CN116183726A - 一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及*** - Google Patents

一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及*** Download PDF

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CN116183726A CN202310150023.XA CN202310150023A CN116183726A CN 116183726 A CN116183726 A CN 116183726A CN 202310150023 A CN202310150023 A CN 202310150023A CN 116183726 A CN116183726 A CN 116183726A
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齐高君
杜传国
岳大庆
焦敬品
李晨旭
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Beijing University of Technology
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Shandong Mechanical Engineering Testing Co
Beijing University of Technology
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Abstract

本发明提供了一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及***，所述方法包括：建立多模式超声缺陷响应模型；获取不锈钢材料的相关参数，相关参数具体包括：不锈钢材料参数、声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；计算不同模式超声缺陷响应空间分布，将缺陷响应模型引入阵列信号中，计算所有位置的缺陷响应幅值叠加结果，构成超声缺陷响应的空间分布图；计算评价参数。本发明通过该模型实现了在不同模式波传播过程中对检测区域任意位置处缺陷响应的准确计算，并构建完整的缺陷响应空间分布。进一步利用不同模式超声波缺陷响应空间分布的均值与变异系数对不同模式超声波检测能力进行评价。

Description

一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及***
技术领域
本发明涉及无损检测领域，尤其是涉及一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及***。
背景技术
奥氏体不锈钢具有良好的塑性、韧性、耐腐蚀性、抗氧化性和无磁性等特点。因此在核电、锅炉、油气田建设中，奥氏体不锈钢小径管常作为主要输送介质管道，广泛应用在注水管线、高压泥浆管线以及导气管线。由于大部分小径管都是带压运行，且服役过程中受外载荷及环境(如高温、高压或腐蚀)影响，奥氏体不锈钢小径管焊缝中容易产生夹渣、夹杂物、未焊透、未融合、气孔和裂纹等缺陷，严重影响工业现场的安全运行。
在工业无损检测领域中，超声相控阵检测技术通过计算机控制换能器阵列各阵元激励脉冲信号的延迟时间，实现波束在空间中的偏转和聚焦，使聚焦区域能量提升，有利于复杂结构件(如焊缝)的检测。利用该方法对有限尺寸试件进行检测时，超声波会在其结构界面处发生多次反射和波型转换，使得检测信号波形复杂，增加了信号分析的难度。而多模式超声检测方法能够更好的利用信号中所蕴含丰富的缺陷信息，因此国内外学者通过多模式复合成像来提高超声相控阵的缺陷检测能力。由于受超声波扩散衰减等因素的影响，不同模式超声波对缺陷的检测水平不同，且同一模式超声波对不同空间位置的缺陷的检测能力亦存在差异。因此在多模式复合成像之前，需要了解不同模式超声波对不同空间位置缺陷的检测能力。
中国发明专利名称：一种螺柱焊质量的超声波评价方法，专利号：CN115060804A，公开了一种螺柱焊质量的超声波评价方法，包括：步骤1、制作对比试块；骤2、检测探头频率的选择；步骤3、水距的调整；步骤4、检测灵敏度的调整；步骤5、扫查及扫查间距的设置；步骤6、螺柱焊质量的评价。本发明采用高频窄声束超声波水浸检测，可有效的评价板材厚度大于0.5mm上所焊接螺柱的质量，并且采用无损的方式对从焊和率和焊接区域是否有内部缺陷两个方面，通过成像的方式直观的进行评价。
现有的不同模式超声波检测能力评价方法对于小径管焊缝结构分析存在很大局限性，如未考虑模式转换、未考虑具体被测材料、计算效率低、需要已知缺陷等。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法及***，本发明考虑超声波通过楔块斜入射到奥氏体不锈钢小径管焊缝中传播的模态、传播路径、扩散衰减、缺陷散射等情况下建立了一种缺陷响应模型，通过该模型可以快速估计给定实验条件下不同模式超声波缺陷响应的空间分布，并从空间分布中提取量化参数，实现对该模式超声波缺陷检测能力的评价。
本发明采用的技术方案如下：
一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，具体包括如下步骤：
