李 衍(無(wú)錫市鍋爐壓力容器學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)委會(huì) 無(wú)錫 214026)

承壓設(shè)備兩大CI法的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

李 衍
(無(wú)錫市鍋爐壓力容器學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)委會(huì) 無(wú)錫 214026)

介紹承壓設(shè)備超聲檢測(cè)計(jì)算機(jī)成像（CI）兩大主流技術(shù)——TOFD法和PAUT法有關(guān)檢測(cè)結(jié)果圖像顯示質(zhì)量的等級(jí)評(píng)定要點(diǎn)。相位灰度對(duì)比度和端部分辨力，是TOFD斑馬紋圖的像質(zhì)評(píng)定要素；相應(yīng)于脈沖回波動(dòng)態(tài)曲線的色譜顯示，是PAUT彩虹圖的像質(zhì)評(píng)定要素。結(jié)合焊接試樣中已知缺陷的檢測(cè)顯示，給出了像質(zhì)評(píng)定示例。引述了最新國(guó)際動(dòng)態(tài)，意在為國(guó)內(nèi)及早推出承壓設(shè)備CI法相關(guān)圖像質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提供有用借鑒。

超聲檢測(cè) TOFD 相控陣 圖像質(zhì)量 灰度級(jí) 色譜

在超聲計(jì)算機(jī)成像（CI）法中，圖像質(zhì)量是評(píng)價(jià)UT設(shè)備校驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)置正確與否的基本參數(shù)。

在TOFD法中，缺陷顯示的正負(fù)相位灰度對(duì)比度和端部分辨力是評(píng)估圖像質(zhì)量的重要參數(shù)。在相控陣法中，缺陷信號(hào)的圖像質(zhì)量，是用彩色色譜表征。此圖像色譜代表A型顯示中反射體的回波動(dòng)態(tài)曲線，借此可評(píng)估反射體尺寸。

本文介紹作為焊縫承壓設(shè)備N(xiāo)DE“現(xiàn)在進(jìn)行式”的兩大CI（計(jì)算機(jī)成像）法——TOFD法和相控陣法的圖像質(zhì)量評(píng)定要領(lǐng)，并結(jié)合焊接試樣中面型缺陷和體型缺陷的檢測(cè)顯示，給出像質(zhì)評(píng)定的示例。兩大CI法的圖像特征（“斑馬紋”圖和“彩虹”圖）概貌比照，如圖1所示。

圖1　焊縫兩大CI法圖像特征比照

1　衍射時(shí)差（TOFD）法

1.1TOFD 圖像特征

●1.1.1灰度條紋

TOFD法基于衍射現(xiàn)象，正負(fù)相位的聲波用相關(guān)于聲強(qiáng)的不同灰度級(jí)表示。此灰度級(jí)條紋（又稱(chēng)斑馬紋）由A掃描（或波形）信號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)，如圖2所示。

圖2　A掃描波形轉(zhuǎn)化為不同等級(jí)的灰度條紋

TOFD圖像一般是由A掃描的射頻波形轉(zhuǎn)換集積而成的黑白條紋顯示（通常稱(chēng)為D掃描顯示），TOFD黑白條紋的灰度層次與A掃描波形相位和波幅的對(duì)應(yīng)性如圖3所示。直通波和底波信號(hào)分別呈有一定寬度的、連續(xù)的黑白相間的條紋，中間的面狀缺陷，則呈現(xiàn)上端部信號(hào)和下端部信號(hào)轉(zhuǎn)化的兩道黑白相間的條紋，缺陷信號(hào)的條紋顯示介于直通波與底波信號(hào)條紋顯示之間。所有信號(hào)的條紋顯示均為多周期信號(hào)的條紋顯示。

圖3　A掃描波形與D掃描圖像的相關(guān)性

●1.1.2相位信息

TOFD灰度級(jí)條紋圖顯示相位信息，有些信號(hào)呈白-黑-白條紋，有些則呈黑-白-黑條紋。借此可識(shí)別波源（缺陷上端部或下端部等），也可用于缺陷定量。根據(jù)入射脈沖的相位（通常為負(fù)電壓），直通波是正相位；隨后，第一個(gè)衍射（缺陷上端部）信號(hào)是負(fù)相位，第二個(gè)衍射（下端部）信號(hào)是正相位，而底面信號(hào)是負(fù)相位。典型的TOFD布置和A掃描射頻波形及正負(fù)相位顯示的圖例見(jiàn)圖4。此相位信息對(duì)TOFD檢測(cè)圖像信號(hào)的解釋評(píng)定很有用，因此，射頻（RF）信號(hào)和不檢波信號(hào)常用于TOFD檢測(cè)。圖像中的相位信息可用于正確識(shí)別和表征信號(hào)屬性（如缺陷上端部和下端部，以及缺陷類(lèi)別等），也可用于缺陷準(zhǔn)確測(cè)深定高。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)TOFD布置與A掃描射頻波形及信號(hào)相位顯示

