圖 1 PCI相位轉(zhuǎn)化及成像結(jié)果示例
分享：核電廠CRDM熱套管的相位相干成像檢測
反應(yīng)堆壓力容器頂蓋CRDM熱套管為不等厚變徑異型結(jié)構(gòu)，在核電廠運(yùn)行期間，該部件的變徑過渡區(qū)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，有形成熱疲勞裂紋的風(fēng)險。相控陣超聲檢測技術(shù)作為一種評價體積完整性的檢測方法，具有覆蓋范圍大，檢測靈敏度高，檢測效率高等優(yōu)勢[1-3]。而相控陣全聚焦成像技術(shù)是一種先進(jìn)的相控陣檢測技術(shù)，其利用超聲波換能器依次發(fā)射超聲波信號，其他換能器接收反射信號，從而形成一個完整的信號矩陣，此過程稱為全矩陣捕獲（FMC），隨后對采集的信號進(jìn)行復(fù)雜地運(yùn)算后處理，包括時間延遲、聲場重構(gòu)等，使成像區(qū)域的每個像素點(diǎn)都能獲得最佳的聚焦效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率高精度成像。[4-5]
但是對于不等厚變徑結(jié)構(gòu)，超聲波在傳播過程中會在變徑區(qū)域形成結(jié)構(gòu)信號，該結(jié)構(gòu)信號幅值較高，容易干擾或掩蓋近變徑區(qū)域缺陷信號，即便采用全聚焦相控陣技術(shù)，仍較難檢出變徑區(qū)域附近的危害性缺陷（如裂紋）。因此提高相控陣超聲對固定反射體附近小缺陷的檢測能力，能夠豐富該檢測技術(shù)的適用范圍，為不等厚變徑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量評價提供更有效的手段。
相位相干成像（PCI）是一種基于全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)采集后的新型超聲成像處理算法，其全矩陣數(shù)據(jù)采集的相關(guān)原理與全聚焦成像技術(shù)原理一致，只是數(shù)據(jù)采集后的處理成像算法不同，PCI主要是利用超聲A掃信號的相位信息進(jìn)行成像，而不利用信號的幅值信息進(jìn)行成像，（幅值信息不參與到PCI的算法中）。由于PCI具有獨(dú)特的超聲成像處理算法，來自大平面反射體的信號相對于回波幅值的求和會有所減少；且因?yàn)橹挥谢夭ǖ南辔恍畔⑴c到求和運(yùn)算中，PCI對于固定結(jié)構(gòu)信號的聚焦效果不強(qiáng)烈，大大提高了平面型缺陷衍射信號的敏感性，可作為一種針對不等厚變徑結(jié)構(gòu)的非振幅檢測方法。
1. PCI全聚焦成像原理
PCI成像檢測技術(shù)是一種基于全矩陣數(shù)據(jù)采集（FMC）的相控陣超聲后處理成像方法，首先將全矩陣采集到的超聲A掃描信號進(jìn)行相位化處理，將FMC的A掃信號幅值與時間轉(zhuǎn)換為相位與時間的關(guān)系。通常正相位用1表示，負(fù)相位用-1表示，0點(diǎn)相位用0表示，因此經(jīng)過相位化的A掃描信號每個時間點(diǎn)對應(yīng)的相位值只會是1，0或-1三個值。采樣點(diǎn)的幅值為80%與10%對應(yīng)的相位值均為1，因此A掃描信號幅值對PCI成像影響很小，只要A掃描信號能夠準(zhǔn)確得到相應(yīng)點(diǎn)的相位信息即可。PCI相位轉(zhuǎn)化及成像結(jié)果示例如圖1所示（P為像素點(diǎn)）。
PCI圖像的計算過程與全聚焦成像相似，從激發(fā)陣元Fi到像素點(diǎn)P再返回到接收陣元Jj的聲程時間tij，基于該特定信號提取對應(yīng)該聲程時間的相位?ij。對FMC矩陣的所有信號重復(fù)該過程，將所有這些相位相加求和，得到PCI圖像中該像素點(diǎn)的相位，然后對所有像素點(diǎn)重復(fù)整個過程，以獲得整個PCI圖像。其計算公式為
| (1) |
式中：I(P)為像素點(diǎn)P的相位；N為相控陣探頭激發(fā)晶片的總數(shù)；?ij為相位值。
2. 試件制備與試驗(yàn)方法
為了對比全聚焦成像與PCI成像兩種模式的檢測效果，制作了比例為1∶1的CRDM熱套管缺陷模擬試塊，試塊材料為Z2CN19-10不銹鋼，內(nèi)徑為53 mm，管道壁厚為4.1~6.8 mm，缺陷模擬試塊的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。
圖 2 不等厚變徑管道缺陷模擬試塊結(jié)構(gòu)示意
根據(jù)斷裂力學(xué)分析，該部件應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)樽儚絽^(qū)，主要失效機(jī)理為熱疲勞裂紋，缺陷模擬試塊使用EDM（電火花線切割）刻槽作為典型的平面型缺陷，刻槽分布在變徑區(qū)的厚壁側(cè)、中間側(cè)以及薄壁側(cè)[6]，缺陷尺寸信息如表1所示，缺陷位置分布及試塊實(shí)物如圖3，4所示。
Table 1. 試塊的缺陷尺寸信息
| 缺陷位置 | 長度 | 高度 |
|---|---|---|
| 厚壁側(cè) | 25.0 | 0.1，0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 |
| 中間側(cè) | 25.0 | 0.1，0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 |
| 薄壁側(cè) | 25.0 | 0.1，0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 |
圖 3 缺陷位置分布示意
圖 4 缺陷模擬試塊實(shí)物
