超聲自動(dòng)掃描技術(shù)在管道焊縫缺陷診斷中的應(yīng)用

超聲自動(dòng)掃描技術(shù)在管道焊縫缺陷診斷中的應(yīng)用

管道連接廣泛應(yīng)用于重要的工業(yè)領(lǐng)域，如能源、石化、石油-汽油管道等。焊縫質(zhì)量和焊縫缺陷直接影響管道焊接結(jié)構(gòu)的性能、可靠性和使用壽命。目前主要通過(guò)管道焊縫質(zhì)量控制和缺陷檢測(cè)兩種途徑來(lái)保證管道安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)外多采用超聲和射線檢測(cè)兩種方法控制和檢測(cè)管道焊縫質(zhì)量。超聲檢測(cè)簡(jiǎn)單方便,適于外場(chǎng)檢測(cè),通過(guò)選擇合理的聲束入射方向,可以靈敏地發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)內(nèi)常見(jiàn)的焊接缺陷,因而已成為焊縫檢測(cè)的主要無(wú)損檢測(cè)方法。普通的焊縫超聲檢測(cè)主要是利用檢測(cè)人員手工移動(dòng)換能器,觀察超聲儀器的A顯示波形進(jìn)行缺陷判別,缺陷判別受檢測(cè)人員主觀因素的影響,容易漏檢。因此,發(fā)展自動(dòng)化掃描檢測(cè)技術(shù)和缺陷再現(xiàn)技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)主要方向。為此,筆者研制了一種基于便攜式自動(dòng)掃查系統(tǒng)的超聲多維成像檢測(cè)技術(shù)。1超聲波多維成像的檢測(cè)原理1.1檢測(cè)信息特征參量和缺陷判別閾值的確定對(duì)于管道對(duì)接焊縫,由于焊縫區(qū)內(nèi)可能產(chǎn)生的缺陷取向關(guān)系,需設(shè)計(jì)合適角度的超聲換能器,使入射聲束與焊縫區(qū)熔合界面和缺陷取向垂直(圖1)。在給定的靈敏度條件下,根據(jù)缺陷回波信號(hào)所在的時(shí)域位置和換能器與被測(cè)焊縫的幾何關(guān)系,確定缺陷位置。通常利用換能器在焊縫一側(cè)掃查,通過(guò)入射聲束在管壁產(chǎn)生的一次透射聲波和一次反射聲波對(duì)不同位置和深度的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。換能器的掃查范圍x為:x=2htanθ(1)x=2htanθ(1)式中h——管壁(焊縫)厚度;θ——換能器(入射聲束)折射角。用UOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)表示換能器在任意掃查位置的檢測(cè)信息特征參量,這里Sij=SⅠij+SⅡij,SⅠij為對(duì)應(yīng)于第i個(gè)掃描行第j個(gè)檢測(cè)位置的一次折射波聲程;SⅡij為對(duì)應(yīng)于第i個(gè)掃描行第j個(gè)檢測(cè)位置的二次反射波聲程,且Sij=tv,t和v分別為聲波在管壁中傳播時(shí)間和傳播聲速;Lij為缺陷離換能器入射點(diǎn)的水平距離;Hij為缺陷的深度;ADij為缺陷回波信號(hào)D的波高。當(dāng)換能器在某個(gè)掃查位置接收回波信號(hào)D,且ADijijD>ATh,表明焊縫區(qū)存在超標(biāo)缺陷,這里ATh為設(shè)定的缺陷判別閾值。缺陷在焊縫中的幾何位置可以根據(jù)缺陷回波信號(hào)D的聲程Sij和換能器與被測(cè)焊縫的幾何關(guān)系確定:Lij=SijsinθHij=SIijcosθ或Hij=2h?SIijcosθ(2)Lij=SijsinθΗij=SijΙcosθ或Ηij=2h-SijΙcosθ(2)為得到焊縫在厚度方向的缺陷信息,可通過(guò)換能器沿垂直焊縫方向(即x方向)的掃查,實(shí)時(shí)記錄換能器在該掃查行(如i=k)中的每一個(gè)檢測(cè)位置的信息特征參量為∑j=1mUOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)|i=k∑j=1mUijΟ(Sij,Lij,Ηij,θ,AijD)|i=k,這里m為對(duì)應(yīng)第k個(gè)掃查行的檢測(cè)位置點(diǎn)數(shù),m的大小與換能器掃查速度、信號(hào)記錄處理時(shí)間等有關(guān)。