CN113834874B - 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法 - Google Patents

基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113834874B
CN113834874B CN202111084680.6A CN202111084680A CN113834874B CN 113834874 B CN113834874 B CN 113834874B CN 202111084680 A CN202111084680 A CN 202111084680A CN 113834874 B CN113834874 B CN 113834874B
Authority
CN
China
Prior art keywords
defect
full
probe
civa
detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111084680.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113834874A (zh
Inventor
梁国安
王海涛
郑凯
许倩
范正
姚叶子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202111084680.6A priority Critical patent/CN113834874B/zh
Publication of CN113834874A publication Critical patent/CN113834874A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113834874B publication Critical patent/CN113834874B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/069—Defect imaging, localisation and sizing using, e.g. time of flight diffraction [TOFD], synthetic aperture focusing technique [SAFT], Amplituden-Laufzeit-Ortskurven [ALOK] technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/4472—Mathematical theories or simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/023—Solids
    • G01N2291/0234—Metals, e.g. steel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/0289—Internal structure, e.g. defects, grain size, texture
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0422—Shear waves, transverse waves, horizontally polarised waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/267—Welds
    • G01N2291/2675—Seam, butt welding

Abstract

本发明公开了一种基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，包括1)、根据接管角实际结构及材料属性，建立接管角焊缝的CIVA仿真三维模型，包含接管角焊缝典型缺陷的分布；2)、优化探头参数获得优良的检测声场，获得典型缺陷在两种检测激发模式下的声场响应结果图。3)、基于机械扫查得到的缺陷特征图谱，对角焊缝缺陷的进行定量，并比较两种方法下的定量误差。本发明提出的全聚焦定量方法能够直观显示裂纹等缺陷长度和取向特征，定量误差较小。且仿真中的被检试件、典型缺陷以及超声探头参数均按实际工业检测标准设置，基于专业仿真平台得到用于缺陷定量的全聚焦缺陷特征图像，相比于常规方法提高了缺陷定量精度，具有很好的建模指导意义。

Description

基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法
技术领域
本发明涉及一种基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，属于无损检测技术领域。
背景技术
