厚壁管道内部缺陷的超声柔性探头仿真分析＊

肖 琨 王 强 胡 栋 刘富君

（中国计量学院质量与安全工程学院1） 杭州 310018） （浙江省特种设备检验研究院2） 杭州 310018）

0 引 言

相控超声检测一般使用刚性探头，这种探头在制作和定位上相对较为容易，但对于弯头、喷头及管道等表面不平整的工件，只能使用楔块进行匹配.如果工件表面较为复杂，检测时往往需要很多的楔块匹配工件的不同部位，这种方法浪费了人力物力，增加了检测成本［1－5］.在刚性探头基础上发展起来的柔性探头则可以很好的与曲面工件匹配，从而提高缺陷的检出率.

目前，国外在柔性探头的研究上已经取得了一些成果.加拿大国家研究委员会（NRC）和麦吉尔大学在研究可应用在300℃高温环境下的柔性探头［6］.英国帝国理工学院开发了一种内部封装了液体的弹性膜结构的柔性传感器，目前已近取得了很好的效果［7］.法国IMASONIC 公司已经生产出了商业化的柔性探头.法国M2M 公司则推出了可以使用柔性探头进行探伤的超声检测仪.法国原子能委员会（CEA）开发出了CIVA 无损检测仿真软件，该软件集成了数据处理、成像及模拟工具，可以直接、方便地将实验数据和仿真结果进行对比［8－10］.法国原子能委员会在最优超声波阵列设计技术上也取得了很大的突破［11］.

厚壁管道等曲面形工件在核电等工业领域中有着广泛的应用，但目前该类型工件内部缺陷的无损检测，仍然是一个全球性的难题.本文基于CIVA 无损检测仿真软件，设计了24 阵元的1D柔性探头，并对探头的中心频率、阵元中心距及阵元宽度等关键性技术参数进行了优化，在CIVA无损检测仿真软件上，分别采用柔性探头和刚性探头对厚达72.3mm 的厚壁不锈钢管道的裂纹、分层及夹杂3种内部缺陷进行超声波无损检测，定性及定量的比较了2种探头检测结果的区别.

1 超声柔性探头原理

超声柔性探头工作原理见图1.柔性探头与刚性探头最主要的区别是柔性探头的各阵元可以相对滑动，阵列中各阵元保持相对独立，可视为一个个独立的小孔径探头［12］.柔性探头在检测中可以良好匹配被检工件表面，从而提高检测精度，提升其对不锈钢厚壁管道内部缺陷的检测能力.

图1 超声柔性探头工作原理图

2 超声柔性探头成像模型

假设柔性探头的阵元位置已知（实际检测中可以使用轮廓仪获得），根据回波信号以及延时求和规则就可以建立聚焦图像.其成像模型见图2.聚焦点f（x，z）的幅值可表示为［13］

式中：x，z为聚焦点坐标；m，n分别为发射及接受超声波波束的阵元索引号；e（t，um，vm）为回波数据；t为超声波在工件中的传播时间；um＝mΔu，un＝nΔu分别为发射及接受超声波波束的阵元与探头起点的距离；Δu为相邻2个阵元的中心距；c为超声波在工件中的传播速度；rm，rn为聚焦点（x，z）与发射及接收超声波波束阵元（Xm，Zm）和（Xn，Zn）的距离

其中：Xm＝X（um）和Zm＝Z（um）分别为发射及接受超声波波束阵元的坐标.

图2 超声柔性探头成像模型图

由于不锈钢材料内部粗晶颗粒产生的弱散射、缺陷产生的中等强度散射和底面产生的强散射三者的共同作用，f（x，z）存在一个很大的动态变化范围，因此有必要调整聚焦图像的幅值范围.可行的方法有：（1）参考幅值最高的信号、标准试块的校准信号或底面反射信号，将回波信号幅值建立在对数坐标系；（2）去掉一些幅值低于下限门槛值的信号.具体公式表示为

式中：fref为对数坐标系的参考幅值；imin＝20dB为下限门槛值.

3 工件及探头设置

本文仿真的厚壁管道外径932mm、壁厚72.3 mm［14］，材料为不锈钢，结构均匀，材料密度7.8 g／cm3，纵波声速5900m／s，横波声速3230m／s.

