Page 55 - 无损检测2024年第十期

滕国阳，等：

基于镜面回波估计的热壁加氢反应器堆焊层缺陷多模式全聚焦成像

检测内壁堆焊层缺陷，则可避免开罐检查并节省时 置不敏感，缺点在于衍射回波能量较小；半跨模式
间与成本。 （如LLL、TTT、LLT等）通过底面反射路径可以获
常规脉冲反射式超声检测可检测内部埋藏缺 得从裂纹侧面反射回来的镜面回波，能量较高易于
陷，但对于大尺寸、大壁厚的热壁加氢反应器而言， 成像，但缺陷的高度方向及与探头的相对位置会对
传统单晶探头检测无法对缺陷进行快速定位、定量。 检测产生影响。
近年来，基于全矩阵捕捉数据的全聚焦方法（TFM）
得到了业界的广泛关注，其中考虑了声束传播路径
的多模式全聚焦方法（MTFM）可有效提高缺陷响
[4]
应率 。国内外学者针对MTFM展开了系列研究，
[5]
金士杰等 发现，MTFM能够有效检出-80°~80°
裂纹，且裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别
图 1 MTFM 超声波传播路径示意
不超过 0. 6 mm、2. 39°和 0. 73 mm；李衍 分析了
[6]
因此，MTFM通过镜面回波对裂纹缺陷进行成
MTFM成像结果中伪像来源和滤除方法，提出了多
像时，首先需要确定不同的超声波路径对于裂纹缺
[7]
模式融合方法以降低伪像影响；SY等 提出使用镜
陷的检测灵敏度，此处使用的方法为镜面回波估计
面回波估计器（SEE）计算裂纹镜面反射波弹性场，
器SEE。
可预测MTFM各模式的成像灵敏度。
1.2 镜面回波估计
在以上MTFM成像研究中，斜入射技术被广泛
镜面回波估计器SEE根据Snell定律计算面状
用于增强缺陷响应。然而，对于热壁加氢反应器内
缺陷反射的弹性场，预测MTFM各个模式对特定方
壁缺陷，直接接触外表面进行检测可简化工艺且操
向缺陷的灵敏度。SEE做以下假设：① 假设成像区
作更为便捷。为此，笔者探讨了MTFM在不使用斜
域每个点都存在缺陷，声束与各点缺陷进行镜面反
楔块情况下检测内壁堆焊层小尺寸缺陷的能力，并
射；② 缺陷在远场，声波近似为平面波；③ 缺陷近
分析其声束传播路径，以期提供一种高效、简化的检
似为理想反射面，声束全被反射，反射系数为固体和
测策略。首先，利用SEE对仿真数据进行分析，确
空气的界面反射系数。
定超声路径对堆焊层缺陷的敏感性；其次，研究不
同超声路径下的缺陷全聚焦成像特征；最后，通过 假定缺陷的法线为n，成像点为P，计算遵循Snell
定律，即从发射阵元i到成像点P再到接收阵元j为镜
MTFM对试块堆焊层的裂纹缺陷进行检测与定位，
验证所提方法的有效性。 面反射的过程。定义路径法线n ij 是入射波的慢度矢
量s i 和反射波的慢度矢量s 之和产生的矢量，即
j
1 检测原理 s +s
n ij = i j （1）
1.1 MTFM超声波传播路径 s i +s j
对于热壁加氢反应器内壁堆焊层中最易出现的 当路径法线n 和缺陷法线n方向一致即|n,n |=1
ij
ij
裂缝类缺陷，沿裂纹高度方向的镜面回波和裂纹尖端 时产生完全镜面反射，SEE中路径法线及缺陷法线示
的衍射回波是定位及定量的关键信息源。镜面回波因 意如图2所示。此时成像点P的振幅为
其能量较高，能够有效地指示出平面缺陷的表面特性；
衍射回波虽然能量较低，但提供了裂纹尖端的精确位
（2）
置信息，有助于裂纹的尺寸测量和特征分析。
MTFM通过综合应用多种声束路径，可以同
时获得裂纹缺陷的镜面回波和衍射回波。具体来 式中：R (P, n)为成像点P的反射系数，若认为缺陷
ij
说，在对热壁加氢反应器的内壁堆焊层进行检测时， 为完全镜面反射，可由固体与空气界面计算得到；
MTFM中最有效的模式是直接模式和半跨模式， A (P)为阵元i发射到成像点P的振幅值，A (P)为阵
i
j
MTFM超声波传播路径如图1所示，直接模式包括 元j发射到成像点P的振幅。
LL和TT两种配置，主要通过捕捉裂纹尖端产生的 由此，得出在成像点P通过全聚焦采集所有阵
衍射波来实现成像，其优点在于对裂纹的取向及位 元对的总振幅

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2024 年 第 46 卷 第 10 期
无损检测