根據(jù)特征參量中的ADij判別對(duì)應(yīng)掃描檢測(cè)位置焊縫中是否存在缺陷,缺陷在焊縫中的位置由式(1)和(2)確定。為了實(shí)現(xiàn)管道焊縫的100%掃查,得到整條焊縫的質(zhì)量信息,通過(guò)換能器沿x方向掃查y方向(即平行焊縫方向)步進(jìn),如圖2所示,并實(shí)時(shí)記錄換能器在每一個(gè)掃查行的每一個(gè)檢測(cè)位置的信息特征參量∑i=1n∑j=1mUOij∑i=1n∑j=1mUijΟ,判別整個(gè)焊縫中是否存在缺陷及其缺陷的準(zhǔn)確位置,這里n為完成整條被檢測(cè)焊縫所需的掃查行數(shù),其值大小與焊縫的長(zhǎng)度和掃查步距有關(guān)。根據(jù)換能器的掃查位置和對(duì)應(yīng)每一個(gè)檢測(cè)位置的信息特征參量,可以通過(guò)多維圖像方式再現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果。1.2維超聲成像—焊縫超聲多維成像方法超聲掃描成像是基于換能器在被檢測(cè)材料或結(jié)構(gòu)的物理位置坐標(biāo)和超聲信息,采用不同顏色或灰度圖像的形式再現(xiàn)其內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)信息。圖像中每一點(diǎn)的位置坐標(biāo)由掃查過(guò)程中換能器所在的實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)位置確定,圖像中各點(diǎn)的顏色或灰度受超聲信號(hào)(如信號(hào)檢測(cè)閘門內(nèi)回波幅度)調(diào)制。如用函數(shù)POij(x,y)表示換能器在某管焊縫掃描位置坐標(biāo),則每個(gè)掃查檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的焊縫狀態(tài)可表示為:∑i=1n∑j=1mPOij(x,y)∑i=1n∑j=1mUOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)(3)∑i=1n∑j=1mΡijΟ(x,y)∑i=1n∑j=1mUijΟ(Sij,Lij,Ηij,θ,AijD)(3)對(duì)應(yīng)圖像域,其成像顯示點(diǎn)可表示為:∑i=1n∑j=1mPIij(x,y)∑i=1n∑j=1mUIij(r,g,b)(4)∑i=1n∑j=1mΡijΙ(x,y)∑i=1n∑j=1mUijΙ(r,g,b)(4)這里(x,y)對(duì)應(yīng)每一檢測(cè)點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo),且PIij(x,y)與POij(x,y)嚴(yán)格單值對(duì)應(yīng),位置坐標(biāo)信息POij(x,y)通過(guò)掃查機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)反饋;(r,g,b)為圖像調(diào)色板的三基色,通常由UOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)中的ADij分量調(diào)制,實(shí)際成像檢測(cè)時(shí),通過(guò)信號(hào)處理電路和設(shè)置合理的信號(hào)檢測(cè)閘門獲取ADij分量。若以換能器的位置坐標(biāo)(x,y)為成像坐標(biāo),利用PIij(x,y)與POij(x,y)的映射關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)管焊縫的超聲C掃描成像(圖2a)。C掃描圖像中每一點(diǎn)坐標(biāo)PIijijΙ(x,y)與換能器掃查的實(shí)際位置坐標(biāo)POij(x,y)對(duì)應(yīng),圖像的顏色由換能器接收到的檢測(cè)信號(hào)特征參數(shù)UOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)中的ADij分量確定。