1.2TOFD像質(zhì)測(cè)評(píng)[1]

為測(cè)評(píng)TOFD圖像質(zhì)量等級(jí)，特制作了板厚60mm的焊接試板作為校驗(yàn)試樣，試樣中加工了兩條寬1mm的人工線槽和一個(gè)φ3mm 橫孔，分別代表面型和體型缺陷。

圖5即為測(cè)評(píng)TOFD法圖像質(zhì)量用的校驗(yàn)試樣和專(zhuān)用掃查器。掃查器由微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)需更換硬件，能同時(shí)進(jìn)行平行掃查和非平行掃查。

圖5　測(cè)評(píng)TOFD法圖像質(zhì)量用的校驗(yàn)試樣和專(zhuān)用掃查器

用TOFD雙探頭對(duì)上述校驗(yàn)試樣用不同中心間距（PCS）作TOFD檢測(cè)時(shí)，人工缺陷顯示的不同圖像質(zhì)量等級(jí)示例，如圖6～圖11所示。

圖6　線槽和橫孔的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（1）

圖7　線槽的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（2）

圖8　橫孔的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（3）

圖9　線槽和橫孔的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（4）

圖10　橫孔的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（5）

圖11　線槽的斑馬紋顯示和像質(zhì)評(píng)定例（6）

圖12歸納了面型和體型兩類(lèi)缺陷、三種等級(jí)的TOFD圖像質(zhì)量特征。Ⅰ級(jí)：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）輪廓清晰，給出的斷面測(cè)量值準(zhǔn)確；Ⅱ級(jí)：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）上清下糊，或上糊下清；Ⅲ級(jí)：缺陷上下端部斑馬紋（黑白條紋）上下不清。

以線槽（代表面型缺陷）TOFD圖像為例，其圖像質(zhì)量與線槽參數(shù)和檢測(cè)參數(shù)的相關(guān)性見(jiàn)表1。TOFD圖像的像質(zhì)評(píng)估用相位灰度對(duì)比度（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)）表示，端部分辨力高低評(píng)估用A、B、C表示。

圖12　TOFD圖像：“斑馬紋”顯示分級(jí)

表1　用TOFD法驗(yàn)證的圖像質(zhì)量分級(jí)（不同深度區(qū)）

2　相控陣（PA）法

2.1PA圖像特征

與TOFD法一樣，相控陣法的圖像質(zhì)量水平，也關(guān)系到焊縫超聲檢測(cè)設(shè)備的設(shè)置和檢測(cè)能力。測(cè)評(píng)方法也用焊接校驗(yàn)試樣中參考反射體的顯示圖像。典型的相控陣圖像（稱(chēng)為彩虹圖）有以下四種基色：

紅黃藍(lán)綠

理想的PA圖像示例見(jiàn)圖13。顯示色譜由紅→綠，代表回波聲強(qiáng)由強(qiáng)→弱。

圖13　理想的相控陣圖像示例

在脈沖回波法中，我們常用回波動(dòng)態(tài)曲線來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定量。必須采用ASME法規(guī)第V卷附錄VIII規(guī)定的基于斷裂力學(xué)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)或基于非波幅法的技術(shù)進(jìn)行定量時(shí)，則用缺陷端點(diǎn)尋找法定量。

相控陣（PA）是用多晶片（陣元）探頭的脈沖回波法，而多晶片用不同的時(shí)間或相位激發(fā)聲脈沖，如圖14和圖15所示。

圖14　由多陣元組成的相控陣探頭

圖15　相控陣激發(fā)脈沖和波前的形成

2.2PA像質(zhì)測(cè)評(píng)[2]

PA最常用的扇形掃描顯示的“下弦月”形圖像對(duì)應(yīng)于單晶脈沖法的回波動(dòng)態(tài)曲線。

為使相控陣圖像有對(duì)應(yīng)于100% DAC的正確顯示，典型相控陣圖像的四種基色（紅、黃、綠、藍(lán)）須呈現(xiàn)在參考反射體的扇形掃描顯示圖中。此圓弧長(zhǎng)度就是包含藍(lán)—綠—黃—紅—藍(lán)的包絡(luò)圖像（見(jiàn)圖16）。

圖16 含四種基色的相控陣扇形顯示

圖17示出了相控陣彩色編碼的B型顯示（橫斷面顯示）與A掃描信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)性。

圖17　彩色編碼的檢波A型顯示信號(hào)用于創(chuàng)建彩色編碼的B型顯示

ASME 2013在第四章新增的附錄NA P中，規(guī)定了PAUT的圖像解讀和評(píng)判，總共13張圖；其中7張是圖譜解讀理念，6張是典型焊接缺陷圖譜圖例。