建立多模式超声缺陷响应模型；
获取实验及材料的相关参数，相关参数具体包括：超声相控阵检测***参数、楔块材料与尺寸参数、不锈钢材料与尺寸参数；
获取超声波在实验条件下传播的相关参数，相关参数具体包括：声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；
计算不同模式超声缺陷响应空间分布，将缺陷响应模型引入阵列信号中，计算所有位置的缺陷响应幅值叠加结果，构成超声缺陷响应的空间分布图；
计算评价参数，所述评价参数包括：缺陷响应的平均值和变异系数，平均值越大说明相同缺陷的成像幅值越高；变异系数越大说明检测受空间位置影响越大。
一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价***，包括：
模型建立模块，用于建立多模式超声缺陷响应模型；
参数获取模块，用于获取材料及传播过程的相关参数，相关参数具体包括：实验***参数、不锈钢材料参数、楔块材料参数、声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；
计算单元，用于计算不同模式下超声缺陷响应空间分布和评价参数。
本发明的有益效果为：本发明构造了多模式超声缺陷响应模型，通过计算不锈钢材料中不同模式传播过程的参数，能够单独分析某一特定模式超声波与缺陷的响应；利用超声波缺陷响应模型能够准确预测不同模式波缺陷响应空间分布，并根据空间分布图所提取出的均值与空间变异系数实现对小径管焊缝中不同模式超声波检测能力的评价。
附图说明
图1为本发明不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法流程图；
图2为超声多次反射传播路径示意图；
图3为不同模式超声波的传播示意图；
图4为直径为0.001mm圆孔形缺陷散射系数图；
图5为30阵元激励31阵元接收的时域波形对比图；
图6为不同模式波缺陷响应空间分布图；
图7为不同模式波缺陷响应空间分布特征参数图；
图8为不同模式波缺陷响应空间分布箱线图；
图9为本发明不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
如图1所示，本发明提供了一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，具体包括：
S1、建立多模式超声缺陷响应模型，超声检测过程中主要包含激励、缺陷处的散射、接收三部分，超声检测信号可以简化表示为：
Figure BDA0004090443160000031
Figure BDA0004090443160000032
其中U(ω)为激励信号；
Figure BDA0004090443160000041
为缺陷位置；/>
Figure BDA0004090443160000042
表示缺陷处的散射系数；/>
Figure BDA0004090443160000043
为检测路径上的时间。/>
Figure BDA0004090443160000044
和/>
Figure BDA0004090443160000045
分别表示第i阵元激励的传播过程和第j阵元接收的传播过程，其中/>
Figure BDA0004090443160000046
为阵元激励的指向性；/>
Figure BDA0004090443160000047
和/>
Figure BDA0004090443160000048
分别为激励路径上经过不同介质界面的透射与反射系数；/>
Figure BDA0004090443160000049
为传播路径上声信号扩散造成的衰减；/>
Figure BDA00040904431600000410
为奥氏体不锈钢的材料衰减系数。
S2、其中具体参数求解过程如下：
1)材料衰减：在不添加楔块情况下采集奥氏体不锈钢小径管的A扫信号，提取其中一次回波和二次回波信号并通过傅里叶变换到频域，通过等式(2)求解具体被测试件的材料衰减系数，单位为dB/m。
Figure BDA00040904431600000411
式中，F1(ω)表示第一次底面回波的频谱幅值，F2(ω)表示第二次底面回波的频谱幅值；d表示声波传播的距离差，单位m。
2)指向性：在使用楔块斜入射检测时，根据惠更斯原理和固体表面积分理论，通过等式(3)计算出相控阵中每个阵元在楔块中纵波的远场指向性DL；
Figure BDA00040904431600000412
Figure BDA00040904431600000413
Figure BDA00040904431600000414
式中θ是阵元法线与超声传播路径的夹角，单位为rad；a是单个阵元的宽度，λ是耦合介质中超声纵波的波长单位均为m；
Figure BDA00040904431600000415
和/>
Figure BDA00040904431600000416
分别是楔块中的纵波与横波波速，单位为m/s。
3)透射系数：在耦合楔块与不锈钢试件两种不同介质界面处，按照固-固平滑接触边界条件(界面处切向应力为零，τxy＝0)，通过等式(6)(7)(8)求得纵波入射条件下进入不锈钢试件的透射纵波、横波的透射系数；
Figure BDA0004090443160000051
/>
Figure BDA0004090443160000052
Figure BDA0004090443160000053
其中，
