水-钢界面凸面相控阵声场仿真

郭伟灿，钱盛杰，缪存坚

(1. 浙江省特种设备检验研究院，杭州 310020；2.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048)

水-钢界面凸面相控阵声场仿真

郭伟灿1，钱盛杰2，缪存坚1

(1. 浙江省特种设备检验研究院，杭州 310020；2.宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048)

采用凸面超声相控阵探头对管状设备进行内检测，针对水-钢二层介质的结构特征，理论分析了相控阵声场的聚焦性能。根据近场球面波束形成模型，按声束路径求得的延时时间作为各阵元的提前激发时间，设计了水-钢二层介质相控阵聚焦法则。利用CIVA软件对相控阵声场进行建模仿真研究，确定了阵元数目、阵元尺寸、超声波频率等相控阵探头参数。最后，根据优化后的相控阵参数研制了512大阵元数双层结构的圆环形探头，再通过带有人工缺陷的管状模拟试样进行检测试验。结果表明：提出的方法对腐蚀、气孔缺陷具有更好的检测灵敏度和效率，能够实现管状设备的腐蚀和埋藏缺陷的内检测。

管状设备；内检测；超声检测；相控阵；超声仿真

储气井和压力管道等管状设备通常是埋地和架空敷设，在外面对其进行检测十分困难。如何实现不搭脚手架、不拆保温层、不开挖地面的内检测，是对此类设备实行定期检验的关键。管状设备内检测常用的无损检测技术包括：针对铁磁性材料的漏磁通检测法、超声检测法、基于激光与红外等光源的成像和视频技术[1-3]。超声检测具有检测精度高、检测结果可定量、内外腐蚀可直接分辨、检测结果不受管材影响等优点[4-5]。笔者针对管状设备的结构特点，提出了圆柱形凸面相控阵检测技术，通过水浸耦合，使探头产生的声束能够覆盖整个管道的横截面积。针对凸面相控阵探头在水-钢二层介质中的结构特征，理论分析了相控阵声场的聚焦性能，并根据近场球面波束形成模型，以声束路径求得的延时时间作为各阵元的提前激发时间，设计了水-钢二层介质相控阵聚焦法则。在此基础上，利用CIVA软件对相控阵声场进行建模仿真研究，以波束的主瓣尖锐、较低的旁瓣、消除栅瓣等为相控阵探头的设计准则，对相控阵参数进行优化分析，根据优化后的相控阵参数研制了512大阵元圆柱形凸面相控阵探头，通过带有人工缺陷的管道模拟试样进行检测。结果表明：该方法对腐蚀、气孔具有更好的检测灵敏度和效率，能够实现管状设备的自动内检测，具有很大的应用潜力。

1 凸面超声相控阵内检测技术

采用圆环形凸面相控阵探头伸入管状设备内部进行检测，通过充水耦合，使圆环形探头产生的声束能够覆盖整个管道的横截面积。凸面相控阵检测原理示意如图1所示，以同时激发16个阵元为例，采用相控阵电子线扫描方式，先激发第1～16阵元组，形成在钢中聚焦点1的聚焦声束；完成扫描后以同样的聚焦法则激发第2～17阵元组， 形成在钢中聚焦点2的聚焦声束；依此类推，直到完成整个圆周向的电子线扫描[6-7]。

图1 凸面相控阵检测原理示意

(1)

式中:c1为超声在钢中的声速；c2为超声在水中的声速。

图2 相控阵延时时间简易计算模型

在图2所示的平面坐标中，相控阵探头通过延时发射，使得原半径为R的凸面阵元，形成为曲率半径为F(AD段长度)的凹面新波阵面，由此可以求得第m号阵元的延时时间τm，设AC段长度为LAC。

(2)

同样可以求得第m-1号阵元的延时时间τm-1为：

(3)

用同样方法可以求得第m-2、m-3、…、-m号阵元的延时时间τm-2、τm-3、…、τ-m，形成聚焦法则激发第m至-m阵元组，完成扫描后以同样的聚焦法则激发第m-1至-(m+1)阵元组，依此类推，直到完成整个圆周向的电子线扫描。

