CN116953084A - 一种ut检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，该方案中运用CIVA仿真技术对带有模拟缺陷的不同壁厚低温液氮储槽外筒试块进行UT检测工艺仿真研究。本方案的有益效果是：在该方案中运用CIVA仿真技术对带有模拟缺陷的不同壁厚低温液氮储槽外筒试块进行UT检测工艺仿真研究，主要目的是根据工件结构特点、典型缺陷及分布形式，采用不同探头及检测工艺参数，模拟分析工件中不同参数状态下的声场分布规律及缺陷信号反馈情况，确定出适合于不同试块缺陷检测的最佳检测工艺参数，为试块及探头设计，检测工艺优化及降低检测成本提供必要的依据及指导。
Description
技术领域
本发明涉及的是超声波检测领域，尤其是一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法。
背景技术
在现有技术中，风洞低温液氮储槽的外筒经过长时间的使用容易出现腐蚀凹坑和裂纹等缺陷，由于外筒中储存的大量液氮因此在日常检测时不能进行开罐检测，需要使用UT检测技术对外筒内表面进行检测，确定了缺陷危害存在后，再排出液氮开罐检修。但是由于外筒的种类较多，壁厚也各不相同，很难直接确定使用何种探头进行检测较为合理，如果探头选择不合理，则可能出现对外筒内表面的缺陷检测遗漏情况，导致液氮泄露、爆炸等安全事故发生。
因此，急需一种科学、精确的能够针对的外筒的不同壁厚来选择最适合检测的探头参数配置的方法，这是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法的技术方案，该方案运用CIVA仿真技术对带有模拟缺陷的不同壁厚低温液氮储槽外筒试块进行UT检测工艺仿真研究，主要目的是根据工件结构特点、典型缺陷及分布形式，采用不同探头及检测工艺参数，模拟分析工件中不同参数状态下的声场分布规律及缺陷信号反馈情况，确定出适合于不同试块缺陷检测的最佳检测工艺参数，为试块及探头设计，检测工艺优化及降低检测成本提供必要的依据及指导。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，包括有以下步骤：
a、根据待测外筒壁厚尺寸范围建立无缺陷声场仿真试块CIVA结构模型；
b、根据待测外筒壁厚尺寸范围建立缺陷响应仿真试块CIVA结构模型；
c、选择不同的探头对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，根据仿真结果总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律，初步确定针对不同厚度的外筒壁厚尺寸匹配的探头参数；再采用匹配的探头参数配置对缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及仿真结果分析，确定最优选的探头参数。
作为本方案的优选：步骤a中，无缺陷声场仿真试块CIVA结构模型为一个壁厚大于外筒壁厚最大尺寸的无缺陷声场仿真试块，该无缺陷声场仿真试块中声场能量分布与探头频率、探头直径及探头角度之间关系的规律分析能够涵盖外筒壁厚尺寸从最小到最大变化时的声场分布规律。
作为本方案的优选：步骤c中的探头参数包括有探头频率、探头扫描角度和探头直径。
作为本方案的优选：步骤b中，建立的缺陷响应仿真试块CIVA结构模型主要分为两类：
一类为：壁厚尺寸相同，缺陷尺寸不同的多个缺陷响应仿真试块；
另一类为：缺陷尺寸相同，壁厚尺寸不同且壁厚间距相等的多个缺陷响应仿真试块，缺陷响应仿真试块的壁厚尺寸范围与外筒壁厚尺寸范围一致；
上述两类缺陷响应仿真试块的缺陷类型均包含有模拟裂纹和模拟腐蚀凹陷的两种缺陷。
作为本方案的优选：步骤c中，在进行声场仿真和缺陷响应仿真之前需要建立声场仿真参数和缺陷响应仿真参数；
声场仿真的参数设置的基本原则为：保证超声波束对要求检测区域全覆盖；使检测区域位于主声束上声场能量损失不超过6dB的区域；
声场仿真参数包含探头参数、检测参数及计算参数；
缺陷响应仿真参数包括探头参数、检测参数、缺陷参数及计算参数。
作为本方案的优选：步骤c中，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真的步骤为：
c3-1、内表面危害性缺陷声场仿真分析：
使用接触式超声脉冲回波横波斜入射方法检测此类缺陷，检测时将探头置于试块外表面，超声波斜入射进入试块中在试块底面反射，当底面有裂纹类危害性缺陷时，超声波在缺陷处产生端角反射信号，该信号被探头探测到并形成较明显的缺陷显示信号；
