Page 58 - 无损检测2023年第一期

张子健, 等:

基于 CIVA 仿真的 FPSO 船体管道相控阵超声检测

导致的声波衰减、 各向异性焊缝导致的声束偏移畸
变和散射、 晶粒粗大导致的噪声过大、 无法实现双面
双侧全覆盖检测等问题 [ 4-7 ] 。采用无损检测专业仿

真软件 CIVA2017超声模块, 建立了厚壁不锈钢各
向异性对接焊缝模型, 运用基于双矩阵( DMA ) 探头
的超声相控阵检测工艺进行了声场模拟和缺陷响应

计算, 应业主方要求, 加工了基于国际标准 ISO

13588-2019 《 焊缝无损检验 超声检测 自动相控阵

技术的使用》中的对比试块, 采用 CIVA 仿真得到
的相控阵工艺进行了检测验证, 然后对现场 FPSO
管道弯头焊缝进行了检测。研究内容在一定程度上
解决了 FPSO 管道厚壁2205双相不锈钢弯头焊缝的
检测难题, 具有一定的推广应用价值。
1 CIVA 仿真计算 图1 适用于 CIVA 仿真的各向异性焊缝模型

1.1 各向异性焊缝建模 仿真设定的取向角度分别为30° , 50° , 80° , 基本符合
不锈钢焊缝相控阵超声检测的主要难点在于焊 各向异性焊缝晶粒取向的角度规律。根据文献[ 9 ],

缝的各向异性对声波传输存在较大影响, NB / T 仿真 材 料 的 劲 度 系 数 矩 阵 C 设 置 为: C 11 =263

47013.15-2021 《 承压设备无损检测 第15部分: 相 GPa , C 12=98GPa , C 13=145GPa , C 33=216GPa ,

控阵超声检测》 单独将奥氏体不锈钢对接接头的检 C 44=129GPa , C 66=83GPa , 母材区域设定为各向

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测技术在附录I 中列出, 其在探头选择、 对比试块、 聚 同性材料, 密度为7.8gcm 。
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焦法则、 灵敏度设置等方面都和碳钢检测存在较大差 1.2 声场仿真
[ 8 ]
别 。因此在 CIVA 超声仿真时, 焊缝模型必须考虑 在 CIVA 仿真过程中, 声场仿真的计算是缺陷响
不锈钢的各向异性特征。目前国内外学者主要是通 应计算的前提, 只有相控阵超声声场能量集中, 旁瓣
过建立各向异性焊缝的物理模型, 对各向异性焊缝对 小, 无栅瓣, 覆盖范围合理, 检测才具有较高灵敏度和
相控阵超声检测结果的影响进行研究, 这些模型主要 缺陷检出率。声场仿真前, 需要确定探头和楔块参
[ 8 ]
有以下3种: Silk模型, O g ilv y 模型和 MINA 模型 。 数、 检测位置、 聚焦法则、 计算区域和精度等信息。

Silk模型的建模思路是将晶粒取向相近的部分视为 仿真采用的探头型号为 DMA2.5-4×8-3×2.7 ,

一个均匀区域, 并将整个焊缝划分为多个均匀的各向 阵元数为64 ( 32发32收), -6dB带宽为80% , 楔块
异性区域; O g ilv y 模型通过复杂数学函数表达式进行 型 号 为 SD27-55L , 角 度 为 18.9° , 探 头 前 沿 为

建模; MINA 模型需要对焊缝进行网格划分, 然后对 16.7mm , 中心高度为12.6mm 。聚焦法则设置为:
材料劲度系数矩阵和晶粒走向角度进行设置 。笔 采用全激发模式; 扇扫角度范围为35°~60° ; 角度步
[ 9 ]

者基于ISO13588-2019和ISO22825-2017 《 焊接 进为1° ; 聚焦深度为 60mm , 仅计算一次波纵波声

无损检测 超声波检测 奥氏体钢和镍基合金焊缝试验 场; 计算区域包括熔合线两侧各 10mm 的热影响

中的对比试块》, 综合考虑 Silk模型和 MINA 模型的 区, 计算精度为 1mm 。对所有声束的声场进行合
建模思路, 提出了适用于 CIVA 仿真工程应用的各向 成处理计算, 结果如图2所示。
异性焊缝模型( 见图1 )。 由图2可以看出, 不锈钢焊缝的各向异性对声
各向异性焊缝模型厚度为65mm , 坡口角度为 场的分布存在一定影响, 首先图中能量最高的蓝色

60° , 根部间隙为 10 mm , 材料为不锈钢, 根据文 区域存在不连续性, 而对于常用各向同性的碳钢材

献 [ 10-11 ] 将整个焊缝划分为6个对称的均匀区域, 每 料( 20和 Q345R ), 一般能量最高的蓝色区域是连续

个区域设定不同的晶粒取向角度, 虽然在各向异性 且均匀的, 其次-6dB范围( 图中粉红色区域) 覆盖

焊缝中不锈钢晶粒的取向角度不同, 但是存在一定 范围较大, 在深度方向大致为12~50mm , 小角度范
的规律性, 即在熔合线处, 晶粒取向几乎垂直于熔合 围内能量较强, 大角度范围内能量较弱, 但在近表面
和底面能量偏低, 需进一步采用模拟缺陷验证检测灵
线, 越靠近焊缝中心, 晶粒取向越接近 90° 。 CIVA
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2023年 第45卷 第1期
无损检测