图3 检测工作原理示意

检测工作原理示意如图3所示：探头激发的超声脉冲从水中传播到达管壁，管道内外壁的脉冲回波经过水被探头接收，由此便可以对压力管道进行检测。实际上是采用超声测厚原理，超声波T1通过水介质沿径向入射到管道内壁，在水-钢界面会产生一个强的反射波即R1，该反射波为探头接收，形成水-钢界面回波B1；其余透射能量形成透射波T2继续前行，到达管道外壁，同样会产生一个反射波R2，此反射波又一次经钢/水界面透射至水中，被探头接收，形成外壁界面回波B2；由于钢中声速固定，壁厚减少，B1和B2回波之间的距离也随之减少，从而达到壁厚检测的目的。

2 凸面相控阵CIVA声场仿真

CIVA软件是一款能够实现超声检测仿真的商用计算软件，以往通过CIVA实例[8-9]对仿真可靠性进行了验证。笔者针对国内常用的规格(外径×厚度)为φ177.8 mm×10.36 mm的埋地高压储气井管状设备，利用CIVA软件建立相控阵模型并计算相控阵探头在工件内部形成的超声场，并对相控阵的不同激发阵元个数、阵元尺寸、频率等参数进行仿真。考虑到圆柱形凸面相控阵探头通过水浸耦合，为保证探头在管内的通过性能和第二次避免水-钢界面回波对检测的干扰，初步设计圆柱形凸面相控阵探头直径为φ130.4 mm，以512阵元数计算，阵元间距为0.8 mm。

2.1 激发阵元个数对聚焦性能的影响 根据图1的检测原理，初步选取频率为5 MHz、阵元宽度为0.7 mm、间距为0.8 mm、长度为10 mm、偏转角为0°的相控阵参数，焦点落在规格为φ177.8 mm×10.36 mm的储气井外壁，分别对4，8，16，32个激发阵元的声场聚焦性能进行仿真，激发阵元个数对聚焦性能的影响如图4所示。

图4 激发阵元个数对聚焦性能的影响

由图4可知：激发阵元个数越多，在焦点处的聚焦效果越好，但超声波在水中越容易产生栅瓣和旁瓣。针对5 MHz的检测频率，超声波在水中的波长仅为0.29 mm，而阵元间距为0.8 mm，约为波长的2.8倍，因此，激发阵元个数为32时，即使声束不偏转也会出现栅瓣；激发阵元个数为16时，在水中产生严重的旁瓣；激发阵元个数为8时，在水中产生一定程度的旁瓣；激发阵元个数为4时，只在水中产生轻微的旁瓣。考虑到凸面相控阵阵元偏转角度更大，为保证水中声场不出现严重的栅瓣和旁瓣，采用4～8个激发阵元较为合适，具体选择时根据工艺试验确定。

2.2 阵元尺寸对聚焦性能的影响 阵元尺寸包括阵元间距d、阵元宽度a、阵元长度L。其中对相控阵聚焦性能影响较大的是阵元间距d和阵元宽度a，通常情况下为了抑制旁瓣，应使阵元宽度a尽量接近阵元间距d。笔者针对阵元数N为8，12，16的不同激发阵元，对a为0.3 mm、d为0.4 mm，a为0.7 mm、d为0.8 mm，a为1.1 mm、d为1.2 mm的三组不同阵元尺寸条件进行CIVA声场仿真。不同阵元尺寸的CIVA声场仿真结果如图5所示。

由图5仿真结果可得： 在3组不同尺寸的相控阵列中，只有a为0.3 mm、d为0.4 mm阵元尺寸的相控阵列的超声波能够实现控制旁瓣和消除栅瓣的要求，其他两种阵元尺寸的相控阵列在激发阵元数不小于8时，在水中均不可避免地会产生较严重的旁瓣，甚至出现栅瓣。通过上述比较，为保证水中声场不出现严重的栅瓣和旁瓣，宜采用a为0.3 mm、d为0.4 mm的阵元尺寸。具体选择激发阵元数N时，应综合考虑超声波在水中和工件中的声场聚焦效果。虽然N为8时超声波在水中的聚焦效果较好，但在工件中的聚焦效果较差；在N为12，16时，超声波在工件中设定焦点处的聚焦效果较好，且在水中只产生轻微的旁瓣，因此激发阵元数宜选用12～16较为合适，具体选择时根据工艺试验确定。

