基于曲晶片相控阵超声的细长轴类锻件检测仿真与试验

细长轴类锻件的缺陷方向通常与轴线平行,因此一般超声检测采用纵波直探头在锻件圆周面上进行扫查。由于细长轴类锻件的直径较小,其圆柱曲界面与探头很难实现完全接触而使得耦合层厚度不均,进而导致超声波透射系数减小以及检测灵敏度下降。为实现对细长轴类锻件缺陷的有效检测,从理论上分析了圆柱曲晶片及曲晶片相控阵的检测原理,提出了曲晶片超声相控阵聚焦技术。通过仿真软件CIVA对常规探头、曲晶片探头以及曲晶片相控阵探头形成的声场聚焦分布规律进行研究,设计加工了曲面对比试块和带人工缺陷的细长轴类小型锻件,开展了平面晶片和曲面晶片的相控阵探头超声检测试验,验证了提出的曲晶片超声相控阵聚焦方法的可行性与合理性,结果表明该方法的检测灵敏度和定位定量精度均优于常规直探头和平晶片相控阵探头的。     

双金属结合面缺陷的凸面相控阵超声检测

采用凸面相控阵探头检测双金属涡轮盘内部,根据小孔径涡轮盘结合面缺陷的结构特征、双金属涡轮盘的结构特点以及扩散焊工艺的连接特点等,首先在理论上分析了相控阵超声的声场特性,然后利用CIVA仿真软件设计了一种8阵元凸面相控阵换能器,通过选择合适的相控阵参数,有效地抑制了声束扩散,并在涡轮盘试块中获得了较好的聚焦效果。检测结果表明,设计的凸面相控阵超声探头能够实现对小孔径远距离的聚焦,聚焦效果良好,能对缺陷进行准确定位,检测精度可达1mm平底孔当量。     

核级高密度聚乙烯管道热熔接头的相控阵超声检测

针对HDPE(高密度聚乙烯)管道热熔接头超声检测声衰减大,检测信噪比低等问题,通过CIVA仿真软件中的超声模块对厚壁HDPE管道进行声场仿真,研究了探头频率、晶片尺寸和阵元排列对管道热熔接头中声场分布的影响,优化了检测用相控阵超声探头参数。采用优化的探头和检测工艺在含标准反射体和典型缺陷的试件上进行声场仿真和检测试验,结果表明,提出的检测工艺可全部检出■914.4 mm管道中预设的不同深度和类型的典型缺陷,整体检测效果较好。     

基于CIVA仿真的FPSO船体管道相控阵超声检测

首先采用CIVA仿真软件建立了双相不锈钢各向异性焊缝模型，对声场分布和缺陷响应进行了模拟和计算，然后基于ISO 13588-2019和ISO 22825-2017进行了工艺验证，最后采用CIVA仿真制定的相控阵工艺对现场FPSO船体管道进行了检测和缺陷解剖验证。结果表明，CIVA仿真对于各向异性不锈钢焊缝相控阵检测工艺的制定具有较好的指导作用，DMA探头在各向异性焊缝的相控阵检测中具有较高的信噪比和缺陷检出率。研究为FPSO船体管道相控阵超声检测提供了可行的技术方案。     

超声相控阵成像仿真系统研制

采用VC++与Matlab混合编程的方式,研制了一套超声相控阵成像仿真系统,实现了一个可视化、便于操作的超声相控阵仿真环境。仿真系统主要由探头、缺陷和成像三个模块组成。探头模块完成探头参数和超声声速的设置,且可分析显示探头声场辐射及其声压指向性等特性;缺陷模块设定仿真缺陷类型和成像方式;成像模块是在探头模块和缺陷模块的基础上,完成探头发射超声波,控制声束偏转聚焦,接收回波信息并对其进行取包络、对数压缩、DSC变换等一系列信号处理,最终将缺陷图像还原出来。     

水-钢界面凸面相控阵声场仿真

采用凸面超声相控阵探头对管状设备进行内检测,针对水-钢二层介质的结构特征,理论分析了相控阵声场的聚焦性能。根据近场球面波束形成模型,按声束路径求得的延时时间作为各阵元的提前激发时间,设计了水-钢二层介质相控阵聚焦法则。利用CIVA软件对相控阵声场进行建模仿真研究,确定了阵元数目、阵元尺寸、超声波频率等相控阵探头参数。最后,根据优化后的相控阵参数研制了512大阵元数双层结构的圆环形探头,再通过带有人工缺陷的管状模拟试样进行检测试验。结果表明:提出的方法对腐蚀、气孔缺陷具有更好的检测灵敏度和效率,能够实现管状设备的腐蚀和埋藏缺陷的内检测。     