具体步骤为：
c3-1-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-2、采用探头直径及探头角度不变，探头频率减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-3、采用探头频率及探头直径不变，探头角度增加的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-4、总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律；
c3-1-5、根据前述步骤的仿真数据及声场能量分布随探头参数变化的规律，通过计算初步推断出针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数；
c3-2、内表面非危害性缺陷声场仿真分析：
使用接触式超声脉冲回波纵波垂垂直入射方法，检测时将探头置于试块外表面，超声波束垂垂直入射进入试块，在试块底面反射，若底面无缺陷，反射回波深度一致，当底面存在腐蚀减薄缺陷时，缺陷处底波信号发生产生扰动或偏移，该信号被探头探测到相较于底波形成较明显的缺陷显示信号；
具体步骤为：
c3-2-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真；
c3-2-2、采用探头直径及探头角度不变、探头频率减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真；
c3-2-3、总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律；
c3-2-4、根据前述步骤的仿真数据及声场能量分布随探头参数变化的规律，通过计算初步推断出针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数。
作为本方案的优选：步骤c中，对缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真的具体步骤为：
c4-1、内表面危害性缺陷响应仿真分析：
c4-1-1、对相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的多个危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
根据步骤c3-1-5得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数，对各个试块进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中不同探头对同一裂纹缺陷的回波波幅值进行比较，从而确定出最优选的探头参数；
c4-1-2、对不同壁厚条件下，缺陷尺寸相同的多个危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
根据步骤c3-1-5得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数，对各个试块进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中，在不同壁厚条件下，不同探头对裂纹缺陷回波的声压降低值进行比较，从而确定出最优选的探头参数；
c4-2、内表面非危害性缺陷响应仿真分析：
c4-2-1、对相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的多个非危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
采用步骤c3-2-4中得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中不同探头对同一腐蚀凹坑缺陷的回波波幅值进行比较，从而确定出最优选的探头配置；
c4-2-2、对不同壁厚条件下，缺陷尺寸相同的多个非危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