2.3 检测频率对聚焦性能的影响

在超声相控阵参数设计时，超声波频率的选取至关重要。频率对超声检测的影响有多个方面。频率越高，相控阵探头的焦点越小，聚焦能力和分辨力提高，但容易产生旁瓣和栅瓣。

针对阵元宽度为0.7 mm、间距为0.8 mm、长度为10 mm、偏转角为0°的相控阵参数，阵元数为16、焦点落在φ177.8 mm×10.36 mm的储气井外壁，频率分别选取2.5，5，10 MHz进行仿真分析，不同频率的CIVA声场仿真结果如图6所示。

图5 不同阵元尺寸的CIVA声场仿真结果

图6 不同频率的CIVA声场仿真结果

从图6的仿真结果可以得出：单纯从水中聚焦效果和抑止旁瓣和栅瓣考虑，选择频率为2.5 MHz较为合适；选择频率为10 MHz时，在水中会不可避免地出现栅瓣；选择频率为5 MHz时，也会在水中产生不同程度的旁瓣，激发阵元数越多，旁瓣越严重。但频率为2.5 MHz的相控阵探头在工件中的聚焦能力较差，纵向和横向分辨力也较低，因此在选取频率时应综合考虑聚焦能力、分辨力和超声波衰减等多种因素，如果频率选取2.5 MHz，激发阵元数可适当多一些，如果频率选取5 MHz，为抑止水中声场的旁瓣，激发阵元数不宜超过8个。

3 检测过程

根据上述的CIVA仿真分析，为满足φ177.8 mm×10.36 mm的埋地高压储气井这类较大直径的管状设备全截面检测的要求，选择阵元尺寸a为0.3 mm、d为0.4 mm,能够实现控制旁瓣和消除栅瓣的要求。然而选择a为0.3 mm、d为0.4 mm阵元尺寸时，全截面检测需要1 024个阵元相控阵仪器，研发成本很高。而选择a为0.7 mm、d为0.8 mm阵元尺寸时，全截面检测只需要512个阵元相控阵仪器，研发成本大幅降低。笔者通过CIVA仿真分析得出，如果选取频率为5 MHz，在激发阵元数N为4的条件下的声场聚焦效果几乎与激发阵元数N为8的条件下，a为0.3 mm、d为0.4 mm阵元尺寸的声场相同，只是旁瓣稍严重一些。因此笔者采用512个阵元的圆周凸面超声相控阵检测技术，并委托汕头超声仪器研究所有限公司定制了512个阵元的相控阵模块和阵元宽度为0.7 mm、间距为0.8 mm、阵元长度为10 mm、频率为5 MHz的圆柱形相控阵探头装置，探头装置由4个128阵元的凸形探头组合而成，圆柱形相控阵探头装置和相控阵模块实物如图7所示。

图7 圆柱形相控阵探头装置和相控阵模块实物

图8 样管尺寸示意和实物

为验证提出的检测方法的可靠性，笔者加工了2个试验样管，样管尺寸示意和实物如图8所示。检测时将样管内充满水，将探头通过探头架放入水中进行检测，超声波通过水耦合进入工件中，再以反射波通过水回到探头中，探头组件和编码器用于采集信号输入，组合相控阵模块将采集信号转换成数字信号，并将数字信号传输至超声波检测仪。通过成像软件形成实时A扫描、B扫描、C扫描图像。如只需检测缺陷，则将信号门阀套在压力管道内部，检测并记录压力管道内部缺陷的位置信息和超声信息；如只需检测壁厚，则将门阀套住水-钢界面回波和管子外壁回波，并以回波的时间差(或距离)作为分析信号，并赋以一系列的颜色编码，以色彩方式显示管道壁厚值，可以通过在 C 扫描图上颜色的变化，显示整根管道的壁厚情况。

