王維斌,馮展軍,艾慕陽,王 琨

(中石油管道研究中心,廊坊 065000)

石油儲罐容易發(fā)生腐蝕穿孔、裂紋擴展甚至局部破裂等較為嚴重的損傷。為保證石油儲罐的安全正常運行,定期開展在役檢測是一項重要的工作。儲罐的檢測主要是針對底板和側(cè)壁的腐蝕及其他損傷,目前應(yīng)用較多的為超聲檢測方法。由于底板和側(cè)壁的二維尺度很大,具有典型的板狀結(jié)構(gòu),因此應(yīng)用超聲導(dǎo)波對儲罐損傷進行檢測是較為合適的檢測方法,也是當前的研究熱點之一[1-2]。

使用超聲導(dǎo)波對石油儲罐的底板或側(cè)壁進行檢測的主要難點如下：檢測導(dǎo)波需要覆蓋板狀結(jié)構(gòu)中很長的距離范圍,而且由于石油儲罐的結(jié)構(gòu)特點,導(dǎo)波在傳播過程中會遇到多道搭接焊縫或者對接焊縫,這些焊縫不僅會混淆缺陷的識別,同時也大大增加了超聲能量的衰減;由于石油儲罐的工作條件,在對側(cè)壁(底板)檢測時,其界面一側(cè)是油,一側(cè)是空氣(固態(tài)地基),界面條件也會造成超聲導(dǎo)波能量的散失。

由上述分析可知,應(yīng)用超聲導(dǎo)波進行石油儲罐的檢測時,導(dǎo)波的衰減和畸變較為嚴重。因此除了選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)之外,還應(yīng)該提高導(dǎo)波的激勵能量和系統(tǒng)的接收靈敏度;另外,有效的檢測信號識別及處理方法也是必要的。

試驗證明,在較大頻厚積條件下,板狀結(jié)構(gòu)中側(cè)壁激勵的縱波是一種比較有效的檢測方式[3]。筆者以此為基礎(chǔ),研究了采用相控陣方法[4]提高板中導(dǎo)波的激勵能量,利用數(shù)字聚焦技術(shù)提高系統(tǒng)的接收靈敏度,以及對被檢區(qū)域的圖像重建等問題,以期能夠解決石油儲罐超聲導(dǎo)波檢測中存在的問題。

1 探頭陣列的布置形式

由于石油儲罐所需的檢測范圍較大,為提高導(dǎo)波激勵的能量,可以選用多個超聲探頭構(gòu)成探頭陣列,按照相控陣的控制原理,以一定的時序激勵各個探頭,控制各探頭的合成波陣面,滿足聚焦或者偏轉(zhuǎn)等需求。

圖1 探頭陣列的布置方式

如圖1所示,根據(jù)不同的檢測范圍、被檢材料的衰減情況以及缺陷特征等參數(shù),將探頭陣列進行分組,確定探頭的布置方式,每組的探頭數(shù)以及該組探頭的功能(發(fā)射、接收、或者自發(fā)自收等)。在不損失檢測靈敏度的前提下,實現(xiàn)對檢測范圍的有效覆蓋,并兼顧檢測效率。圖1(a)為單個探頭即可覆蓋檢測范圍的情況,此時將探頭陣列均布,以提高檢測效率。圖1(b)為通過單側(cè)聚焦,探頭陣列能覆蓋檢測范圍的情況,此時將探頭布置在一側(cè),通過分段聚焦進行檢測。圖1(c)為單側(cè)聚焦時僅能覆蓋一半檢測范圍的情況,此時需要兩組探頭配合,一組發(fā)射一組接收,才能實現(xiàn)對全范圍的檢測。圖1(d)為當前激勵條件只能覆蓋局部的情況。如果需要實現(xiàn)對未覆蓋區(qū)域的檢測,需降低檢測分辨率和靈敏度才能實現(xiàn)。

2 數(shù)字聚焦及圖像重建

數(shù)字聚焦的原理可簡單表述如下：如圖1(d)所示,將兩組探頭陣列按一定角度布置,兩者均能對被檢測區(qū)域形成有效的覆蓋,每一個探頭既可以作為發(fā)射器也可以作為接收器。兩組探頭陣列分別編號為1,2,兩者探頭數(shù)相同為m,并對其中的探頭按照位置編號,依次為1,2,…,m。

根據(jù)目標探測區(qū)域的范圍,超聲探頭的頻率以及聲波傳播速度,可以估算從發(fā)射陣元到距此最遠的目標點的傳播時間t1,以及由該點產(chǎn)生的散射波到達距該點距離最遠的接收探頭所需要的時間t2,取兩者的和再增加一定的延遲時間,作為各探頭接收信號的采樣時間,采樣率根據(jù)要求的空間分辨率來定。