角焊缝结构多存在于锅炉压力容器等承压类特种设备的接管与接管、筒体之间的连接处，此类特种设备在生产和生活占有很重要的地位。出于设计制造和安全考虑，压力容器受压元件之间主要采用焊接形式连接，角焊缝结构也存在着各种几何尺寸、形状。目前，角焊缝的检测主要使用射线或常规超声的检测方法，近年来，随着计算机技术的发展，相控阵超声检测技术在管道焊接接头检测中的应用也越来越多。特种设备安全技术规范中明确规定对于规定厚度的接管角焊缝应按要求进行无损检测，而由于不同接管的结构、几何尺寸的差异，角焊缝圆周的曲率及焊缝尺寸变化较大，为无损检测带来诸多不便，特别是超声检测使用何种形式探头、标准试块以及缺陷判定等。为保证压力容器的安全运行，如何有效地检测此类角焊缝至关重要。
接管角焊缝易产生裂纹、气孔、夹渣、未熔合等典型缺陷，裂纹和未熔合是材料与结构中最常见、危害性最大的缺陷类型之一。正确判断裂纹的长度、取向和位置等缺陷特征,对工件的安全性评价具有十分重要的意义。作为一种超声无损检测方法，常用于裂纹定量检测的方法有时间衍射法(TOFD)、半波高度法(-6dB)等，一般这些方法是基于常规聚焦模式进行定量。由于接管角焊缝结构复杂，使得声场路径相对复杂，增加了超声检测的难度以及试验参数、检测位置等难以确定，因此基于常规聚焦模式进行定量，检测精度以及图像分辨率低，不能很好的反映缺陷形貌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，解决现有技术中存在的问题。
为了解决上述技术问题，发明采用如下方案实现：
一种基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，包括如下步骤：
S0：设计接管角连接件试件，该试件包括支管和主管，所述支管和主管之间的接管角焊缝包含典型缺陷，对每个缺陷进行标号，并测量每个缺陷的参数；
S1：根据步骤S0中试件的尺寸、参数和材质，在CIVA仿真软件中试件的仿真三维模型；
S2：分析超声波换能器参数对角焊缝声场聚焦性能的影响，获得优质的角焊缝无损检测声场，确定检测探头最优参数；
S3：根据步骤S2确定的探头参数，确定检测探头固定位置，设置闸门宽度和步进角度，在常规扇扫以及全聚焦两种模式下，得到典型缺陷的B扫描检测结果，分别分析两种模式下的结果图像中缺陷位置及缺陷特征；
S4：依据探头固定位置的缺陷成像坐标，重新设置常规扇扫以及全聚焦两种模式下闸门宽度和步进角度，使得检测探头环绕接管角一周进行扫查，获得两种检测模式下的缺陷C扫描检测结果，获取两种模式下的缺陷响应图像；
S5：基于步骤S4中C扫描检测结果获得的缺陷分布特征及能量变化，开展缺陷定量检测工作，获得两种模式下的缺陷定量结果，并与试件的实际测量值进行比较评析。
全聚焦成像算法(Total Focusing Method,TFM)作为一种较为先进的成像算法，不同于常规的相控阵成像，它是一种后处理成像技术。全聚焦成像之前需要获得全矩阵数据(Full Matrix Capture,FMC)，全矩阵数据是通过获取全部发射、接收阵元对的回波信息来采集的。在获得全矩阵数据之后，利用全聚焦数据处理方法对成像区域进行聚焦，就可以得到成像区域的图像。全矩阵数据的采集是进行全聚焦成像的前提，全矩阵保存了成像区域内全部超声回波信号的幅值信息。全矩阵数据保存的是一个三维数据，三个维度分别是发射阵元号、接收阵元号和与时间采样点处相对应的A扫数据。而全聚焦成像算法首先把成像区域划分为多个虚拟聚焦点，接着求解每个聚焦点上的叠加幅值，从而得到图像上此点处的幅值，依次计算每一点的幅值从而实现被检测区域的成像。
本申请中提出的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，首先根据接管角实际结构及材料参数，建立试块(含缺陷)的CIVA仿真模型；其次调整各项检测参数，并分析探头频率、阵元数量、阵元间距等重要参数对声场聚焦性能的影响，确定检测的最终设置，保证最优的检测效果；最后获取各种扫查方式下的常规扇扫以及全聚焦的缺陷响应结果图像进行对比，同时采用-6dB法定量检测缺陷长度，并分析评估全聚焦检测接管角焊缝缺陷时具备的优势。本发明在仿真中可以有效地检测出接管角焊缝中典型的裂纹、未熔合等缺陷，具有较好的检测效果，同时对实际工业检测具有重要的指导意义。
进一步优化，所述步骤S1中接管角连接件试件，支管的尺寸包括内径、外径、厚度和长度，主管的尺寸包括内径、外径、厚度和高度，接管角焊缝缺陷的参数包括类型、位置、深度和长度。
进一步优化，所述步骤S2中检测探头参数包括探头频率、阵元数量和阵元间距。
进一步优化，所述步骤S3中获取常规扇扫以及全聚焦两种模式下缺陷响应结果图像的具体做法是：
S31，在阵列设置Array settings里选择unisequential进行全激发常规扇形扫查，获取缺陷响应图像并记录下缺陷的声程或者深度；
S32，在Array settings里重新选择全矩阵采集Full matrix capture功能，获得缺陷响应图像并记录下缺陷的声程或者深度；
S33，分别对每个缺陷进行对比和分析评估。
进一步优化，步骤S5中采用-6dB法定量检测缺陷长度。
进一步优化，步骤S1中接管角连接件试件，支管和主管的尺寸、每个缺陷的参数、探头参数及步骤S0中接管角焊缝缺陷标号，如下表1所示。