Figure BDA0004090443160000054
为楔块中纵波的入射角；/>
Figure BDA0004090443160000055
表示楔块中反射横波的反射角度；cL和cT是奥氏体不锈钢小径管中的纵波与横波波速，单位m/s，βL和βT分别为透射到不锈钢中纵、横波的角度。
4)反射系数：检测过程中超声波会在小径管内、外壁发生多次反射，在考虑超声波模态变化的情况下通过等式(9)(10)(11)计算纵波入射刚性-自由边界发生不同模态波反射的反射系数；
Figure BDA0004090443160000056
Figure BDA0004090443160000057
Figure BDA0004090443160000058
RLL和RLT分别代表纵波入射条件下纵波与横波的反射系数；θT和θL分别代表反射横波与反射纵波的角度，单位rad。将斯奈尔定律中入射纵波幅值设置为零，同理可求在横波入射条件下的反射系数。
5)扩散衰减：将扩散衰减函数合理外推，利用等式(12)、(13)求解超声波第m次入射，第m-1次反射后超声信号的扩散衰减系数。
Figure BDA0004090443160000059
Figure BDA00040904431600000510
其中θx表示为超声传播x路径下界面处的入射角；βx为相应界面的折射或反射角，单位rad；νx＝cx/cx+1为第x次路径对应界面处的折射率。
6)散射系数：将缺陷处的散射问题简化为平面波入射圆形孔状缺陷的散射系数的求解，分别计算不同模态超声波入射情况下不同散射角度θscat对应的横波与纵波的散射系数，纵波入射的求解公式如下：
Figure BDA0004090443160000061
Figure BDA0004090443160000062
其中b为圆孔的半径，单位m；kα表示相应模式波的波数，单位为rad/m，einc为入射波方向矢量；escat为散射方向矢量；系数An和Bn通过圆孔表面(r＝b时)的法向应力和切向应力为零的边界条件来分别求解，如下式：
Figure BDA0004090443160000063
Figure BDA0004090443160000064
在上述参数中，材料衰减与反射系数与具体材料有关，透射系数除了与材料有关外还与楔块等其他实验设置有关，均需要单独计算。横波入射条件下的散射系数与上述同理可求。
参考等式(1)带入与所求模式波传播过程对应的参数求解结果，完成对该模式波缺陷响应模型的建立。
按照等式(18a)(18b)将解析模型中包含的中心频率成分提取出来，ω0表示探头的中心频率；
Figure BDA0004090443160000065
Figure BDA0004090443160000066
由于构建不同模式超声缺陷响应空间分布仅需要缺陷响应的幅值信息，因此忽略
Figure BDA0004090443160000067
导致的振幅较小变化，将响应模型简化为下式：
Figure BDA0004090443160000068
S3、假设较大的缺陷的响应可被视为众多微小圆孔缺陷响应的叠加，将被检测区域离散成M×N的网格，得到所有成像点的位置，在每个节点位置分别计算微小圆孔形缺陷(即
Figure BDA0004090443160000071
)的全聚焦成像强度来等效构造ε模式超声波下整个成像区域的缺陷响应空间分布/>
Figure BDA0004090443160000072
Figure BDA0004090443160000073
其中
Figure BDA0004090443160000074
为成像位置的向量，/>
Figure BDA0004090443160000075
为模型参考信号与实验激励信号的幅值比例系数。
S4、利用不同模式超声缺陷响应空间分布，计算检测区域所有位置处缺陷响应的平均值
Figure BDA0004090443160000076
以及变异系数CVε；
Figure BDA0004090443160000077
Figure BDA0004090443160000078
Figure BDA0004090443160000079
作为参考值，反应了该模式超声波在被测区域整体的检测能力水平；CVε反应了该模式超声波在被测区域检测能力的空间变化程度。绘制幅值的箱线图观察不同模式超声波在被测区域整体的检测幅值水平。
平均值
Figure BDA00040904431600000710
是反应了该模式超声波在被测区域所有位置预测幅值的信息，该值越大说明对缺陷更加敏感(即相同缺陷的成像幅值更高)；变异系数CVε越大说明检测受空间位置影响较大。
实施例1
本发明以典型奥氏体不锈钢试件超声多模式全聚焦成像为例，详细说明不同模式超声缺陷响应空间分布的计算过程，评价参数的提取过程，进而实现对不同模式成像评价。
通过DPR 500超声脉冲发射接收器，利用横、纵波探头采集6mm厚奥氏体不锈钢小径管的超声信号。在不添加楔块情况下采集被测试件的A扫信号，计算出试件的波速分别为cL＝5880m/s、cT＝3180m/s、；提取其中一次回波和二次回波信号并通过傅里叶变换到频域，通过等式(2)求解材料衰减系数为30dB/m。同理测得20°有机玻璃楔块的横纵波速，分别为
Figure BDA00040904431600000711
和/>
Figure BDA00040904431600000712
Figure BDA00040904431600000713