設(shè)k(k=1,2)組編號為i的探頭發(fā)射,l(l=1,2)組編號為j的探頭接收到的超聲波信號記為(t)。如果考慮全部組合,則可以獲得4×m×m組數(shù)據(jù)。

所謂數(shù)字聚焦是指按照相位關(guān)系,根據(jù)目標聚焦點的不同,將采集完成的(t)按照不同的延時參數(shù)進行疊加,以取得對目標點的聚焦接收效果。該方法是文獻[5]中提出的虛擬合成聚焦方法的一種推廣,可以大大增加缺陷信號幅度,從而有效地提高檢測靈敏度。

設(shè)探測區(qū)域內(nèi)的某一目標聚焦點坐標為(x,y),則該點的與聲壓成正比的函數(shù)P(x,y)可以用下式表示：

式中——是對Uklij(t)離散采樣后的信號;

——k組第i個發(fā)射探頭幾何特征和聲場特性修正項;

——l組第j個接收探頭幾何特征和聲場特性修正項;

——目標聚焦點的幾何特征及聲場特征修正項;

——k組第i個探頭發(fā)射信號的最大幅值;

具體應(yīng)用的每一修正項,均要通過對檢測聲場的試驗分析和研究,才能最終確定有效的修正函數(shù)。

按照式(1)即可獲得檢測區(qū)域內(nèi)任意目標點的聲壓值,將各點的聲壓值按照對應(yīng)坐標值分布成圖像,即完成了基本的圖像重建。

3 圖像重建試驗

為便于使用動態(tài)光彈設(shè)備分析聲場,使用K9光學(xué)玻璃作為檢測試件,尺寸為100 mm×100 mm×25 mm,正中開有直徑為30mm的通孔。使用超聲陣列探頭,側(cè)壁耦合,探頭頻率為6.5 MH z,陣元寬度為2mm,陣元數(shù)為22。如圖2所示,圖中畫出了某陣元發(fā)射時聲波的傳播路徑。試驗中分別在四個側(cè)面采集了發(fā)射/接收信號。

圖2 圖像重建試驗樣品圖

圖3列出了四組從試驗數(shù)據(jù)中選取的波形圖,為發(fā)射探頭陣列某陣元發(fā)射,接收探頭陣列所有陣元接收的波形排列?？梢钥闯?波形圖的變化有一定的規(guī)律性,但由于直達波、邊角散射和界面波型轉(zhuǎn)換等干擾波形的存在,使得整個波形顯得十分復(fù)雜,不能明顯地分辨出圓孔的散射波。

圖4為利用式(1)對整個樣品進行圖像重建的結(jié)果。其中中央圓孔的像比較清晰,但是也增加了很多不存在的偽像,這主要是由于直達波的影響,當然式(1)中各修正項的合理選擇對成像的效果也有很大的影響。直達波的影響可以通過濾波手段去除,而各修正項的選擇則需要比較系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)的支持。

圖4 圖像重建的結(jié)果

4 結(jié)論

超聲導(dǎo)波檢測是石油儲罐在役檢測的主要手段,由于石油儲罐的結(jié)構(gòu)特點和工作條件的限制,超聲導(dǎo)波在儲罐檢測過程中的衰減尤為嚴重。探討了利用相控陣方法控制縱波探頭陣列提高超聲導(dǎo)波激勵能量的方法。針對實際中不同的可達檢測范圍,提出了可用的探頭陣列布置方式。為提高超聲信號的接收靈敏度,引入了數(shù)字聚焦方法,并給出了利用數(shù)字聚焦進行圖像重建的基本公式。試驗證明,利用該公式進行圖像重建是可行的,能夠?qū)θ毕莸奈恢煤托蚊驳葏?shù)作出較為準確的反演。但是應(yīng)用此方法進行聲成像時,在信號濾波,公式的簡化和實用化方面還需要進一步的工作。

[1]肖賢軍,劉麗川,劉子厚,等.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測儲罐底板缺陷[J].無損檢測,2008,30(1)：6-8.

[2]徐彥廷,劉富君,王亞東,等.大型立式儲罐綜合檢測技術(shù)[J].無損檢測,2007,29(8)：482-485.

[3]Greve D W,Zheng P,Oppenheim I J.Excitation of longitudinal and Lamb w aves in plates by edge-mounted transducers[C].Proc IEEE Ultrasonics Conference.New York,2007.

[4]Zhu W,Rose R L.Lamb w ave generation and reception with time delay periodic linear arrays：a BEM simulation and experimental study[J].IEEE Trans Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,1999(46)：654-664.

[5]Yang Y,Chen Y,Fu De.A new method of phased-array ultrasonic used in NDT[J].Sensor W orld,2003(5)：5-8.