表1 CIVA仿真模型具体参数设置表
其中，5#焊缝缺陷参数为6×6mm的矩形缺陷。接管角焊缝为环形，呈马鞍状，支管的中心线与主管的中心线确定一平面，接管角焊缝与该平面的相交部分为沿主管上表面的两个线段，以左端的线段所在位置为起点，记为0刻度，探头以该起点开始逆时针沿焊缝移动，当检测当某个缺陷时，该缺陷与0刻度线之间的弧线长度值即为该缺陷的位置数据。
进一步优化，步骤S2中确定的探头最优参数：探头频率为2.25MHz，阵元数目为32，阵元间距为1.0mm。
进一步优化，对比5号缺陷在常规扇扫和全聚焦两种模式下的响应结果图像，得出：全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，缺陷图像更清晰，分辨力更好，并且各阵元的信号幅值也更高。
进一步优化，步骤S3中固定探头位置为80mm和150mm，该距离为探头楔块与支管之间的垂直距离；常规扇扫时，80mm处检测5，6号缺陷时选择闸门宽度为80us-160us，步进为1°；150mm处检测1、2、3、4号缺陷时，闸门宽度为80us-160us，步进为4°；
使用全聚焦的激发方式和全矩阵捕获的采集方式时，80mm处闸门宽度为75us-110us，步进为3°；150mm处闸门宽度为75us-110us，步进为3°。
进一步优化，所述步骤S4中，再次获取常规扇扫以及全聚焦环绕接管角一周的扫查缺陷成像，比较80mm处常规扇扫和全聚焦360°的缺陷响应结果图，得出全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，图像下方的结构波成像更为清晰，同时对于较小的点状缺陷也能较为准确地确定其深度位置；然后，采用-6dB法定量检测缺陷长度，在全聚焦的A扫图中取得2、3号缺陷最高处幅值，往两侧取得幅值下降6db时探头所在角度，作差后根据步骤S0中缺陷所在半径，求得缺陷长度，再与表1中实际设计长度进行比对，发现全聚焦方法所测数值更接近于实际设计的长度，依此方法获得测量的全部缺陷长度如下表2所示。
表2 全部缺陷检测长度和实际长度比对表
缺陷编号 常规扇扫检测长度 全聚焦检测缺陷长度 实际设计长度
1 52.3mm 60.9mm 63mm
2 33.6mm 42.1mm 48mm
3 47.1mm 58.9mm 57mm
4 29.3mm 36.4mm 35mm
5 5.1mm 6.4mm 6mm
6 40.2mm 43.8mm 46mm
得出评估结论：采用全聚焦方法不仅对缺陷的成像更为清晰，而且定量缺陷长度也比常规扇扫更加精确，全聚焦方法在对接管角焊缝缺陷的横波检测中具有较为明显的优势。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够基于全聚焦方法，进一步提高对接管角焊缝相控阵超声检测的效果和准确性。
2、本发明的方法通过仿真建立了接管角焊缝模型，探讨了针对此类结构的探头检测频率和位置等参数的设置，为实际的检测提供了一定理论基础，具有较好的通用性和实用性。
3、本发明对于实现接管角焊缝相控阵超声检测与评价、提高超声无损检测的效率和质量具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为接管角连接件试件的结果示意图。
图3为接管角连接件试件的仿真模型图。
图4为优化后的角焊缝超声阵列声场图。
图5为检测声束在不同入射模式下的接管角焊缝中的覆盖范围图，其中图5(a)为一次波入射时声束覆盖范围图；图5(b)为二次波时声束覆盖范围图；图5(c)为一次波与二次波相结合时的声束覆盖范围图。
图6为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm、80mm与120mm时的扫查情况与对于根部缺陷的检测结果仿真图；
其中，图6(a)为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm时的扫查示意图；图6(b)为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm时，焊缝根部缺陷的检测结果仿真图；
图6(c)为探头楔块前沿距离支管外表面为80mm时的扫查示意图；图6(d)为探头楔块前沿距离支管外表面为80mm时，焊缝根部缺陷的检测结果仿真图；
图6(e)为探头楔块前沿距离支管外表面为120mm时的扫查示意图；图6(f)为探头楔块前沿距离支管外表面为120mm时，焊缝根部缺陷的检测结果仿真图；
图7为探头楔块前沿距离支管外表面分别为120mm、150mm与180mm时的扫查情况与对于上部缺陷的检测结果仿真图；
其中，图7(a)为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm时的扫查示意图；图7(b)为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm时，焊缝上部缺陷的检测结果仿真图；