全聚焦相控陣檢測采用GEKKO（64/128PR）型便攜式相控陣超聲儀，其共有128個檢測通道，單次激發(fā)晶片最大數(shù)量為64個，最大采樣率為100 MHz。試驗(yàn)采用頻率為10 MHz、32晶片的線陣探頭。儀器設(shè)備的標(biāo)定及檢測參數(shù)設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 23864：2021《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動化全聚焦技術(shù)（TFM）及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用》，對比試驗(yàn)中采用同樣的設(shè)備以及檢測參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可比性。
3. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
將工件模型導(dǎo)入相控陣儀器，全聚焦成像檢測區(qū)域覆蓋缺陷模擬試塊的變徑檢測區(qū)域，選擇橫波T-T模式，成像區(qū)域的寬度為25 mm，高度為10 mm。成像分辨率為40采樣點(diǎn)·mm−1，像素點(diǎn)幅值最大誤差為0.2 dB。
3.1 成像效果對比
選擇兩個不同位置的EDM刻槽作為典型的平面型缺陷，對比全聚焦成像和PCI成像兩種全聚焦模式的檢測結(jié)果。中間側(cè)刻槽（高度1.0 mm）的檢測結(jié)果如圖5所示，可見，全聚焦成像模式提供了清晰的檢測圖像，缺陷模擬試塊的變徑過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)信號明顯且幅值較高，刻槽的上尖端信號清晰可見，未發(fā)現(xiàn)刻槽的側(cè)壁信號；PCI成像模式表現(xiàn)出更高的信噪比，由于只有回波的相位信息參與到運(yùn)算中，缺陷模擬試塊的變徑過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)信號呈現(xiàn)間斷的特征，未體現(xiàn)出大面積反射體的聚焦效果，刻槽的上尖端信號同樣清晰可見，且能發(fā)現(xiàn)與刻槽相關(guān)聯(lián)的側(cè)壁信號，對于平面型缺陷能提供更多的信息，特別是在有結(jié)構(gòu)信號干擾的情況下，展現(xiàn)出了PCI成像的優(yōu)勢。
圖 5 試塊的中間側(cè)刻槽檢測結(jié)果
當(dāng)缺陷位于厚壁側(cè)，缺陷模擬試塊中0.1 mm高度的刻槽均未被檢出，0.2 mm高度的刻槽僅在厚壁側(cè)位置才能檢出。厚壁側(cè)刻槽（0.2 mm）的檢測結(jié)果如圖6所示，可以看出，全聚焦成像模式下，未發(fā)現(xiàn)刻槽上尖端信號；而PCI成像模式可清晰分辨0.2 mm高度的刻槽上尖端信號，對于微小信號的捕捉能力更強(qiáng)，大大提高了平面型缺陷尖端衍射信號的敏感性。
圖 6 試塊的厚壁側(cè)刻槽檢測結(jié)果
3.2 缺陷檢測及定量效果對比
為對比全聚焦成像以及PCI成像兩種模式的檢測及定量結(jié)果，使用自動化設(shè)備對厚壁側(cè)、中間側(cè)以及薄壁側(cè)的缺陷模擬試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖7~9所示。選取缺陷模擬試塊中0.4，0.8，1.0，2.0 mm高度的刻槽進(jìn)行高度測量，缺陷定量結(jié)果如表2所示。
圖 7 缺陷模擬試塊（厚壁側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果
圖 8 缺陷模擬試塊（中間側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果
圖 9 缺陷模擬試塊（薄壁側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果
Table 2. 兩種成像模式的缺陷模擬試塊刻槽高度定量結(jié)果對比
| 成像模式 | 厚壁側(cè)高度 | 中間側(cè)高度 | 薄壁側(cè)高度 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.4 | 0.8 | 1.0 | 2.0 | 0.4 | 0.8 | 1.0 | 2.0 | 0.4 | 0.8 | 1.0 | 2.0 | |
| 全聚焦成像 | 0.30 | 0.87 | 0.95 | 2.17 | 0.43 | 0.91 | 1.14 | 1.83 | 未檢出 | 0.60 | 0.82 | 1.76 |
| PCI成像 | 0.33 | 0.85 | 0.99 | 2.17 | 0.45 | 0.83 | 1.12 | 1.87 | 0.35 | 0.66 | 0.85 | 1.82 |
使用端點(diǎn)衍射測高法對全聚焦成像以及PCI成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行刻槽高度測量，為了對比兩種成像模式對近變徑過渡區(qū)域的平面型缺陷的定量精度，對表2中的高度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根誤差計算，得到全聚焦成像模式缺陷高度測量的均方根誤差為0.18 mm，PCI成像模式缺陷高度測量的均方根誤差為0.11 mm。
4. 結(jié)論
（1）對于不等厚變徑管道近變徑區(qū)域的平面型缺陷，PCI成像技術(shù)具有較高的檢出率和分辨力，可檢出的最小平面型缺陷高度為0.2 mm。
（2）PCI成像具有獨(dú)特的超聲成像處理算法，對于近變徑過渡區(qū)域的平面型缺陷檢測效果更好，且能發(fā)現(xiàn)缺陷的關(guān)聯(lián)信號。
（3）對比全聚焦成像以及PCI成像兩種全聚焦算法的定量效果，PCI成像模式對平面型缺陷的端點(diǎn)衍射信號更加敏感，高度定量精度更高。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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