在C掃描圖像中可以直觀地顯示換能器所在位置的焊縫中是否存在缺陷。但對(duì)于管焊縫,由于采用超聲反射法檢測(cè),缺陷位置并不是換能器所在的實(shí)際位置,缺陷在焊縫中的實(shí)際位置需要根據(jù)UOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)中的聲程分量Sij,利用式(1)和(2)計(jì)算確定。利用式(3)和(4),通過(guò)不同的坐標(biāo)映射關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)管焊縫的多維超聲投影掃描成像——三維超聲P掃描成像,如圖2b所示:以Lij為x坐標(biāo),Hij為y坐標(biāo),能給出缺陷在焊縫掃描截面內(nèi)分布和整條焊縫每一個(gè)掃描截面的超聲正視圖像。以(Lij,y)為成像位置坐標(biāo),能給出缺陷沿焊縫寬度方向和長(zhǎng)度方向的分布。以(Hij,y)為位置成像坐標(biāo),能給出缺陷沿焊縫厚度方向和長(zhǎng)度方向的分布。2超聲c掃描結(jié)果圖3是某管道焊縫的超聲自動(dòng)掃描多維成像檢測(cè)結(jié)果。試樣由山東電科院提供,直徑為273mm,焊縫厚度為25mm,通過(guò)控制焊接工藝的方法在管道焊縫中不同位置分別預(yù)制了裂紋、根部未焊透和坡口未熔合三種焊接缺陷。檢測(cè)采用北京航空制造工程研究所生產(chǎn)的MUI-21A便攜式管道焊縫超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)。超聲波工作頻率為2.5MHz,聲束入射角63°,超聲換能器沿管道焊縫軸向x掃查,沿周向y步進(jìn)(圖1b)。根據(jù)式(1)選擇x方向掃描范圍為100mm,入射點(diǎn)離焊縫30mm。從圖3a中超聲C掃描結(jié)果可以清晰地看出三個(gè)預(yù)制缺陷,并且坡口未熔合與裂紋和未焊透在圖像分布上有明顯不同的區(qū)別,即坡口未熔合沒(méi)有連成片,而裂紋和未焊透則是連成片,這是因?yàn)樵谖慈酆蠀^(qū)域,有的位置可能發(fā)生了熔合。從圖3b和圖3c中的側(cè)視和正視投影成像可以更進(jìn)一步看出缺陷的分布特點(diǎn),即裂紋主要位于焊縫根部附近;坡口未熔合與根部未焊透具有明顯不同的圖像分布特征;三種缺陷中的大部分是通過(guò)超聲波的二次反射檢測(cè)出來(lái)的。為了得到缺陷在焊縫厚度方向的分布,可以沿焊縫方向進(jìn)行連續(xù)的正視投影成像,對(duì)缺陷在焊縫中的分布和取向進(jìn)行三維重構(gòu)。圖4是在C掃描成像中對(duì)坡口未熔合區(qū)給定的焊縫掃描截面1,4和8正視投影成像結(jié)果。圖4可看出對(duì)應(yīng)該焊縫斷面的坡口未熔合在焊縫中的分布(Ⅰ區(qū)),為了便于分析缺陷圖像與聲程的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在圖4中的正視投影成像結(jié)果中,還給出了二次聲程成像的未焊合缺陷圖像(Ⅱ區(qū)),較為直觀地反映出缺陷成像與聲程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。值得指出的是,在自動(dòng)掃描過(guò)程中,只需要對(duì)焊縫進(jìn)行一次C掃描,全部信息都會(huì)自動(dòng)按給定的數(shù)據(jù)格式實(shí)時(shí)記錄,在焊縫檢測(cè)完畢,通過(guò)三視投影成像可以十分方便地在計(jì)算機(jī)屏幕上快速顯示焊縫任意一處斷面位置和投影方向的圖像和對(duì)應(yīng)的缺陷顯示波形、波高、缺陷深度、聲程和水平位置等,從而可確切地進(jìn)行缺陷判斷。也可通過(guò)設(shè)置不同的靈敏度、增益補(bǔ)償數(shù)和閾值等對(duì)已獲得的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行虛擬掃描,從而可節(jié)省時(shí)間和成本,提高檢測(cè)效率。3