采用步骤c3-2-4中得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中，在不同壁厚条件下，不同探头对腐蚀凹坑缺陷回波的声压降低值进行比较，从而确定出最优选的探头参数。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中运用CIVA仿真技术对带有模拟缺陷的不同壁厚低温液氮储槽外筒试块进行UT检测工艺仿真研究，主要目的是根据工件结构特点、典型缺陷及分布形式，采用不同探头及检测工艺参数，模拟分析工件中不同参数状态下的声场分布规律及缺陷信号反馈情况，确定出适合于不同试块缺陷检测的最佳检测工艺参数，为试块及探头设计，检测工艺优化及降低检测成本提供必要的依据及指导。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求和摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例中选择的外筒测试参数为：
内表面危害性缺陷超声响应仿真分析
1-1相同壁厚条件下，母材上的不同裂纹尺寸缺陷的UT检测信号响应强度分析。如壁厚52mm，裂纹深1mm、宽0.5mm、长1~10mm（间隔1mm）等条件下信号响应强度。
1-2相同壁厚条件下，焊缝上的不同裂纹尺寸缺陷的UT信号响应强度分析。如壁厚52mm，裂纹深1mm、宽0.5mm、长1~10mm（间隔1mm）等条件下信号响应强度。
1-3相同裂纹尺寸条件下，不同壁厚母材上裂纹缺陷的UT检测信号响应强度分析。如裂纹深1mm、宽0.5mm、长2mm,壁厚30mm~52mm（间隔2mm）等条件下信号响应强度。
1-4相同裂纹尺寸条件下，不同壁厚焊缝上裂纹缺陷的UT检测信号响应强度分析。如裂纹深1mm、宽0.5mm、长2mm,壁厚30mm~52mm（间隔2mm）等条件下信号响应强度。
内表面非危害性缺陷超声响应仿真分析
2-1相同壁厚条件下，母材上的不同表面腐蚀凹坑尺寸缺陷的UT检测信号响应强度分析。如壁厚52mm，腐蚀凹坑深1mm、直径1~10mm（间隔1mm）等条件下信号响应强度。
2-2相同壁厚条件下，焊缝上的不同表面腐蚀凹坑尺寸缺陷的UT检测信号响应强度分析。如壁厚52mm，腐蚀凹坑深1mm、直径1~10mm（间隔1mm）等条件下信号响应强度。
2-3相同表面腐蚀凹坑尺寸条件下，不同壁厚母材上表面腐蚀凹坑的UT检测信号响应强度分析。如腐蚀凹坑深1mm、直径2mm,壁厚30mm~52mm（间隔2mm）等条件下信号响应强度。
2-4相同表面腐蚀凹坑尺寸条件下，不同壁厚焊缝上表面腐蚀凹坑的UT检测信号响应强度分析。如腐蚀凹坑深1mm、直径2mm,壁厚30mm~52mm（间隔2mm）等条件下信号响应强度。
本实施例的设计思路如下：
①在分析研究仿真研究内容中关于试块及缺陷类型、尺寸及其变化范围等规定基础上，确定针对各试块缺陷的UT检测方法(纵波垂垂直入射法或横波斜入射法)及探头频率、探头直径及探头角度三个主要参数的范围，本实施例使用的超声检测方法及主要检测参数范围见表1。
②仿真分析首先研究壁厚60mm试块中，探头频率、探头直径及探头角度变化引起声场分布变化的规律，在上述规律基础上通过声场仿真计算得出适用于不同壁厚试块的最佳检测参数组合(探头频率、探头直径及探头角度)。
③使用声场仿真中各检测参数进行缺陷响应仿真，在缺陷响应仿真结果对比分析基础上给出推荐的完整UT检测工艺。
具体步骤为：
a、建立无缺陷声场仿真试块CIVA模型：
声场仿真是通过不同颜色/色彩表示声场分布空间内不同位置处声压/幅值的变化，结果显示为声场分布云图。声场仿真仅对声场空间内不同位置的声场能量进行计算，因此用于声场仿真的CIVA模型不包含缺陷。表1中进行声场仿真的试块壁厚范围为30～52mm，由于试块中声场能量的分布主要取决于产生超声波的探头频率、探头直径及探头角度等参数，与试块壁厚变化无关，为更好地描述壁厚范围为30～52mm试块中的声场能量分布，仿真模型壁厚应大于52mm，结合NB/T47013.3-2015规定，壁厚20～60mm为一个区间，对于壁厚60mm试块中声场能量分布与探头频率、探头直径及探头角度之间关系的规律分析可涵盖壁厚从30mm到52mm变化时的声场分布规律，因此，根据仿真内容要求用于声场仿真的试块尺寸可统一为60*320*450mm。
b、建立缺陷响应仿真试块CIVA模型：
缺陷响应仿真是对试块声场分布空间中不同位置、不同尺寸及类型缺陷与声能的相互作用引起缺陷处回波响应的仿真计算，缺陷响应仿真结果一般以A扫描、B扫描及C扫描等视图形式表示。缺陷响应仿真主要对试块中不同位置处不同尺寸及类型的缺陷回波能量进行计算，因此用于缺陷响应仿真的CIVA模型需在试块中相应位置设置人工反射体以模拟实际工件中该位置处的缺陷。
按照仿真研究内容要求，缺陷响应仿真CIVA模型可统一为两个系列：