图7(c)为探头楔块前沿距离支管外表面为80mm时的扫查示意图；图7(d)为探头楔块前沿距离支管外表面为80mm时，焊缝上部缺陷的检测结果仿真图；图7(e)为探头楔块前沿距离支管外表面为120mm时的扫查示意图；图7(f)为探头楔块前沿距离支管外表面为120mm时，焊缝上部缺陷的检测结果仿真图；
图8为常规模式下6号缺陷的响应结果图。
图9为常规模式下5号缺陷的B扫图。
图10为全聚焦模式下5号缺陷的的B扫图。
图11为焊缝根部缺陷常规模式下一周扫查获得的缺陷C扫描图谱。
图12为焊缝上部缺陷常规模式下一周扫查获得的缺陷C扫描图谱。
图13为全聚焦模式下根部缺陷一周扫查获得的缺陷C扫描图谱。
图14为全聚焦模式下1号缺陷一周扫查获得的缺陷C扫描图谱。
图15分为全聚焦模式下1号缺陷一周扫查获得的缺陷A扫描图谱。
图16为全聚焦模式下3号缺陷一周扫查获得的缺陷C扫描图谱。
图17分为全聚焦模式下3号缺陷一周扫查获得的缺陷A扫描图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种基于CIVA的接管角焊缝全聚焦定量检测方法，包括如下步骤：
S0：设计接管角连接件试件，如图2所示，该试件包括支管2和主管1，所述支管2和主管1之间的接管角焊缝3包含典型缺陷，对每个缺陷进行标号，并测量每个缺陷的参数；
S1：根据步骤S0中试件的尺寸、参数和材质，在CIVA仿真软件中试件的仿真三维模型；
S2：分析超声波换能器参数对角焊缝声场聚焦性能的影响，获得优质的角焊缝无损检测声场，确定检测探头4最优参数，得到此时的仿真声场如图4所示；
S3：根据步骤S2确定的探头参数，确定检测探头4固定位置，设置闸门宽度和步进角度，在常规扇扫以及全聚焦两种模式下，得到典型缺陷的B扫描检测结果，分别分析两种模式下的结果图像中缺陷位置及缺陷特征；
S4：依据探头固定位置的缺陷成像坐标，重新设置常规扇扫以及全聚焦两种模式下闸门宽度和步进角度，使得检测探头环绕接管角一周进行扫查，获得两种检测模式下的缺陷C扫描检测结果，获取两种模式下的缺陷响应图像；
S5：基于步骤S4中C扫描检测结果获得的缺陷分布特征及能量变化，开展缺陷定量检测工作，获得两种模式下的缺陷定量结果，并与试件的实际测量值进行比较评析。
在本实施例中，根据试件的尺寸、参数和材质，在CIVA仿真软件中试件的仿真三维模型，具体为：在CIVA软件中选择Nozzle模式，仿真模型、检测探头设置、缺陷设置参数均根据接管角焊缝实际试件进行设定，具体参数数据如下表3所示，CIVA仿真模型如图3所示。
表3 CIVA仿真模型具体参数设置表
其中，5#焊缝缺陷参数为6×6mm的矩形缺陷。接管角焊缝为环形，呈马鞍状，支管的中心线与主管的中心线确定一平面，接管角焊缝与该平面的相交部分为沿主管上表面的两个线段，以左端的线段所在位置为起点，记为0刻度，探头以该起点开始逆时针沿焊缝移动，当检测当某个缺陷时，该缺陷与0刻度线之间的弧线长度值即为该缺陷的位置数据。
在本实施例中，所述步骤S2的分析探头频率、阵元数量和阵元间距等重要参数对角焊缝声场聚焦性能的影响，并确定全聚焦检测最优参数的具体步骤包括：
首先利用CIVA仿真平台计算2.25MHz和5MHz这两种常用频率检测探头的声场分布。以45°焊缝坡口处为例进行分析。
其次，就同样位置16阵元与32阵元的探头阵列的声场效果和成像效果进行对比。
最后，阵元间距也是探头的重要参数之一，间距大小会影响超声波的主瓣与旁瓣，从而影响其检测效果。同样取45°焊缝坡口处阵元间距分别为0.5mm、1.0mm的CIVA仿真图进行分析。
综上，确定最优检测探头参数为频率2.25MHz、32阵元，阵元间距为1.0mm。此时获得焊缝坡口处的全聚焦声场仿真图如图4所示。
本实施例中，对探头声束覆盖范围进行研究，图5为检测声束在不同入射模式下的接管角焊缝中的覆盖范围图。图5(a)为一次波入射时声束覆盖范围，图中显示当采用一次波模式时，检测声束覆盖范围集中在接管焊缝根部区域；图5(b)为二次波时声束覆盖范围，二次波入射声束覆盖范围主要集中在焊缝上部区域；图5(c)为一次波与二次波相结合时的声束覆盖范围图，图中显示结合直入射与一次波组合扫查，能够实现焊缝根部及上部区域的大范围覆盖。因此本研究在开展声束模拟检测试验时针对焊缝根部缺陷采用一次波检测方法，针对焊缝上部缺陷使用二次波覆盖检测的方法。一次波二次波结合的检测方式也是可能存在覆盖不均匀的情况，所以需要调整探头位置使声束能全覆盖焊缝区域，达到无遗漏检测。并且由于焊缝形状为马鞍形、探头放置的主管曲率是不断变化的，因此选择合适的探头检测位置有助于主声束能量在被检焊缝区域聚焦。
本实施例中中，对于焊缝上部缺陷与根部缺陷合适的探头检测位置的实验与分析如下：
(1)针对焊缝根部缺陷：首先利用超声相控阵的一次波对焊缝根部进行检测，图6为探头楔块前沿距离支管外表面为40mm、80mm与120mm时的扫查情况与对于根部缺陷的检测结果仿真图。图5(a)、(b)为距离40mm时的扫查情况，从图中可以看出，探头与支管外壁较近，并且扇扫仿真图中缺陷响应信号较弱；图6(c)、(d)为距离为80mm时的扫查情况，声束完全覆盖在焊缝根部，检测效果较好，并且从缺陷扇扫仿真图中也可以发现此时的声束对于焊缝根部缺陷有较好的检测效果，信噪比较高；图6(e)、(f)为距离为120mm时的扫查情况，从扫查情况可以发现声束明显已经偏移根部。综合上述三次仿真实验，为保障焊缝根部得到较好的声束覆盖，选取距离为80mm检测焊缝根部区域。