由于裂缝、分层和夹杂是管道中常见的缺陷形式，本文在管道内部设置有3处缺陷.缺陷从左至右分别为10mm×2mm、倾斜10°的横向裂纹，5mm×5mm 的分层缺陷和直径4 mm、内部为铝的夹杂缺陷，缺陷详细位置及尺寸见图3.

图3 工件及缺陷示意图

4 缺陷响应

本文设计的超声柔性探头模拟法国IMASONIC公司推出的TCI2－1.4x17 型1D柔性探头.该探头阵元数24，中心频率2 MHz，阵元节距1.4mm，阵元宽度17mm.本文设计的刚性探头参数与柔性探头相同，楔块折射角为55°.检测中采用机械扫查的方式，探头沿工件表面从左向右扫查100mm，步进1 mm，柔性探头和刚性探头的聚焦起点如图3所示；在CIVA 软件中刚性探头使用的楔块与工件的匹配可以使用Matched Connector的选项，使用这个选项之后，CIVA 会认为楔块与工件良好匹配.

本次仿真使用的聚焦方法为单点聚焦，柔性探头和刚性探头的2D 效果图见图4.

图4 柔性探头与刚性探头单点聚焦效果图

从图4可看出，柔性探头的聚焦效果远好于刚性探头.柔性探头几乎将能量全部集中到一个点上，而刚性探头由于楔块和工件表面微小缝隙的影响，很多的波束没有汇聚到期望的聚焦点上.

经过CIVA 仿真得到的A 扫描图像见图5.

图5 超声A 扫描图像

从图5可看出，对于横向裂纹，柔性探头可以在整个缺陷位置处获得缺陷响应，而刚性探头只能在缺陷的边缘处获得缺陷响应.柔性探头缺陷响应的中心位置为23mm，与预期25mm 相近；刚性探头分别在6mm 和19mm 获得了2处缺陷响应，与预期结果10，19mm 同样比较相近.

对于分层缺陷，柔性探头同样可以在整个缺陷位置处获得缺陷响应，而刚性探头只能在缺陷的边缘处获得缺陷响应.柔性探头缺陷响应的中心位置为50mm，与预期50mm 一致；刚性探头缺陷响应的位置为37～47mm，与预期结果37.5 mm、42.5mm 相近.

对于4mm 夹杂缺陷，柔性探头缺陷响应的位置为78mm，与预期75mm 相近，缺陷波的幅值大约为－13dB 可以很容易的识别出来；而刚性探头几乎不能检测到直径4mm 的夹杂缺陷.

根据图5所示，柔性探头和刚性探头相比，至少有2个优势：（1）可以在整个缺陷位置处获得缺陷响应信号；（2）可以较清晰的显示夹杂缺陷.

经过CIVA 仿真得到的B 扫描图像和缺陷在工件中显示的图像见图6～7.

图6 超声B扫描

图7 缺陷响应在工件中显示

CIVA 软件自动去掉了一部分没有缺陷响应的图像，因此图6显示的缺陷信号靠近B 扫描图像上部，缺陷的真实深度可以在图7中获得.从图6～7 可知，柔性探头不仅可以精确对缺陷定位（位置和深度），还可对缺陷进行定量（缺陷长度）及定性（缺陷类型）的表征，便于检测人员识别裂纹缺陷的长度甚至角度、分层缺陷的长度及夹杂缺陷的直径等信息.而刚性探头只能提供工件中存在缺陷的信息，难以获得其他信息，且刚性探头较难检测到4mm 的夹杂缺陷.

5 结 论

1）超声柔性探头可以在整个缺陷位置处获得有用信息，而刚性探头只能在缺陷边缘获得有用信息.

2）超声柔性探头检测直径4 mm 夹杂缺陷的性能优于刚性探头.

3）超声柔性探头在厚壁管道等曲面形工件的10mm×2 mm、倾斜的横向裂纹，5 mm×5 mm 的分层和直径4mm、内部为铝的夹杂缺陷的定位、定量及定性综合性能优于刚性探头.

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