系列一：相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的缺陷响应仿真试块：
S1：试块尺寸60*320*450mm(厚*宽*长)，试块的下表面刻有深度1mm，宽度0.5mm，长度为1～10mm(间隔1mm)10个人工槽用于模拟储槽外筒内表面不同尺寸的裂纹缺陷（危害性缺陷）。
S2：试块尺寸60*320*450mm(厚*宽*长)，试块的下表面钻深度1mm，直径为1～10mm(间隔1mm)10个人工平底孔用于模拟储槽外筒内表面不同尺寸的腐蚀凹坑缺陷（非危害性缺陷）。
系列二：不同壁厚尺寸下，缺陷尺寸相同的缺陷响应仿真试块：
S3：尺寸为 30*200*100mm(厚*宽*长)，试块厚度 30～52mm(厚度变化间隔2mm)，试块的下表面刻深度 1mm，宽度 0.5mm，长度 2mm 的人工槽模拟储槽外筒内表面裂纹缺陷（危害性缺陷）。
S4：30*200*100mm(厚*宽*长)，试块厚度 30～52mm(厚度变化间隔 2mm)，试块的下表面钻深度 1mm，直径 2mm 的平底孔模拟储槽外筒内表面腐蚀凹坑缺陷（非危害性缺陷）。
c、仿真参数设置、声场仿真以及缺陷响应仿真：
c1、进行声场仿真的参数设置：
声场仿真参数设置的基本原则为：①保证超声波束对要求检测区域全覆盖；②使检测区域位于主声束上声场能量损失不超过6dB的区域。
本实施例中的声场仿真参数包含探头参数、检测参数及计算参数等，具体参数设置见表 2。
c2、进行缺陷响应仿真的参数设置：
缺陷响应仿真参数包括探头参数、检测参数、缺陷参数及计算参数设置，缺陷响应参数设置中计算区域和探头随动，因此该区域尺寸应合理设置，既能保证运算精度又能保证运算速度，探头参数及检测参数设置见表2，缺陷参数及计算参数设置见表3。
c3、声场仿真：
c3-1、内表面危害性缺陷声场仿真分析：
使用接触式超声脉冲回波横波斜入射方法检测此类缺陷，检测时将探头置于试块外表面，超声波斜入射进入试块中在试块底面反射，当底面有裂纹类危害性缺陷时，超声波在缺陷处产生端角反射，该信号被探头探测到并形成较明显的缺陷显示信号（接触式非聚焦斜探头）。
基于上述声学原理，选取表1中主要仿真参数，探头频率分别选择2MHz、3.5MHz、5MHz；探头直径分别选择10mm、15mm、20mm；探头角度分别选择45°、60°及70°在壁厚60mm试块上进行声场仿真，以得到声场能量分布随上述参数变化的规律。
以上述声场能量分布规律为指导，计算分析得出与试块壁厚30～52mm(2mm间隔)各厚度相对应的探头能量最高点位于试块底面时的探头参数；同时进一步对厚度60mm试块进行声场仿真分析及参数优化，研究给出壁厚30～52mm(2mm间隔)各试块中声波主声束方向上声能量损失小于3dB区域覆盖试块底面时对应的探头参数，并给出进行缺陷响应仿真较为优化的参数配置。
横波斜入射声场能量分布规律获取及匹配的探头参数确定的步骤：
c3-1-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对厚度60mm无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，探头参数配置见表4。
上述仿真结果为：当探头频率及探头角度不变，探头直径减小时，声波主声束上声能量损失小于3dB区域长度变短，直径变小且上移，探头近场变短且声波穿透力逐渐下降，但在试块较薄区域的横向分辨力增加。
c3-1-2、采用探头直径及探头角度不变，探头频率减小的组合，对厚度60mm无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，探头参数配置见表5。
上述仿真结果为：探头直径及探头角度不变，探头频率减小时，声波主声束上声能损失小于3dB区域向上移且直径增大长度变短，探头近场变小，声波穿透力逐渐增加，纵向分辨力及横向分辨力降低。
c3-1-3、采用探头频率及探头直径不变，探头角度增加的组合，对厚度60mm无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，探头参数配置见表6。
仿真结果为：探头频率及探头直径不变，探头角度增大，声波主声束上声能损失小于3dB区域直径减小且整体上移，声波在楔块中声程增加导致探头在试块中近场变小，声波穿透力逐渐降低，但在试块较薄位置横向分辨力增加。
c3-1-4、横波斜入射声场能量分布规律总结：