式中F1(ω)表示第一次底面回波的频谱幅值，F2(ω)表示第二次底面回波的频谱幅值；d表示声波传播的距离差即两倍厚度0.012m。
通过等式(3)计算出相控阵中每个阵元在楔块中纵波的远场指向性DL；
Figure BDA0004090443160000081
Figure BDA0004090443160000082
Figure BDA0004090443160000083
式中θ是阵元法线与超声传播路径的夹角，a是单个阵元的宽度(0.0005m)，λ是耦合介质中超声纵波的波长(5.3×10-4m)。
通过等式(6)(7)(8)求出两种不同材料界面处纵波入射条件下的透射纵波、横波的透射系数；
Figure BDA0004090443160000084
Figure BDA0004090443160000085
Figure BDA0004090443160000086
其中，
Figure BDA0004090443160000087
为楔块中纵波的入射角；/>
Figure BDA0004090443160000088
表示楔块中反射横波的反射角度；cL和cT是试件中的纵波与横波波速；βL和βT分别为透射到试件中纵、横波的角度。
通过等式(9)(10)(11)计算不同模态超声波在小径管内、外壁发生反射时的不同模态波的反射系数；
Figure BDA0004090443160000089
Figure BDA00040904431600000810
Figure BDA00040904431600000811
将斯奈尔定律中入射纵波幅值设置为零，同理可求在横波入射条件下的反射系数。
将扩散衰减函数合理外推，利用等式(12)、(13)求解超声波第m次入射，第m-1次反射后超声信号的扩散衰减系数。
Figure BDA0004090443160000091
Figure BDA0004090443160000092
其中θx表示为超声传播x路径下界面处的入射角，βx为相应界面的折射或反射角，νx＝cx/cx+1为第x次路径对应界面处的折射率。
将缺陷处的散射问题简化为平面波入射圆形孔状缺陷的散射系数的求解，通过等式(14)、(15)计算无限大平面波入射直径为0.001mm圆形孔的不同模态波入射和散射组合的散射系数。
Figure BDA0004090443160000093
Figure BDA0004090443160000094
其中b为圆孔的半径；kα表示相应模式波的波数，einc为入射波方向矢量；escat为散射方向矢量。系数An和Bn通过圆孔表面(b＝r＝0.0005mm时)的法向应力和切向应力为零的边界条件来分别求解，如下式：
Figure BDA0004090443160000095
Figure BDA0004090443160000096
横波入射条件下的散射系数与上述同理可求。四种散射系数(L-L，L-T，T-L，T-T)如图3所示，在之后计算其他试件模型时均可以重复使用。
在激励与接收过程只考虑缺陷的直达波，可以分为三种传播模式(L-L、L-T和T-T)，对于考虑一次底面回波，可以分为八种不同的传播模式(LL-L、LL-T、TT-L、TT-T、LT-L、LT-T、LT-T、TL-L和TL-T)如图4所示。参考等式(18a)(18b)带入与所求模式波传播过程对应的参数求解结果，完成对十一种不同模式波缺陷响应模型的建立。
Figure BDA0004090443160000101
Figure BDA0004090443160000102
将解析模型中包含的中心频率成分提取出来，忽略频率依赖成分将模型简化为等式(19)。将该简化模型所计算的信号与CIVA仿真信号对比波形如图5所示，其幅值大小基本一致。
Figure BDA0004090443160000103
将被检测区域离散成M×N的网格，得到所有成像点的位置，在每个节点位置分别计算微小圆孔形缺陷(即
Figure BDA0004090443160000104
)的全聚焦成像强度来等效构造整个成像区域的缺陷响应空间分布/>
Figure BDA0004090443160000105
图6给出了十一种模式波的缺陷响应空间分布(所有模式波的缺陷响应空间分布都以T-T模式中最高幅值为参考并进行成像)。
Figure BDA0004090443160000106
其中
Figure BDA0004090443160000107
为成像位置的向量，/>
Figure BDA0004090443160000108
为模型参考信号与实验激励信号的幅值比例系数。
根据图6可以看出在超声斜入射检测过程中靠近探头一侧对缺陷的检测更加敏感，在所有的十一种超声检测模式中L-L，T-T，TT-L和TT-T四种模式超声波对缺陷有更高的检测敏感度，检测范围也更大。
计算检测区域所有位置处的缺陷响应平均值
Figure BDA0004090443160000109
以及变异系数CVε，
Figure BDA00040904431600001010
Figure BDA00040904431600001011
根据图7和图8中均值大小与箱线图，可以定量的判断出最优四种超声波模式依次是TT、TTT、TTL、LL。CVε反应了该模式超声波在被测区域检测能力的空间变化程度；
Figure BDA00040904431600001012
反应了该模式。不同模式的超声波在被测区域整体的检测能力水平。通过变异系数可以看出，TT模式超声波虽然对缺陷检测比较敏感但是其受空间位置影响也是最大的。
