度θ通過掃查軸的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行記錄，當(dāng)探頭位于母管中軸線和支管中軸線所在平面且在支管左側(cè)時，θ＝0°。探頭按逆時針方向繞支管中軸線旋轉(zhuǎn)。探頭離支管外表面距離d通過掃查軸的水平軸進(jìn)行記錄。

圖3 參數(shù)定義示意圖

焊接弧區(qū)域可以近似成圓弧的一部分。母管外壁和支管外壁交接區(qū)域?yàn)橥饨訄A弧，定義外接焊接弧半徑：WOR。母管內(nèi)壁和支管內(nèi)壁交接區(qū)域?yàn)閮?nèi)接圓弧，定義內(nèi)接焊接弧半徑：WIR。如圖4 所示。

圖4 焊接弧參數(shù)定義

2 計(jì)算管座相貫線解析方程

2.1 在當(dāng)前掃查斷面建立平面中心直角坐標(biāo)系

當(dāng)前掃查斷面指探頭位置所在的點(diǎn)和支管中軸線組成的平面。以支管的中軸線為y 軸，支管中軸線和母管中軸線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)為點(diǎn)O，在當(dāng)前掃查斷面建立平面中心直角坐標(biāo)系。

2.2 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和母管外壁的交線方程

假設(shè)掃查斷面和母管外壁的交線上一點(diǎn)A 的坐標(biāo)（x，y），該問題即為求x，y滿足關(guān)系的方程，為了求解該方程，先做以下輔助平面和輔助線：過母管中軸線和支管中軸線做平面M；過母管中軸線做垂直于平面M 的平面N；在當(dāng)前掃查斷面L過點(diǎn)A（x，y）做平行于y軸的直線l0，l0交x軸于點(diǎn)A′，l0交平面N 于點(diǎn)A″；在平面M中過坐標(biāo)原點(diǎn)做垂直于y軸的直線l1，過點(diǎn)A′做直線l2垂直于l1，l2和l1相交于點(diǎn)B′；在平面M過B′做直線l3垂直于l1，l3交平面N于點(diǎn)B″，連接點(diǎn)A″和點(diǎn)B″。輔助平面和輔助線示意圖如圖5 所示。

通過對該輔助線進(jìn)行分析，可以得到以下關(guān)系：因?yàn)閥軸垂直于x軸，y 軸垂直于OB′，所以y 軸垂直于平面A′OB′，在平面M中，B′B″平行于y軸，所以B′B″垂直于平面A′OB′，B′B″垂直于A′B′。B′B″垂直于A′B′，又因?yàn)锳′B′垂直于OB′，所以A′B′垂直于平面M。因?yàn)槠矫鍺 垂直于平面M，A′B′垂直于平面M，所以A′B′平行于平面N。在平面M 中，B′B″平行于y軸，在平面L中，AA′平行于y軸，所以B′B″平行于AA′，B″B′A′A″構(gòu)成平面四邊形。因?yàn)锳′B′平行于平面N，A″和B″在平面N上，所以A′B′平行于A″B″，B″B′A′A″是平行四邊形。

2.3 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和母管內(nèi)壁的交線方程

前面同2.2 節(jié)分析，可知掃查斷面和母管內(nèi)壁的交線方程：

2.4 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和支管外壁的交線方程

由于掃查斷面經(jīng)過支管中軸線，可知掃查斷面和支管外壁的交線為平行于y軸的直線，該直線方程為：

2.5 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和支管內(nèi)壁的交線方程

同2.4 節(jié)分析，可知掃查斷面和支管內(nèi)壁的交線方程為：

2.6 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和外壁焊縫表面的交線方程

因?yàn)橥獗诤缚p表面是圓弧的一部分，設(shè)圓的中心點(diǎn)坐標(biāo)為（Rx，Ry），因半徑為WOR，則其交線方程為：

求解該交線方程的關(guān)鍵在于計(jì)算坐標(biāo)（Rx，Ry），其思路是有限元分析法，在方程上分析從x ＝r 開始，x 依次步進(jìn)（WOR／100）長度的每一個點(diǎn)P（Px，Py），從點(diǎn)P做WOR為半徑的圓和方程（1）相切，計(jì)算此時的（Rx，Ry）。

因?yàn)辄c(diǎn)P在方程（1）上，已知Px，代入方程（2），可計(jì)算出Py和此時P點(diǎn)切線的傾斜角k，因?yàn)閳A和方程（1）的曲線相切，所以圓在P 點(diǎn)切線的傾斜角也是k，可知，此時：