对于接触式非聚焦斜探头而言，声波主声束上声能损失小于3dB区域(探头能量集中区)对检测工艺设计是比较重要的，该区域长度越长则相同信噪比状况下声束在试块厚度方向覆盖范围越宽；该区域直径/宽度越小则在试块中相应位置的横向分辨率越好，从而检测信噪比越高；该区域在试块中的位置上移则探头近场变小；该区域体积越大则声波能量越高，穿透性越好。
声场能量分布(近场、试块厚度方向覆盖范围、穿透力、分辨率等)与探头频率、探头直径、探头角度三者之间的关系见表7。
c3-1-5、当试块壁厚为30～52mm(以2mm间隔变化)时，匹配的探头参数的确定：
根据前述步骤的仿真数据及表7中声场能量分布与探头频率、探头直径、探头角度之间关系，通过计算可初步推断出检测各壁厚试块内表面危害性缺陷适配的探头参数，见表8，表中各探头参数可作为进行内表面危害性缺陷响应仿真时的探头参数输入。
在充分考虑声波穿透力、检测信噪比及纵横向分辨力基础上，参照前述仿真数据及仿真规律，可得出保证声波主声束上声能损失小于3dB区域完全覆盖壁厚30～52mm试块底面时对应的探头参数配置，见表9。鉴于试块底面缺陷特征及探头角度45°时端角反射信号最强，因此表中探头角度选择45°。
试块壁厚为30mm时，可选择表9中探头1，随着试块壁厚增加，当检测信噪比降低时(小于10dB)，可依次选择表9中的探头2和探头3。
c3-2、内表面非危害性缺陷声场仿真分析：
低温液氮储槽外筒内表面非危害性缺陷一般为内壁腐蚀减薄缺陷，针对该缺陷UT检测一般使用接触式超声脉冲回波纵波垂垂直入射方法，检测时将探头置于试块外表面，超声波束垂垂直入射进入试块，在试块底面反射，若底面无缺陷，反射回波深度一致(底波)，当底面存在腐蚀减薄缺陷时，缺陷处底波发生产生扰动或偏移，该信号被探头探测到相较于底波形成较明显的缺陷显示信号（接触式非聚焦直探头）。
基于上述声学原理，按照表1仿真主要参数，探头频率分别选择2MHz、3.5MHz、5MHz；探头直径分别选择10mm、15mm、20mm；探头角度选择0°进行声场仿真，在研究分析上述仿真结果并声场能量分布规律给出壁厚30～52mm(2mm间隔)各试块中声波主声束上声能损失小于3dB区域覆盖试块底面时对应的探头频率、探头直径等参数，并给出进行缺陷响应仿真较为优化的参数配置。
纵波垂直入射声场能量分布规律获取及匹配的探头参数确定的步骤：
c3-2-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对厚度60mm无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，探头参数配置见表10。
上述仿真结果为：当探头频率及角度不变，探头直径减小时，声波主声束上声能损失小于3dB区域长度变短，直径变小且上移，探头近场变短且声波穿透力逐渐下降，但在试块较薄区域的横向分辨力增加。
c3-2-2、采用探头直径及探头角度不变、探头频率减小的组合，对厚度60mm无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，探头参数配置见表11。
上述仿真结果为：探头直径及探头角度不变，探头频率减小时，声波主声束上声能损失小于3dB区域向上移且直径增大长度变短，探头近场变小，声波穿透力逐渐增加，纵向分辨力及横向分辨力降低。
c3-2-3、纵波垂直入射声场能量分布规律总结：
综合上述仿真结果，对于接触式非聚焦直探头而言，声场能量分布(近场、试块厚度方向覆盖范围、穿透力、分辨率等)与探头频率及探头直径之间的关系与接触式非聚焦斜探头类似，具体见表7。
c3-2-4、当试块壁厚为30～52mm(以2mm间隔变化)时，匹配的探头参数的确定：
根据前述步骤得到的仿真数据及表7中声场能量分布与探头频率、探头直径之间的关系，通过计算可初步推断出检测各壁厚试块内表面非危害性缺陷适配的探头参数，见表12，表中各探头参数可作为进行内表面非危害性缺陷响应仿真时的探头参数输入。
在充分考虑声波穿透力、检测信噪比及纵横向分辨力基础上，参照前述仿真数据及仿真规律，可得出保证声波主声束上声能损失小于3dB区域完全覆盖壁厚30～52mm试块的底面时对应的探头参数配置，见表13。鉴于试块底面缺陷的特征，当声波垂直入射至缺陷表面时反射信号最强，因此表中探头角度选择0°。
试块壁厚为30mm时，可选择表13中探头1，随着试块壁厚增加，当检测信噪比降低时(小于10dB)，可依次选择探头2及探头3。
c4、缺陷响应仿真：
c4-1、内表面危害性缺陷响应仿真分析：
c4-1-1、壁厚52mm试块内表面变尺寸模拟裂纹（即相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的缺陷响应仿真试块）缺陷响应仿真及结果分析：
