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核电主管道窄间隙焊缝相控阵超声检测聚焦方式的讨论

2025-07-19 63 上传者：管理员

摘要：超声相控阵聚焦技术能增强信噪比，其聚焦方式和距离会影响声束能量的分布，进而影响检测效果。本研究通过CIVA仿真软件对比分析不同聚焦方式及聚焦距离下的奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测成像效果。研究表明：投影聚焦用于检测焊缝上下缺陷时，声压分布均匀、灵敏度一致，综合性能出色；在检测主管道焊缝时，聚焦距离应当等于或稍大于缺陷距离。

关键词：
奥氏体不锈钢
相控阵超声检测
窄间隙焊缝
聚焦方式优化
超声检测成像
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核电主管道采用奥氏体不锈钢材质进行锻造,其焊缝属于窄间隙焊缝,焊缝宽度较小｡相控阵超声检测技术应用于核电主管道窄间隙检测时,具有诸多优势[1-2]:可大幅提升检测效率,快速成像获取数据以满足时效要求;对复杂结构具有良好适应性,借助电子控制完成有效检测;能够实现高缺陷检出率,有力保障主管道质量安全;所成图像直观准确,有效降低误判风险;无辐射危害,操作安全可靠;检测数据可追溯,利于长期监测与质量跟踪｡然而,奥氏体不锈钢焊缝复杂的微观组织结构和显著的各向异性特征使得超声波在传播时,波速发生偏离且散射现象突出[3-5]｡这种特性给无损检测带来巨大挑战,严重影响缺陷的探测精度(包括准确识别缺陷的存在､精确判定其位置以及精准测量其尺寸)｡

超声相控阵聚焦技术由于可控制声束灵活聚焦,能极大地提高检测信噪比[6]｡然而,由于奥氏体不锈钢的特殊性质以及主管道焊缝的窄间隙结构,常用的真实深度聚焦和半声程聚焦无法满足检测需求｡在超声相控阵系统中,聚焦方式决定了声束能量的分布,直接影响聚焦效果从而影响检测效果｡对于各向异性材料而言,聚焦距离的设置也会对检测结果造成一定的影响｡因此,本研究采用CIVA仿真软件,建立奥氏体不锈钢主管道焊缝模型,模拟不同聚焦方式及聚焦距离下的相控阵超声检测效果,从而研究投影聚焦在核电主管道窄间隙中的可行性｡

1、仿真模型建立及聚焦参数设置

1.1仿真模型建立及聚焦方式设置

根据试验获得奥氏体不锈钢的纵波声速､刚度矩阵､声衰减系数等,在CIVA仿真平台材料界面设置相关参数如下:纵波声速为5676m/s,奥氏体不锈钢的初始弹性矩阵设置为C11:241000MPa､C12:138000MPa､C44:112000MPa｡根据设置的取向角CIVA仿真软件可自动计算该方向下的弹性矩阵:通过EBSD图谱测量的晶粒分布和晶粒度设置相应晶粒取向的欧拉角和焊缝及母材区域的平均晶粒尺寸｡随后导入制作的三维CAD模型,赋予上述声学参数,即可建立奥氏体不锈钢主管道仿真模型｡

选择探头阵元排布为16×4,阵元尺寸为1.2mm×3mm,中心频率为2.25MHz的双晶探头,详细参数设置见DP102.25DM16×4-1.2×3.0LDB737｡设置楔块折射角为60°,屋顶角为4°｡

在主管道奥氏体不锈钢焊缝仿真模型上设置深度分别为20mm和56mm直径为φ3mm的横通孔,分别采用半声程聚焦､真实深度聚焦和投影聚焦三种聚焦方式进行检测模拟｡仿真模型如图1所示｡

1.2聚焦距离设置

对于声速各向异性的奥氏体不锈钢而言,实际焦点位置与预设焦点位置偏差较大,使聚焦效果变差并出现声束偏移现象,甚至得到假象｡因此,需要对不同聚焦距离下的相控阵检测结果进行比较和分析,了解聚焦距离对检测结果的影响,以优化奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测的聚焦法则选择｡

图1不同聚焦方式下的CIVA仿真模型设置图

在选定了最佳聚焦法则的基础上,对聚焦距离进行进一步优化:将楔块中心与横通孔水平距离固定为35mm,相控阵扇形扫查的角度范围设置为20°~70°,通过控制延迟法则,设置聚焦距离为10mm､20mm､30mm､35mm､40mm､50mm｡

1.3检测模拟结果评价

为了评价不同聚焦方式下相控阵超声检测的效果,统计CIVA仿真模拟下的定位及定量误差｡同时,为进一步评价成像能力,引入阵列性能指标(ArrayPerformanceIndicator,API)评价缺陷成像分辨力,API表示图像中缺陷的幅值下降一半处,即声能降低50%时,图像中缺陷回波的面积与检测波长平方之比,如公式(1)所示｡API值越小,图像分辨率越高｡