當(dāng)Rx≥r ＋WOR時，此時的P點(diǎn)就是圓和方程（1）切點(diǎn)，此時的（Rx，Ry）就是外壁焊縫表面外接圓的中心點(diǎn)。

2.7 計(jì)算中心直角坐標(biāo)系下掃查斷面和內(nèi)壁焊縫表面的交線方程

分析同2.6 節(jié)，掃查斷面和內(nèi)壁焊縫表面的交線方程為方程：

3 相貫線繪制

得到了相貫線的方程后，還需將相貫線繪制到成像視圖上才能更好地輔助檢測工程師進(jìn)行缺陷分析。由于相貫線存在于掃查截面，在S 掃成像視圖上對應(yīng)的位置繪制相關(guān)線參考。

繪制方式如下：根據(jù)成像范圍要求，計(jì)算出每一段相貫線繪制的x 范圍，然后根據(jù)設(shè)定的取點(diǎn)步長，從最小x開始，依次增加步長，得到相應(yīng)點(diǎn)的y 值，并將這些點(diǎn)連起來，得到相貫線成像。

以掃查斷面和母管外壁的相貫線繪制為例。該相貫線段對應(yīng)的方程為式（1），假設(shè)計(jì)算出該斷需成像的x范圍為x1x2，假設(shè)成像步進(jìn)為0.1 mm。則共需計(jì)算出（x2－x1）／ 0.1 共n個點(diǎn)。第一個點(diǎn)的x值為x1，將x1代入式（1）得到第一個點(diǎn)的y值。第二個點(diǎn)的x值為（x1＋0.1），將該值代入到式（1），得到第二個點(diǎn)的y 值。依次計(jì)算，第n個點(diǎn)的x值是［x1＋0.1×（n－1）］，將該值代入到式（1）得到第n個點(diǎn)的y值。在二維平面成像視圖中，將這n個點(diǎn)的坐標(biāo)依次用線段連起來即得到該相貫線段對應(yīng)的圖像，當(dāng)成像步長越小，成像就會越細(xì)膩過度越自然。

圖6 中兩條紅色的曲線是基于上述方法繪制出的相關(guān)線。該相貫線疊加在S 掃視圖上，可以直觀地作為缺陷相對位置和結(jié)構(gòu)回波信號的參考。

圖6 相貫線示意

4 實(shí)驗(yàn)分析

搭建環(huán)境，定制管座角焊縫試塊，內(nèi)置人工缺陷。儀器、探頭、掃查架均使用某公司的產(chǎn)品。儀器型號為Robust32－128 板卡，掃查架型號為MOS07，探頭型號為D2－5L32－0.5X10，楔塊型號為SD2－N55S－H。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

借助本文算法在S 掃成像視圖繪制的相貫線，可以很直觀地看出結(jié)構(gòu)回波的干擾，如圖8 所示，結(jié)構(gòu)回波緊靠相貫線且和相貫線的走勢一致。

圖8 結(jié)構(gòu)回

圖9顯示了真實(shí)缺陷的情況，該真實(shí)缺陷位于母管上，接近母管和支管交接位置，深度在母管壁厚一半的位置。

圖9 真實(shí)缺陷

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種超聲相控陣管座角焊縫檢測方法，使用兩軸掃查裝置對管座角焊縫進(jìn)行檢測，并通過幾何分析的方式，得到了該掃查方案下不同掃查斷面的管座角焊縫相貫線曲線方程。通過設(shè)定相關(guān)的工件參數(shù)和掃查參數(shù)，即可計(jì)算出相應(yīng)的方程。得到相貫線方程后，使用成像算法在超聲相控陣S 掃視圖中根據(jù)該方程繪制出對應(yīng)的相貫線曲線，該曲線即可作為工件輪廓的參考。

通過實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法計(jì)算出來的相貫線和實(shí)際情況匹配，從S 掃成像中可以清晰看出緊靠相貫線且和相貫線走勢一致的結(jié)構(gòu)回波信號。

該方法無需事先仿真，計(jì)算時間短。這種幾何計(jì)算的方式可以轉(zhuǎn)化成程序?qū)崿F(xiàn)，無縫集成到超聲相控陣無損檢測儀器中，在S掃視圖中根據(jù)曲線方程繪制對應(yīng)的相貫線，滿足實(shí)時檢測和分析管座角焊縫缺陷的需求。該方法可通過純幾何計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)，計(jì)算精度高，無需借助仿真軟件，節(jié)省使用成本。