通过参考表8和表9的数据，再增加部分其他探头参数作为对比，使用表14中各探头参数配置对壁厚52mm试块内表面变尺寸模拟裂纹进行缺陷响应仿真，以便对步骤c3-1的声场仿真结果及声场分布规律进一步验证，通过该仿真得到优化的检测工艺参数。本仿真主要通过缺陷响应仿真结果中不同探头对同一裂纹缺陷的回波波幅值比较从而确定出较为适合的探头配置。
仿真结果：表14中探头1～探头3在试块壁厚约52mm位置处的声场能量处于最高点，探头3～探头5声波主声束上声能损失小于3dB区域可覆盖壁厚约30～52mm位置。使用各探头参数配置进行缺陷响应仿真的缺陷回波幅值见表15。
仿真结果分析：
由表15的回波波幅结果对比可知：
①对于各缺陷而言，在不考虑材料晶粒度及衰减影响前提下，5M-14及5M-15相同，主要由于两者声场能量分布在52mm位置基本一致；5M-15/5M-14检测效果明显优于5M-12的原因是探头5M-12声场能量在壁厚52mm处已远低于5M-15/5M-14，若考虑晶粒度及衰减影响能量会更低，因此检测壁厚52mm处缺陷可不考虑使用5M-12。
②当缺陷长度小于5mm时，各探头回波波幅由高到低分别为：5M-15/5M-14、5M-12、4M-15、3.5M-18、2M-20，主要原因是未考虑材料晶粒度及衰减影响前提下，对于小缺陷而言检测能力主要取决于探头频率，当缺陷大于5mm时，各探头的检测能力已基本趋于一致。
③考虑到材料晶粒大小及衰减等影响，对于壁厚52mm试块内表面裂纹检测而言，为检测到尺寸更小的缺陷，应优先选用频率高的5M-15或5M-14探头，若检测信噪比降低(小于10dB)时，可逐步降低频率依次选择4M-15、3.5M-18、2M-20探头。
c4-1-2、壁厚30～52mm(以2mm间隔变化)试块内表面定尺寸模拟裂纹（不同壁厚尺寸下，缺陷尺寸相同的缺陷响应仿真试块）缺陷响应仿真：
参照表8和表9中的探头参数，对壁厚30～52mm(以2mm间隔变化)试块内表面尺寸1*0.5*2mm的模拟裂纹缺陷进行缺陷响应仿真，对缺陷回波的声压降低值进行比较，进一步验证声场仿真结果，各壁厚试块底面缺陷响应仿真结果及相应的最佳探头参数配置见表16。
c4-2、内表面非危害性缺陷响应仿真分析：
c4-2-1、壁厚52mm试块内表面变尺寸模拟腐蚀凹坑（即相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的缺陷响应仿真试块）缺陷响应仿真及结果分析：
针对内表面非危害性缺陷特征，结合参考表12和表13探头参数，使用表17中各探头参数配置对壁厚52mm试块内表面变尺寸模拟腐蚀凹坑进行缺陷响应仿真，以便对步骤c3-2中的声场仿真结果及声场分布规律进一步验证，通过该仿真得到优化的检测工艺参数。本仿真主要通过缺陷响应仿真结果中不同探头对同一腐蚀凹坑缺陷的回波波幅值比较从而确定出较为适合的探头配置。
仿真结果：表17中探头1～探头3在试块壁厚约52mm位置处的声场能量处于最高点，探头3～探头5声波主声束上声能损失小于3dB区域可覆盖壁厚约30～52mm位置。使用各探头参数配置进行缺陷响应仿真的缺陷回波幅值见表18。
仿真结果分析：
由表18的回波波幅结果对比可知：
①对于各缺陷而言，在不考虑材料晶粒度及衰减影响前提下，5M-14及5M-15基本相同，主要由于两者声场能量分布在52mm位置基本一致；5M-15/5M-14检测效果明显优于5M-12的原因是探头5M-12声场能量在壁厚52mm处已远低于5M-15/5M-14，若考虑晶粒度及衰减影响能量会更低，因此检测壁厚52mm处缺陷可不考虑使用5M-12。
②当缺陷长度小于5mm时，各探头回波波幅由高到低分别为：5M-15/5M-14、5M-12、4M-15、3.5M-18、2M-20，主要原因是未考虑材料晶粒度及衰减影响前提下，对于小缺陷而言检测能力主要取决于探头频率，当缺陷大于5mm时，各探头的检测能力已基本趋于一致。
③考虑到材料晶粒大小及衰减等影响，对于壁厚52mm试块内表面腐蚀凹坑检测而言，为检测到尺寸更小的缺陷，应优先选用频率高的5M-15或5M-14探头，若检测信噪比降低(小于10dB)时，可逐步降低频率依次选择4M-15、3.5M-18、2M-20探头。
c4-2-2、壁厚30～52mm(2mm间隔)试块内表面定尺寸模拟腐蚀凹坑（不同壁厚尺寸下，缺陷尺寸相同的缺陷响应仿真试块）缺陷响应仿真：