(2)针对焊缝上部缺陷：本次试验主要利用二次波，即反射波对焊缝的上半部分进行检测，图7为楔块前沿距离针对焊缝外表面分别为120mm、150mm与180mm时的扫查情况与对于上部缺陷的检测结果仿真图。图7(a)、(b)为距离120mm时的扫查情况，从扫查情况图中可以看出此距离存在焊缝上部扫查区域遗漏的情况，遗漏区域由黑色圆圈标识；图7(c)、(d)为距离150mm时的扫查情况，从图中可以看出声束对于焊缝上部覆盖较为完整；图7(e)、(f)为距离180mm时的扫查情况，从图中可以看出主声束集中于主管壁上，焊缝上部检测声束覆盖差。
综合上述三次仿真实验，当探头前沿距离针对焊缝外表面150mm时二次波检测声束在焊缝处的覆盖范围最广，所以对于焊缝上部的检测决定采用距离为150mm。
通过上述仿真实验，在调整扫查区域与阵元数量后，最终确定两次扫查的参数如表4所示。
表4 扫查参数
在本实施例中，所述步骤S3固定探头位置，获取常规扇扫以及全聚焦的缺陷响应结果图像并进行对比和分析评估，具体为：
首先，在Array settings(阵列设置)里选择unisequential进行全激发常规扇形扫查，获取缺陷响应图像后记录下缺陷的声程(单位：us)或者深度(单位:mm),以确认与全聚焦图像对比时为同一缺陷的响应图像。
其次，在Array settings里重新选择Full matrix capture(全矩阵采集)功能，获得缺陷相应结果。
最后，进行对比和分析评估：如图8所示，6号缺陷的扇扫显示该缺陷深度约在74mm处，与步骤S1中仿真模型参数设置表中一致。如图9、10所示，对比5号缺陷常规扇扫和全聚焦响应(86us处)的两次仿真图像，不难得出，全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，缺陷图像更清晰，分辨力更好，并且各阵元的信号幅值也更高，同时全聚焦缺陷响应图像上下尖端2.6us声程的时间差结合横波声速，求得6.08mm的近似缺陷深度尺寸,与实际设计一致。
在本实施例中，所述步骤S4调整并设置步进角度和次数，再依据固定探头位置的缺陷成像坐标，重新设置闸门宽度，使得探头环绕接管角一周进行扫查，保证较好的检测效果和合适的仿真时长具体为：常规扇扫时，由于仿真计算量相对较少，80mm处检测5、6号缺陷时选择闸门宽度为80us-160us,步进为1°；150mm处检测1、2、3、4号缺陷时，由于扫查半径增大和二次波检测等原因，仿真时间较长，故闸门宽度不变，步进改为4°。使用全聚焦的激发方式和全矩阵捕获的采集方式时，选择步进为3°，80mm处闸门宽度为75us-110us，150mm处扫查7次，在21°的扇形范围内使探头扫查分别覆盖到2、3号缺陷处，分别微调闸门宽度，全部进行C扫描检测。获取的80mm处、150mm处360°常规扇扫图像分别如11、12所示，获取的80mm处360°、150mm处2、3号全聚焦响应图像分别如图13、14、15、16和17所示。
在本实施例中，所述步骤S5再次获取常规扇扫以及全聚焦环绕接管角一周的扫查缺陷成像，对比各缺陷的响应结果并进行评估具体为：首先，比较80mm处常规扇扫和全聚焦360°的缺陷响应结果图，如图12、图13所示；同样可以得出，全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，所以图像下方的结构波成像更为清晰，同时对于较小的点状缺陷也能较为准确地确定其深度位置。然后，采用-6dB法定量检测缺陷长度，如图14,15所示，在全聚焦的A扫图中取得2、3号缺陷最高处幅值，往两侧取得幅值下降6db时探头所在角度，作差后根据设置的缺陷所在半径，求得缺陷长度，再与表1中实际长度进行比对，可以发现全聚焦方法所测数值更接近于实际设计的长度。最后，依此方法获得测量的全部缺陷长度如下表5所示。
表5 全部缺陷检测长度和实际长度比对表
缺陷编号 常规扇扫检测长度 全聚焦检测缺陷长度 实际设计长度
1 52.3mm 60.9mm 63mm
2 33.6mm 42.1mm 48mm
3 47.1mm 58.9mm 57mm
4 29.3mm 36.4mm 35mm
5 5.1mm 6.4mm 6mm
6 40.2mm 43.8mm 46mm
综上，我们可以得出评估结论：采用全聚焦方法不仅对缺陷的成像更为清晰，而且定量缺陷长度也比常规扇扫更加精确，全聚焦方法在对接管角焊缝缺陷的横波检测中具有较为明显的优势。
本发明所述的方法，结合了无损检测领域的全聚焦方法与相控阵超声技术，在图8至图13中，合理选择适当的探头位置、聚焦法则、步进角度及次数等参数进行仿真。比如，根据图9、10中固定探头时确定的大致缺陷深度，来适当缩小图11-图13中的闸门宽度以保证缺陷成像在中心位置和减少仿真时长，而在图9、10中缺陷上下端声程的时间差乘超声横波在接管角中传播速度也可近似定量缺陷的深度尺寸。