样管1缺陷检测的超声图像如图9所示，样管2检测壁厚得到的C扫描超声图像如图10所示。从图9，10的试验结果可以得出：该方法能够较为精确且有效地检测出缺陷的形状、尺寸和位置，并能显示管道内缺陷与腐蚀情况，例如图9中2号与3号探头检测到的缺陷分别距离外壁大约2 mm和4 mm，且缺陷环向位置也与实际情况相符；图10中C扫描厚度成像能清晰地显示腐蚀的位置和形状，对壁厚的测量误差在0.15 mm范围内。

图9 样管1缺陷检测的超声图像

图10 样管2检测壁厚得到的C扫描超声图像

4 结论

(1) 针对水-钢二层介质的管状设备凸面相控阵检测，采用CIVA软件的仿真分析可知，如果阵元间距大于0.8 mm，则在水中容易产生栅瓣和旁瓣，激发阵元个数越多，栅瓣和旁瓣效应越严重。因此，从消除栅瓣和抑止旁瓣的角度考虑，宜采用较小的阵元间距和较少的激发阵元个数。

(2) 通过CIVA仿真分析，针对规格为φ177.8 mm×10.36 mm的管状设备，采用512个阵元的圆周凸面超声相控阵检测技术，选择合适的相控阵参数，能够在水中消除栅瓣和抑止旁瓣，并在钢中获得较好的聚焦效果。

(3) 对带有人工缺陷的样管进行检测试验结果表明，提出的圆周凸面相控阵检测技术，能够较为精确且有效地检测出管状设备缺陷的形状、尺寸和位置，并能显示管道内缺陷。

[1] 杨理践，张国光，刘刚. 管道漏磁内检测技术[M].北京: 化学工业出版社, 2014.

[2] 刘慧芳，张鹏，周俊杰，等. 油气管道内腐蚀检测技术的现状与发展趋势[J]. 管道技术与设备, 2008 (5): 46-48.

[3] 李响. 管道视觉检测技术的研究[D].沈阳：沈阳工业大学, 2009.

[4] 肖雄. 换热管内旋转超声检测技术[J]. 压力容器, 2013, 30(9): 60-64.

[5] 赵晶. 管道腐蚀裂纹超声内检测信号处理研究[D].北京：北京化工大学, 2008.

[6] 郑晖，林树青. 超声检测[M].北京：新华出版社，2008.

[7] 施克仁，郭寓岷. 相控阵超声成像检测[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[8] 钱盛杰,郭伟灿.换热器管板角焊缝相控阵超声声场CIVA仿真和检测[J].无损检测，2015,37(1):11-15.

[9] 郭伟灿,钱盛杰.厚壁筒形件内表面径向缺陷检测的超声聚焦技术[J]. 无损检测， 2016,38(12):55-58,61.

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Convex Phased Array Simulation of Water-Steel Interface Acoustic Field

GUO Weican1, QIAN Shengjie2, MIAO Cunjian1

(1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Hangzhou 310020, China;2.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

The convex phased array probe was adopted in this paper for performing internal inspection of the tubular equipment. According to the structure characteristics of two layer medium, the paper theoretically analyzed the focusing performance of phased array acoustic field. Based on the model of near field spherical beam forming， the delay time can be obtained by the route of acoustic beam which can be used as stimulation time for each array elements. Phased array focusing law of the water-steel two layer medium is designed in this paper. The simulation on the phased array acoustic field with CIVA software is completed to determine the phased array probe parameters， including array elements， array element size， ultrasonic frequency and so on. At last，the double layer circular ring probe of 512 array elements is manufactured according to the phased array parameters which have been optimized，the test on tubular samples which contain artificial flaws is performed. Experiments indicate that this technique can detect the corrosion and the porosity flaw，with high sensitivity and efficiency. The corrosion and embedded flaws of the tubular equipment can be detected by internal inspection.

tubular equipment; internal inspection; ultrasonic testing; phased array; ultrasonic simulation

2016-08-23

浙江省质量技术监督系统科研计划资助项目(20160123)

郭伟灿(1968-)，男，博士，教授级高工，主要从事承压设备检验与无损检测工作

郭伟灿，gwcndt@126.com

10.11973/wsjc201705015

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0070-06