参照使用表12中的探头参数，对壁厚30～52mm(以2mm间隔变化)试块内表面尺寸1*Ø2mm的模拟腐蚀凹坑缺陷进行缺陷响应仿真，对缺陷回波的声压降低值进行比较，进一步验证声场仿真结果，各壁厚试块底面缺陷响应仿真结果及相应的最佳探头参数配置见表19。
d、制定推荐检测工艺：
根据CIVA仿真数据及结论，形成了以下检测工艺，如表20～表21所列。
本实施例中使用CIVA仿真技术对带有典型缺陷的不同壁厚低温液氮储槽外筒构件进行UT检测工艺仿真研究，建立了低温液氮储槽外筒试块UT检测CIVA仿真模型，根据检测及仿真研究目的要求并NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测 第三部分：超声检测》标准，确定了探头频率、探头直径及探头角度范围，通过声场仿真及缺陷响应仿真计算得出影响检测结果的主要参数：探头频率、探头直径及探头角度与声场在试块中能量分布之间的关系，并给出了相对优化的检测参数，本仿真还得到了以下结论：
①使用接触式横波斜入射方法利用声波端角反射原理检测低温液氮储槽外筒内表面裂纹缺陷；接触式纵波垂垂直入射检测低温液氮储槽外筒内表面腐蚀凹坑缺陷是较为有效的方法；
②对于低温液氮储槽外筒内表面缺陷，由于缺陷深度较浅且长度较短，实际检测时应优先使用推荐的频率较高的探头以保证足够的分辨力及检测灵敏度，当检测信噪比降低时，可依次选用推荐的频率较低的探头；
③本仿真未考虑材料晶粒度及衰减对检测的影响，实际检测时可依据探头参数与声场能量分布之间的规律灵活选择探头，在保证检测灵敏度及较高信噪比前提下，具有较好的纵向及横向分辨力，由此满足低温液氮储槽外筒内表面各类缺陷检测要求。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：包括有以下步骤：
a、根据待测外筒壁厚尺寸范围建立无缺陷声场仿真试块CIVA结构模型；
b、根据待测外筒壁厚尺寸范围建立缺陷响应仿真试块CIVA结构模型；
c、选择不同的探头对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真，根据仿真结果总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律，初步确定针对不同厚度的外筒壁厚尺寸匹配的探头参数；再采用匹配的探头参数配置对缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及仿真结果分析，确定最优选的探头参数。
2.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤a中，无缺陷声场仿真试块CIVA结构模型为一个壁厚大于外筒壁厚最大尺寸的无缺陷声场仿真试块，该无缺陷声场仿真试块中声场能量分布与探头频率、探头直径及探头角度之间关系的规律分析能够涵盖外筒壁厚尺寸从最小到最大变化时的声场分布规律。
3.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤c中的探头参数包括有探头频率、探头扫描角度和探头直径。
4.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤b中，建立的缺陷响应仿真试块CIVA结构模型主要分为两类：
一类为：壁厚尺寸相同，缺陷尺寸不同的多个缺陷响应仿真试块；
另一类为：缺陷尺寸相同，壁厚尺寸不同且壁厚间距相等的多个缺陷响应仿真试块，缺陷响应仿真试块的壁厚尺寸范围与外筒壁厚尺寸范围一致；
上述两类缺陷响应仿真试块的缺陷类型均包含有模拟裂纹和模拟腐蚀凹陷的两种缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤c中，在进行声场仿真和缺陷响应仿真之前需要建立声场仿真参数和缺陷响应仿真参数；
声场仿真的参数设置的原则为：保证超声波束对要求检测区域全覆盖；使检测区域位于主声束上声场能量损失不超过6dB的区域；
声场仿真参数包含探头参数、检测参数及计算参数；
缺陷响应仿真参数包括探头参数、检测参数、缺陷参数及计算参数。
6.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤c中，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真的步骤为：
c3-1、内表面危害性缺陷声场仿真分析：
使用接触式超声脉冲回波横波斜入射方法检测此类缺陷，检测时将探头置于试块外表面，超声波斜入射进入试块中在试块底面反射，当底面有裂纹类危害性缺陷时，超声波在缺陷处产生端角反射信号，该信号被探头探测到并形成明显的缺陷显示信号；