如图9所示，本发明提供一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价***，包括：
模型建立模块，用于建立多模式超声缺陷响应模型；
参数获取模块，用于获取不锈钢材料及超声传播过程的相关参数，相关参数具体包括：不锈钢材料参数、声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；参数获取模块获取了相关参数后，输入模型建立模块，用于获取不同模式的超声缺陷响应模型；
计算单元，用于计算不同模式下超声缺陷响应空间分布和评价参数。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
建立多模式超声缺陷响应模型；
获取实验及材料的相关参数，相关参数具体包括：超声相控阵检测***参数、楔块材料与尺寸参数、不锈钢材料与尺寸参数；
获取超声波在实验条件下传播的相关参数，相关参数具体包括：声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；
计算不同模式超声缺陷响应空间分布，将缺陷响应模型引入阵列信号中，计算所有位置的缺陷响应幅值叠加结果，构成超声缺陷响应的空间分布图；
计算评价参数，所述评价参数包括：缺陷响应的平均值和变异系数，平均值越大说明相同缺陷的成像幅值越高；变异系数越大说明检测受空间位置影响越大。
2.如权利要求1所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，基于射线追踪原理计算不同模式超声的传播路径，计算由楔块斜入射进入不锈钢材料超声波的反射、透射系数与材料衰减系数。
3.如权利要求1所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，获取不锈钢材料中超声传播过程的相关参数后，代入多模式超声缺陷响应模型，获取不同模式下的超声波缺陷响应模型。
4.如权利要求1所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，计算不同模式超声缺陷响应空间分布，具体包括：将被检测区域离散为M×N的网格，得到成像点的位置，在每个节点位置分别计算全聚焦成像强度，构造对应模式超声波下整个成像区域的缺陷响应空间分布
Figure FDA0004090443150000011
5.如权利要求4所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，缺陷响应空间分布
Figure FDA0004090443150000012
的计算方法为：
Figure FDA0004090443150000013
其中
Figure FDA0004090443150000014
为成像位置的向量，/>
Figure FDA0004090443150000015
为模型参考信号与实验激励信号的幅值比例系数，
Figure FDA0004090443150000016
和/>
Figure FDA0004090443150000017
分别表示在ε传播模式下，第i阵元激励的传播过程和第j阵元接收的传播过程，/>
Figure FDA0004090443150000021
表示在ε传播模式下缺陷处的散射系数。
6.如权利要求1所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，计算评价参数，具体包括：计算不同模式超声缺陷响应的空间分布的均值与变异系数，对不同模式超声波检测能力进行评价。
7.如权利要求6所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，计算检测区域所有位置处缺陷响应的平均值
Figure FDA0004090443150000022
以及变异系数CVε具体包括：
Figure FDA0004090443150000023
Figure FDA0004090443150000024
Figure FDA0004090443150000025
作为参考值，反应了该模式超声波在被测区域整体的检测能力水平；CVε反应了该模式超声波在被测区域检测能力的空间变化程度。
8.一种不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价***，所述评价***适用于权利要求1-7任一项所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立多模式超声缺陷响应模型；
参数获取模块，用于获取材料及传播过程的相关参数，相关参数具体包括：实验***参数、不锈钢材料参数、楔块材料参数、声波传播路径、指向性、扩散衰减系数、材料衰减、反射透射系数和缺陷散射系数；
计算单元，用于计算不同模式下超声缺陷响应空间分布和评价参数。
9.如权利要求8所述的不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价***，其特征在于，参数获取模块获取了相关参数后，输入模型建立模块，用于获取不同模式的超声缺陷响应模型。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项不锈钢小径管焊缝的超声波检测能力评价方法。
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