核电枞树型汽轮机叶片根部的超声相控阵检测技术

建立了一套针对核电枞树型汽轮机叶片根部的超声相控阵检测技术。通过对叶片的受力分析,了解叶片应力分布,关注缺陷最易产生的部位;通过声场仿真量化相控阵探头各参数与探头激发声场间的关系,设计叶片检测专用的相控阵探头;再结合现场检测条件,针对不同检测部位设计相应的扫查方式,实现超声波对第一齿的全覆盖扫查;在模拟试块上进行检测试验,验证检测工艺的有效性。将检测技术应用于工程实际,证明了该技术的可靠性。     

CIVA仿真软件的实际应用

CIVA仿真软件包含超声、涡流和射线三个部分,其中超声部分又分为声场模拟和缺陷响应两个模块。CIVA可以支持各种复杂的工件建模,可设置多种类型探头,包括相控阵探头,能够模拟多种检测方法,对于检测工艺的制定有着很好的指导作用。着重介绍了CIVA软件在国内无损检测领域中的成功案例。     

全聚焦相控阵技术声场特性初探

全聚焦相控阵超声的有关理论研究已基本完成,其仪器系统的研发也已取得成效,但其应用研究还相对滞后。从全聚焦相控阵的声场特性和信号特性入手,指出其与传统脉冲反射法的明显差别。通过理论分析和试验对全聚焦相控阵声场特性进行了初步验证。同时指出,由于全聚焦相控阵具有独特的声场特性和信号特性,可以采用一种"场测量"和"场校准"技术路线,不仅可以解决系统没有A扫显示给检测带来的困难,而且在焊缝检测的应用中具有优势。     

在役奥氏体不锈钢螺栓的超声相控阵检测

针对在役奥氏体不锈钢螺栓可靠性检测的需要,仿真分析了超声相控阵在奥氏体不锈钢螺栓中的声场分布情况,观察超声相控阵声场在奥氏体不锈钢螺栓中的覆盖范围,并通过设定检测工艺参数,仿真分析比较在役奥氏体不锈钢螺栓在完好状态和有缺陷时的声场回波情况。在奥氏体不锈钢螺栓相控阵声场仿真计算的基础上,讨论分析不同脉冲重复频率对检测结果准确性的影响,并给出如何消除脉冲重复频率产生的幻影回波伪缺陷信号的方法;最后结合仿真计算和脉冲重复频率工艺优化方法,应用超声相控阵方法成功检测出含裂纹缺陷的在役奥氏体不锈钢螺栓,验证了在役奥氏体不锈钢螺栓超声相控阵检测工艺的准确性。     

EPR核电站主管道的超声相控阵检测

EPR(European Pressurized Reactor)核电站主管道是连接压水堆核电站主回路系统的重要组成部件,采用锻造奥氏体不锈钢窄间隙焊缝连接而成,奥氏体不锈钢管具有声学各向异性、晶粒粗大以及大壁厚的特点,为了提高主管道环焊缝超声检测的可靠性和检测效率,开展了主管道环焊缝超声相控阵检测技术的研究。使用专业声学仿真软件对相控阵探头产生的声束以及声束在奥氏体钢管内的传播进行了声场的仿真模拟,设置了超声相控阵探头参数和相控阵检测工艺参数,并在带有自然缺陷的模拟体试块上进行了试验。试验结果表明,所开发的相控阵超声检测工艺可有效检出验证试块中的缺陷,且缺陷定量分析结果满足规范要求。     

基于柔性相控阵的插入式管座角焊缝CIVA仿真

针对插入式管座角焊缝特殊的结构特征,提出了柔性相控阵置于管子内壁进行检测的新方法,建立了柔性相控阵水钢界面波束聚焦模型。利用CIVA软件仿真设计了插入式管座角焊缝专用柔性相控阵探头参数,包括声场仿真和缺陷响应。最后,根据设计的相控阵参数研制了探头,对自行开发的插入式管座角焊缝试样进行了检测试验。结果表明,该技术可以有效地检测出插入式管座角焊缝中的裂纹、夹渣、气孔等常见缺陷,大大提高了检测效率,有望实现工程应用。     

奥氏体不锈钢厚壁对接焊缝的超声相控阵CIVA仿真与试验

针对奥氏体不锈钢厚壁对接焊缝管道内部缺陷检测的难点,以及为了优化检测工艺和辅助超声信号分析,采用CIVA仿真软件中的超声模块对80mm厚奥氏体不锈钢试块进行了声场模拟与缺陷检测。根据仿真结果,采用设计的带有双面阵相控阵纵波探头的ISONIC2009超声成像系统对试块进行了检测。结果表明,CIVA仿真结果与实际检测结果吻合度较高,CIVA软件可准确、高效地为奥氏体不锈钢厚壁对接焊缝的相控阵检测提供工艺指导,具有较高的应用价值。     