利用仿真得到的图像特征对缺陷进行长度定量，如图14、15、16和17所示，在全聚焦的A扫图中取得2、3号缺陷最高处幅值，往两侧取得幅值下降6db时探头所在角度，作差后根据设置的缺陷所在半径，求得缺陷长度，再与表1中实际长度进行比对，可以发现全聚焦方法所测数值更接近于实际设计的长度，这是全聚焦检测接管角焊缝缺陷时所具备的优势。利用常规超声B扫描图像对缺陷长度定量时，图像中缺陷上下端回波的时间差变化会引起较大的定量误差。基于全阵列信号采集(full matrix capture，FMC)的超声相控阵成像技术，借助全聚焦(total focusing method，TFM)成像算法实现成像区域中每一个点的虚拟聚焦，进而通过高分辨率图像显示缺陷两端的实际位置，以直观、准确地确定缺陷的长度，成像的定量精度更优。本发明的方法能较好地结合全聚焦方法和相控阵超声技术，对接管角焊缝的常见缺陷进行定量检测与评估，具有较好的检测效果，同时对实际工业检测具有重要的指导意义。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S0：设计接管角连接件试件，该试件包括支管和主管，所述支管和主管之间的接管角焊缝包含典型缺陷，对每个缺陷进行标号，并测量每个缺陷的参数；
S1：根据步骤S0中试件的尺寸、参数和材质，在CIVA仿真软件中试件的仿真三维模型；
S2：分析超声波换能器参数对角焊缝声场聚焦性能的影响，获得优质的角焊缝无损检测声场，确定检测探头最优参数；
S3：根据步骤S2确定的探头参数，确定检测探头固定位置，设置闸门宽度和步进角度，在常规扇扫以及全聚焦两种模式下，得到典型缺陷的B扫描检测结果，分别分析两种模式下的结果图像中缺陷位置及缺陷特征；
所述获取常规扇扫以及全聚焦两种模式下缺陷响应结果图像的具体做法是：
S31，在阵列设置Array settings里选择unisequential进行全激发常规扇形扫查，获取缺陷响应图像并记录下缺陷的声程或者深度；
S32，在Array settings里重新选择全矩阵采集Full matrix capture功能，获得缺陷响应图像并记录下缺陷的声程或者深度；
S33，分别对每个缺陷进行对比和分析评估；
S4：依据探头固定位置的缺陷成像坐标，重新设置常规扇扫以及全聚焦两种模式下闸门宽度和步进角度，使得检测探头环绕接管角一周进行扫查，获得两种检测模式下的缺陷C扫描检测结果，获取两种模式下的缺陷响应图像；
S5：基于步骤S4中C扫描检测结果获得的缺陷分布特征及能量变化，开展缺陷定量检测工作，获得两种模式下的缺陷定量结果，并与试件的实际测量值进行比较评析。
2.根据权利要求1所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：所述步骤S1中接管角连接件试件，支管的尺寸包括内径、外径、厚度和长度，主管的尺寸包括内径、外径、厚度和高度，接管角焊缝缺陷的参数包括类型、位置、深度和长度。
3.根据权利要求2所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：所述步骤S2中检测探头参数包括探头频率、阵元数量和阵元间距。
4.根据权利要求3所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：步骤S5中采用−6 dB 法定量检测缺陷长度。
5.根据权利要求1所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：步骤S1中接管角连接件试件，支管和主管的尺寸、每个缺陷的参数、探头参数及步骤S0中接管角焊缝缺陷标号，如下表1所示：
表1 CIVA仿真模型具体参数设置表
；
其中，5#焊缝缺陷参数为6×6mm的矩形缺陷。
6.根据权利要求5所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：步骤S2中确定的探头最优参数：探头频率为2.25MHz，阵元数目为32，阵元间距为1.0mm。
7.根据权利要求6所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：对比5号缺陷在常规扇扫和全聚焦两种模式下的响应结果图像，得出：全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，缺陷图像更清晰，分辨力更好，并且各阵元的信号幅值也更高。
8.根据权利要求7所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：步骤S3中固定探头位置为80mm和150mm，该距离为探头与支管表面之间的垂直距离；常规扇扫时，80mm处检测5，6号缺陷时选择闸门宽度为80us-160us，步进为1°；150mm处检测1、2、3、4号缺陷时，闸门宽度为80us-160us，步进为4°；
使用全聚焦的激发方式和全矩阵捕获的采集方式时， 80mm处闸门宽度为75us-110us，步进为3°；150mm处闸门宽度为75us-110us，步进为3°。