2、结果分析与讨论

2.1不同聚焦方式下检测模拟结果三种聚焦方式下的扇扫结果如图2所示,从图中可以看出:真实深度聚焦和半声程聚焦只能将声束聚焦在焊缝某一个深度,非聚焦位置检测效果较差,而投影聚焦则可将声束能量很好地集中在沿焊缝深度的方向,还可同时检测出焊缝上下位置的缺陷｡

统计不同聚焦方式下检测模拟结果的定位､定量误差及API见表1｡由于三种聚焦方式均可在深度56mm左右聚焦,且在深度56mm的侧钻孔定位､尺寸定量误差相近;投影聚焦方式沿焊缝深度方向聚焦,深度20mm的侧钻孔定位､尺寸定量误差最小｡与定位､定量误差相似,深度50mm的侧钻孔成像API相似,投影聚焦下深度20mm侧钻孔成像API最小,缺陷分辨力最佳｡

图2不同聚焦方式下检测模拟结果

2.2不同聚焦深度下检测模拟结果

鉴于投影聚焦方式于焊缝深度方向呈现出更为均匀的声压分布,且灵敏度一致性更佳,故而其更契合奥氏体不锈钢主管道窄间隙焊缝的相控阵超声检测｡基于此,针对最佳聚焦距离的优化均以投影聚焦为基础｡

图3为不同聚焦距离下的扇扫结果｡当聚焦距离为10mm及20mm时,聚焦距离偏小,焦点相较侧钻孔位置更远,致使缺陷回波受结构噪声与声速波动的影响显著,从而产生颇为明显的伪像,且定位和定量误差较大｡而聚焦距离为30mm､35mm以及40mm时,焦点与缺陷位置较为接近,因此成像效果良好,其中聚焦距离为40mm时,缺陷成像的拖影更小｡此现象主要归因于在各向异性材料中,因声速波动,实际焦点深度通常小于预设聚焦深度,且随深度增加差异增大,故而聚焦距离稍大于实际距离时,成像效果得以进一步提升,对比图3(d)和图3(e)中深度56mm的侧钻孔成像结果能够验证该分析｡当聚焦距离为35mm,即等同于实际距离时,噪声水平较低,这主要是由于声束近似聚焦于缺陷处,使得噪声幅值低于缺陷回波幅值,从而使噪声水平下降｡当聚焦距离进一步增大后,如图3(f)所示,聚焦距离为50mm时,成像效果降低｡综上所述,选择等于或稍大于缺陷距离的聚焦距离,有助于提升成像效果｡

图3不同聚焦距离下检测模拟结果

不同聚焦距离下侧钻孔的定位误差､尺寸定量误差和API对比见表2｡从表中可以看出,聚焦距离为35mm时,深度20mm侧钻孔定位误差最小,50mm时,深度56mm侧钻孔定位误差最小,原因是各向异性材料中声速波动致实际焦点深度小于预设且随深度差异变大,聚焦距离稍大时可提升成像效果;尺寸定量误差和API结果对比与定位误差相似｡当检测深度较小时,可选取与检测距离一致的聚焦距离,检测深度较大时,应适当提高聚焦距离,以提升成像能力｡

表2不同聚焦距离下检测模拟结果统计

3、结论

通过CIVA仿真软件,对不同聚焦方式及聚焦距离下的核电主管道窄间隙焊缝的相控阵超声检测成像效果进行对比分析,得出的主要研究结论如下:(1)明确了投影聚焦在检测焊缝上下缺陷方面的优势:声压分布均匀､灵敏度一致,综合性能优｡(2)在各向异性材料中,因声速波动,实际焦点深度常小于预设,聚焦距离稍大于实际距离可提升成像效果,故奥氏体不锈钢相控阵超声检测时,聚焦距离应等于或稍大于缺陷距离｡

参考文献:

[1]金浩然.圆柱类部件在线相控阵超声成像理论与技术的研究[D].浙江大学,2017.

[2]张健,金磊,胡文杰,等.奥氏体不锈钢管对接焊缝的相控阵超声检测[J].无损检测,2023,45(12):7-12.

[3]葛广林,姚建松,朱琪,等.核电主管道奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测[J].电力勘测设计,2023(12):10-16,28.

[4]郭彦辉,王岩,张晓峰,等.核电厂主管道窄间隙焊缝射线检验疑似线性缺陷分析[J].焊接,2024(2):74-80.

[5]张鹰,张延丰,雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究[J].无损检测,2006(3):119-122.

[6]赵天伟,林莉,张东辉,等.基于仿真优化的核电站主管道焊缝相控阵超声检测技术[J].无损探伤,2020,44(5):24-28.

文章来源:严宇,杨会敏,王俊龙,等.核电主管道窄间隙焊缝相控阵超声检测聚焦方式的讨论[J].无损探伤,2025,49(04):20-23.