PA像質(zhì)測(cè)評(píng)和PAUT讀譜必須諳悉圖像彩色與超聲波幅強(qiáng)度的相關(guān)性。UT數(shù)據(jù)常用彩色信號(hào)圖或“彩虹”圖（Rainbow color palette）顯示，彩色范圍代表一系列信號(hào)幅度。通常，白色代表0%信號(hào)幅度，藍(lán)色（或淺色）代表低信號(hào)幅度，紅色（或深色）代表判廢信號(hào)幅度[3]（見(jiàn)圖18）。

圖18 彩色信號(hào)、黑白信號(hào)與信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)性（ASME 2013）

圖19示出了相控陣對(duì)線槽作E掃所得彩虹圖的色譜與A掃信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)性[4]。

圖19　PA圖像色譜與A掃信號(hào)強(qiáng)度的相關(guān)性

優(yōu)質(zhì)像質(zhì)是確保PAUT缺陷檢測(cè)可靠和定量準(zhǔn)確的基本條件[5-6]。圖20說(shuō)明聲束角度校準(zhǔn)對(duì)缺陷準(zhǔn)確定位、表征的重要性；圖21說(shuō)明像質(zhì)和光標(biāo)位移取值對(duì)缺陷準(zhǔn)確定量的重要性。

圖20　未校準(zhǔn)的試件B掃顯示和折射角已校準(zhǔn)的B掃顯示比照

圖21　焊接試樣裂紋實(shí)高(參數(shù)α)與PAUT S掃顯示裂紋測(cè)高(參數(shù)a)

有缺陷顯示的超聲相控陣圖像，按顯示的基色組成可劃分成三種質(zhì)量等級(jí)，如圖22所示。

圖22　相控陣超聲圖像的質(zhì)量分級(jí)

3　小結(jié)

當(dāng)今成為承壓設(shè)備計(jì)算機(jī)超聲成像檢測(cè)（CI）技術(shù)主流的TOFD法和PAUT法，系統(tǒng)校驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)置關(guān)系到檢測(cè)結(jié)果的圖像顯示，而圖像顯示的有效性與可靠性相關(guān)于圖像質(zhì)量。

1）TOFD法的圖像質(zhì)量等級(jí)一分為三，像質(zhì)參數(shù)主要有兩個(gè)：一是相位對(duì)比度，二是端部分辨力。

2）PAUT法的圖像質(zhì)量等級(jí)也一分為三，按原色組成（紅黃藍(lán)綠）劃分，對(duì)應(yīng)于A掃描動(dòng)態(tài)回波曲線。影響像質(zhì)的參數(shù)主要是：頻率、角度、聚焦法則。

以上有關(guān)承壓設(shè)備焊接接頭CI檢測(cè)圖像質(zhì)量評(píng)定的初步研討，可供國(guó)內(nèi)同仁操作借鑒。至于CI像質(zhì)的定量評(píng)價(jià)，各級(jí)CI像質(zhì)與系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置參數(shù)的相關(guān)性，還需結(jié)合檢測(cè)實(shí)際，進(jìn)一步深化、細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化。

[1] Nardoni G, Nardoni P, Folzano. Accuracy Capability of TOFD Technique in Ultrasonic Examination of Welds[R]. Rome：15th World Conference on Non Destructive Testing, 2000.

[2] Nardoni G, Certo M, Nardoni P, et al. Time of Flight Diffraction and Phased Array Techniques for the detection of small transversal in hydrocraking units welds in CrMoV steel[J]. Material Evaluation, 2011, 69（7）：890-891.

[3] ASME BPVC (2013) SectionⅤ，Art.4，NA P Phased Array (PAUT) Interpretation[S].

[4] R/D Tech. Introduction to Phased Array ultrasonic Technology Application: R/D Tech Guideline[M]. Quebec City, Canada, 2004.

[5] 王悅民，李衍，陳和坤. 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014：12.

[6] 李衍. 承壓設(shè)備PAUT典型缺陷圖譜解讀[A].第十屆全國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]. 南昌：2013，406-414.

Evaluation of Image Quality for Two CI Technologies Used in Inspection of Pressure Equipment

Li Yan
（NDT Subcommittee of Wuxi Boiler and Pressure Vessel Society Wuxi 214026）

The key points of evaluating displayed image quality in the two big mainstream CI (Computerized Imaging) technologies, namely TOFD and PAUT, are presented. The essential element of image quality is the grey level as phase contrast and the tips resolution in the Zebra of TOFD, and the spectrum of colors representing pulse echo dynamic curves in the Rainbow of PAUT. The evaluation examples are given, using the obtained displays in inspection of welded samples with some known artificial defects. By means of viewing the latest international development, the intention is to provide useful references for establishing image quality evaluation standards of CI technologies used in pressure equipment at home.

Ultrasonic testing TOFD Phased array Image quality Grey level Spectrum of colors

X959

B

1673-257X(2016)01-0053-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．013

李衍(1940～), 男，高級(jí)工程師，NDE責(zé)任工程師，從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作。

（2015-04-23）