9.根据权利要求8所述的基于CIVA仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法，其特征在于：所述步骤S4中，再次获取常规扇扫以及全聚焦环绕接管角一周的扫查缺陷成像，比较80mm处常规扇扫和全聚焦360°的缺陷响应结果图，得出全聚焦比常规相控阵扇扫能量更为集中，图像下方的结构波成像更为清晰，同时对于较小的点状缺陷也能较为准确地确定其深度位置；然后，采用−6 dB 法定量检测缺陷长度，在全聚焦的A扫图中取得2、3号缺陷最高处幅值，往两侧取得幅值下降6db时探头所在角度，作差后根据步骤S0中缺陷所在半径，求得缺陷长度，再与表1中实际设计长度进行比对，发现全聚焦方法所测数值更接近于实际设计的长度，依此方法获得测量的全部缺陷长度如下表2所示：
表2 全部缺陷检测长度和实际长度比对表
；
得出评估结论：采用全聚焦方法不仅对缺陷的成像更为清晰，而且定量缺陷长度也比常规扇扫更加精确，全聚焦方法在对接管角焊缝缺陷的横波检测中具有较为明显的优势。
CN202111084680.6A 2021-09-16 2021-09-16 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法 Active CN113834874B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111084680.6A CN113834874B (zh) 2021-09-16 2021-09-16 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111084680.6A CN113834874B (zh) 2021-09-16 2021-09-16 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113834874A CN113834874A (zh) 2021-12-24
CN113834874B true CN113834874B (zh) 2023-11-17

Family

ID=78959483

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111084680.6A Active CN113834874B (zh) 2021-09-16 2021-09-16 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113834874B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116381052B (zh) * 2023-06-07 2024-03-01 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 一种tofd检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520067A (zh) * 2011-12-16 2012-06-27 北京工业大学 一种基于civa仿真软件的管座角焊缝检测方法
CN103336055A (zh) * 2013-06-08 2013-10-02 大连理工大学 用相控阵超声检测核电站主回路管道焊缝质量的方法
CN103728375A (zh) * 2014-01-13 2014-04-16 国家电网公司 Gis端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法
CN108226283A (zh) * 2016-12-22 2018-06-29 湘潭宏远电子科技有限公司 一种未焊透焊缝的超声波检测装置
CN109239184A (zh) * 2018-08-13 2019-01-18 广州多浦乐电子科技有限公司 一种管座角焊缝超声相控阵检测方法
CN109682891A (zh) * 2019-02-01 2019-04-26 江苏方天电力技术有限公司 一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法
CN213875548U (zh) * 2020-11-26 2021-08-03 淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司 一种基于超声技术的角焊缝测试试块

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2925690B1 (fr) * 2007-12-21 2010-01-01 V & M France Controle non destructif,en particulier pour des tubes en cours de fabrication ou a l'etat fini.