奥氏体不锈钢管道环焊缝的超声相控阵检测

介绍了奥氏体不锈钢管道环焊缝的超声相控阵检测技术方案,阐述了检测过程中相控阵探头的关键参数选择方法,并采用CIVA声学仿真软件对选择探头的声场分布进行模拟,最后通过对奥氏体不锈钢自然缺陷试块进行检测试验,结果表明:手动超声相控阵检测技术能够作为核电站奥氏体不锈钢管道环焊缝常规自动超声检测的有效补充。     

有限元模拟仿真在压力容器对接接管焊缝相控阵超声检测工艺设计中的研究与验证

针对大壁厚压力容器接管焊缝多为窄间隙对接焊接头,超声检测中存在扫查路径复杂、定量定性精度差和检出率相对较低等难点,引入有限元模拟仿真技术。通过建立工件3D模型和不同类型的缺陷,模拟各缺陷在压力容器筒体外壁和接管内壁相控阵超声检测时的响应情况,优化相控阵超声探头、楔块设计和探头运动轨迹,最终实现检测工艺的理论设计。在带有自然缺陷的模拟试块上,验证检测工艺的准确性和可靠性。对比有限元模拟仿真和在模拟试块上的实际检测情况表明,经过仿真设计过的相控阵超声检测工艺可有效提高接管窄间隙焊缝中缺陷的检出率和检测精度。     

316L对接焊缝相控阵超声检测工艺模拟与试验验证

为解决中国聚变工程实验堆316L不锈钢焊缝超声波检测时,探头扫查空间受限、检测信噪比低的难题,提出了基于双晶面阵探头的相控阵超声检测方案.通过CIVA仿真,分析了不同聚焦参数下DMA探头的声场特征,确定对接接头的检测工艺.参考NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》附录I,设计并制作了对比试块,验证了检测工艺下的声束覆盖和φ2 mm侧横孔信噪比.结果表明,DMA探头可以在有限的扫查空间内实现焊缝声束全覆盖,对比试块中不同位置的φ2 mm侧横孔信噪比大于15 dB.试验结果可为316L类不锈钢对接焊缝相控阵超声检测工艺制定提供参考.     

快速线性阵列超声波相控阵自动检测

基于超声波聚焦原理,提出借助声透镜实现线阵相控阵探头的二维聚焦的方法。通过声场模拟对比了普通线阵相控阵和改进型相控阵的声场分布;通过试验得到了上述两种手段对同一铜钢堆焊结构的C扫描检测图像,并将检测结果与常规单晶片点聚焦探头的检测结果进行了对比。理论分析和试验结果均显示,改进后的相控阵系统能够有效地使线性阵相控阵探头实现二维聚焦,其C扫描结果与常规单晶片探头的检测结果吻合良好;在保证检测准确性和可靠性的前提下,扫描效率也得到了显著的提升。     

法兰密封面腐蚀缺陷超声相控阵检测技术

用于腐蚀介质环境下的法兰,密封面的腐蚀缺陷容易使其泄漏,影响安全生产,导致危害性的后果。利用超声相控阵检测技术[1]声束角度可变和动态聚焦的优点、适合复杂结构件以及实时成像等特点,通过结构分析、声场模拟,试验研究和现场检测应用,确定了法兰超声相控阵针对性检测工艺,实现了不拆卸从法兰外部对密封面腐蚀缺陷进行有效检测。     

相控阵超声检测声场近场区长度的理论

相控阵超声检测技术可靠高效、无辐射,可应用于工业无损检测中。对于均匀各向同性材料工件,尤其是焊缝的相控阵超声检测,可采用超声斜入射脉冲横波扇形扫描检测的方法。探讨相控阵超声探头辐射不同偏转角度声场的近场区长度问题,进行了理论计算和仿真分析,发现焊缝检测中常用有机玻璃楔块角度为36.2°时,偏转角度越大,近场区长度越小。结果可为相控阵超声检测工艺设计和检测设备校准提供参考。     

曲面工件柔性线阵聚焦和仿真方法

铸锻焊变曲率工件在相控阵检测时,传统相控阵探头难以紧密贴合,需要制备多种型廓楔块来保证耦合质量,检测方法复杂、低效且成本较高。采用柔性相控阵检测技术可以较好解决上述问题,但还需要解决柔性相控阵聚焦法则和微小缺陷的检测能力评价等关键技术。首先,根据相控阵声学原理,提出柔性相控阵换能器的延迟聚焦法则;然后,采用有限元方法建立声场传播模型,验证延迟聚焦法则的正确性;最后,对带有预埋缺陷的曲面工件进行仿真试验。结果表明,柔性相控阵技术能够对曲面工件内部微小缺陷进行高效率、高精度无损检测。