具体步骤为：
c3-1-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-2、采用探头直径及探头角度不变，探头频率减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-3、采用探头频率及探头直径不变，探头角度增加的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真并分析仿真结果；
c3-1-4、总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律；
c3-1-5、根据前述步骤的仿真数据及声场能量分布随探头参数变化的规律，通过计算初步推断出针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数；
c3-2、内表面非危害性缺陷声场仿真分析：
使用接触式超声脉冲回波纵波垂垂直入射方法，检测时将探头置于试块外表面，超声波束垂垂直入射进入试块，在试块底面反射，若底面无缺陷，反射回波深度一致，当底面存在腐蚀减薄缺陷时，缺陷处底波信号发生产生扰动或偏移，该信号被探头探测到相较于底波形成较明显的缺陷显示信号；
具体步骤为：
c3-2-1、采用探头频率及探头角度不变，探头直径减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真；
c3-2-2、采用探头直径及探头角度不变、探头频率减小的组合，对无缺陷声场仿真试块进行声场仿真；
c3-2-3、总结得到声场能量分布随探头参数变化的规律；
c3-2-4、根据前述步骤的仿真数据及声场能量分布随探头参数变化的规律，通过计算初步推断出针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数。
7.根据权利要求1所述的一种UT检测外筒内表面缺陷的探头参数确定方法，其特征是：所述步骤c中，对缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真的具体步骤为：
c4-1、内表面危害性缺陷响应仿真分析：
c4-1-1、对相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的多个危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
根据步骤c3-1-5得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数，对各个试块进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中不同探头对同一裂纹缺陷的回波波幅值进行比较，从而确定出最优的探头参数；
c4-1-2、对不同壁厚条件下，缺陷尺寸相同的多个危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
根据步骤c3-1-5得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面危害性缺陷匹配的探头参数，对各个试块进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中，在不同壁厚条件下，不同探头对裂纹缺陷回波的声压降低值进行比较，从而确定出最优的探头参数；
c4-2、内表面非危害性缺陷响应仿真分析：
c4-2-1、对相同壁厚条件下，缺陷尺寸不同的多个非危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
采用步骤c3-2-4中得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中不同探头对同一腐蚀凹坑缺陷的回波波幅值进行比较，从而确定出最优的探头配置；
c4-2-2、对不同壁厚条件下，缺陷尺寸相同的多个非危害性缺陷响应仿真试块进行缺陷响应仿真及结果分析：
采用步骤c3-2-4中得到的针对不同壁厚尺寸的外筒内表面非危害性缺陷匹配的探头参数进行仿真，并分析仿真结果；通过对缺陷响应仿真结果中，在不同壁厚条件下，不同探头对腐蚀凹坑缺陷回波的声压降低值进行比较，从而确定出最优的探头参数。
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