US8301401B2 (en) * 2010-08-31 2012-10-30 Babcock & Wilcox Technical Services Group, Inc. Low profile encircling ultrasonic probe for the inspection of in-situ piping in immersion mode

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520067A (zh) * 2011-12-16 2012-06-27 北京工业大学 一种基于civa仿真软件的管座角焊缝检测方法
CN103336055A (zh) * 2013-06-08 2013-10-02 大连理工大学 用相控阵超声检测核电站主回路管道焊缝质量的方法
CN103728375A (zh) * 2014-01-13 2014-04-16 国家电网公司 Gis端部法兰与筒体角焊缝评估装置及其无损评估方法
CN108226283A (zh) * 2016-12-22 2018-06-29 湘潭宏远电子科技有限公司 一种未焊透焊缝的超声波检测装置
CN109239184A (zh) * 2018-08-13 2019-01-18 广州多浦乐电子科技有限公司 一种管座角焊缝超声相控阵检测方法
CN109682891A (zh) * 2019-02-01 2019-04-26 江苏方天电力技术有限公司 一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法
CN213875548U (zh) * 2020-11-26 2021-08-03 淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司 一种基于超声技术的角焊缝测试试块

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于 CIVA仿真小径薄壁管座角焊缝检测的相控阵探头 优化设计";陈光宇 等;《科技创新与应用》;第1-7页 *
Numerical Simulation of Additively Manufactured Metal Component;Mastan Raja Papanaboina et al;《12th Symposium on NDT in Aerospace - Williamsburg》;第1-29页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113834874A (zh) 2021-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5535044B2 (ja) 被検体の超音波無破壊試験のための回路装置
WO2020048373A1 (zh) 一种基于相控阵超声探伤仪的中大径薄壁管无损检测方法
US7168322B2 (en) Method for ultrasonic control of weld joints
CN111537612B (zh) 一种奥氏体不锈钢小径管焊接接头相控阵检测及评定方法
CN110018241A (zh) 基于超声相控阵的大型厚壁容器焊接接头缺陷的检测方法
KR101163549B1 (ko) 위상배열 초음파 탐상용 기본 보정시험편
CN105699492A (zh) 一种用于焊缝检测的超声成像方法
EP2546641B1 (en) Ultrasonic flaw detector and ultrasonic flaw detection method for objects having a complex surface shape
CN106680374A (zh) 一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法
CN106198740A (zh) 一种核电站主管道焊缝自动化相控阵超声检测方法
CN108414617A (zh) 铁素体类钢小径管对接环焊缝相控阵超声检测方法
CN110988139A (zh) 一种浮标底板与舢板焊接相控阵超声检测方法
CN108562647A (zh) Pa-tofd结合的聚乙烯管道热熔对接接头超声检测装置及方法
KR20100124242A (ko) 위상배열 초음파 탐상을 위한 보정(대비)시험편 및 보정절차
CN113834874B (zh) 基于civa仿真及分析接管角焊缝缺陷的方法
CN109682891B (zh) 一种利用仿真辅助小径管检测缺陷性质判断的方法
CN114755298A (zh) 基于超声技术的道岔转辙机动作杆内部裂纹检测方法
CN112798685B (zh) 一种基于超声相控阵的u肋焊缝检测方法
KR20100124238A (ko) 위상배열 초음파 탐상을 위한 보정(대비)시험편 및 보정절차
CN112255307A (zh) 一种用于全焊接球阀压盖焊缝的超声相控阵检测方法
WO2010019039A1 (en) Method and device for ultrasonic inspection
CN205691552U (zh) 一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置
CN108872400A (zh) 一种小径管焊接接头相控阵超声检测用对比试块
JP3497984B2 (ja) 超音波探傷装置
CN108241023B (zh) 装甲车辆车体焊缝多波束超声波检测工艺及其确定方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant