超聲自動掃描技術在管道焊縫缺陷診斷中的應用

超聲自動掃描技術在管道焊縫缺陷診斷中的應用

管道連接廣泛應用于重要的工業(yè)領域，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。目前主要通過管道焊縫質(zhì)量控制和缺陷檢測兩種途徑來保證管道安全運行。目前國內(nèi)外多采用超聲和射線檢測兩種方法控制和檢測管道焊縫質(zhì)量。超聲檢測簡單方便,適于外場檢測,通過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)常見的焊接缺陷,因而已成為焊縫檢測的主要無損檢測方法。普通的焊縫超聲檢測主要是利用檢測人員手工移動換能器,觀察超聲儀器的A顯示波形進行缺陷判別,缺陷判別受檢測人員主觀因素的影響,容易漏檢。因此,發(fā)展自動化掃描檢測技術和缺陷再現(xiàn)技術是近年來國內(nèi)外研究的一個主要方向。為此,筆者研制了一種基于便攜式自動掃查系統(tǒng)的超聲多維成像檢測技術。1超聲波多維成像的檢測原理1.1檢測信息特征參量和缺陷判別閾值的確定對于管道對接焊縫,由于焊縫區(qū)內(nèi)可能產(chǎn)生的缺陷取向關系,需設計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)缺陷回波信號所在的時域位置和換能器與被測焊縫的幾何關系,確定缺陷位置。通常利用換能器在焊縫一側(cè)掃查,通過入射聲束在管壁產(chǎn)生的一次透射聲波和一次反射聲波對不同位置和深度的缺陷進行檢測。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信息特征參量,這里Sij=SⅠij+SⅡij,SⅠij為對應于第i個掃描行第j個檢測位置的一次折射波聲程;SⅡij為對應于第i個掃描行第j個檢測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間和傳播聲速;Lij為缺陷離換能器入射點的水平距離;Hij為缺陷的深度;ADij為缺陷回波信號D的波高。當換能器在某個掃查位置接收回波信號D,且ADijijD>ATh,表明焊縫區(qū)存在超標缺陷,這里ATh為設定的缺陷判別閾值。缺陷在焊縫中的幾何位置可以根據(jù)缺陷回波信號D的聲程Sij和換能器與被測焊縫的幾何關系確定: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,可通過換能器沿垂直焊縫方向(即x方向)的掃查,實時記錄換能器在該掃查行(如i=k)中的每一個檢測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為對應第k個掃查行的檢測位置點數(shù),m的大小與換能器掃查速度、信號記錄處理時間等有關。根據(jù)特征參量中的ADij判別對應掃描檢測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。為了實現(xiàn)管道焊縫的100%掃查,得到整條焊縫的質(zhì)量信息,通過換能器沿x方向掃查y方向(即平行焊縫方向)步進,如圖2所示,并實時記錄換能器在每一個掃查行的每一個檢測位置的信息特征參量∑i=1n∑j=1mUOij∑i=1n∑j=1mUijΟ,判別整個焊縫中是否存在缺陷及其缺陷的準確位置,這里n為完成整條被檢測焊縫所需的掃查行數(shù),其值大小與焊縫的長度和掃查步距有關。根據(jù)換能器的掃查位置和對應每一個檢測位置的信息特征參量,可以通過多維圖像方式再現(xiàn)檢測結(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材料或結(jié)構(gòu)的物理位置坐標和超聲信息,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。圖像中每一點的位置坐標由掃查過程中換能器所在的實際檢測點位置確定,圖像中各點的顏色或灰度受超聲信號(如信號檢測閘門內(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,則每個掃查檢測點對應的焊縫狀態(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)對應圖像域,其成像顯示點可表示為:∑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)對應每一檢測點在圖像中的坐標,且PIij(x,y)與POij(x,y)嚴格單值對應,位置坐標信息POij(x,y)通過掃查機構(gòu)實時反饋;(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,實際成像檢測時,通過信號處理電路和設置合理的信號檢測閘門獲取ADij分量。若以換能器的位置坐標(x,y)為成像坐標,利用PIij(x,y)與POij(x,y)的映射關系,可以實現(xiàn)管焊縫的超聲C掃描成像(圖2a)。C掃描圖像中每一點坐標PIijijΙ(x,y)與換能器掃查的實際位置坐標POij(x,y)對應,圖像的顏色由換能器接收到的檢測信號特征參數(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。但對于管焊縫,由于采用超聲反射法檢測,缺陷位置并不是換能器所在的實際位置,缺陷在焊縫中的實際位置需要根據(jù)UOij(Sij,Lij,Hij,θ,ADij)中的聲程分量Sij,利用式(1)和(2)計算確定。利用式(3)和(4),通過不同的坐標映射關系,可以實現(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,Hij為y坐標,能給出缺陷在焊縫掃描截面內(nèi)分布和整條焊縫每一個掃描截面的超聲正視圖像。以(Lij,y)為成像位置坐標,能給出缺陷沿焊縫寬度方向和長度方向的分布。以(Hij,y)為位置成像坐標,能給出缺陷沿焊縫厚度方向和長度方向的分布。2超聲c掃描結(jié)果圖3是某管道焊縫的超聲自動掃描多維成像檢測結(jié)果。試樣由山東電科院提供,直徑為273mm,焊縫厚度為25mm,通過控制焊接工藝的方法在管道焊縫中不同位置分別預制了裂紋、根部未焊透和坡口未熔合三種焊接缺陷。檢測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掃描檢測系統(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(圖1b)。根據(jù)式(1)選擇x方向掃描范圍為100mm,入射點離焊縫30mm。從圖3a中超聲C掃描結(jié)果可以清晰地看出三個預制缺陷,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,即坡口未熔合沒有連成片,而裂紋和未焊透則是連成片,這是因為在未熔合區(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一步看出缺陷的分布特點,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超聲波的二次反射檢測出來的。為了得到缺陷在焊縫厚度方向的分布,可以沿焊縫方向進行連續(xù)的正視投影成像,對缺陷在焊縫中的分布和取向進行三維重構(gòu)。圖4是在C掃描成像中對坡口未熔合區(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可看出對應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應關系,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應關系。值得指出的是,在自動掃描過程中,只需要對焊縫進行一次C掃描,全部信息都會自動按給定的數(shù)據(jù)格式實時記錄,在焊縫檢測完畢,通過三視投影成像可以十分方便地在計算機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應的缺陷顯示波形、波高、缺陷深度、聲程和水平位置等,從而可確切地進行缺陷判斷。也可通過設置不同的靈敏度、增益補償數(shù)和閾值等對已獲得的檢測結(jié)果進行虛擬掃描,從而可節(jié)省時間和成本,提高檢測效率。3