圖 1 PCI相位轉化及成像結果示例
分享：核電廠CRDM熱套管的相位相干成像檢測
反應堆壓力容器頂蓋CRDM熱套管為不等厚變徑異型結構，在核電廠運行期間，該部件的變徑過渡區容易出現應力集中，有形成熱疲勞裂紋的風險。相控陣超聲檢測技術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，檢測效率高等優勢[1-3]。而相控陣全聚焦成像技術是一種先進的相控陣檢測技術，其利用超聲波換能器依次發射超聲波信號，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行復雜地運算后處理，包括時間延遲、聲場重構等，使成像區域的每個像素點都能獲得最佳的聚焦效果，進而實現高分辨率高精度成像。[4-5]
但是對于不等厚變徑結構，超聲波在傳播過程中會在變徑區域形成結構信號，該結構信號幅值較高，容易干擾或掩蓋近變徑區域缺陷信號，即便采用全聚焦相控陣技術，仍較難檢出變徑區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的適用范圍，為不等厚變徑結構的質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）數據采集后的新型超聲成像處理算法，其全矩陣數據采集的相關原理與全聚焦成像技術原理一致，只是數據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行成像，而不利用信號的幅值信息進行成像，（幅值信息不參與到PCI的算法中）。由于PCI具有獨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；且因為只有回波的相位信息參與到求和運算中，PCI對于固定結構信號的聚焦效果不強烈，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構的非振幅檢測方法。
1. PCI全聚焦成像原理
PCI成像檢測技術是一種基于全矩陣數據采集（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掃描信號進行相位化處理，將FMC的A掃信號幅值與時間轉換為相位與時間的關系。通常正相位用1表示，負相位用-1表示，0點相位用0表示，因此經過相位化的A掃描信號每個時間點對應的相位值只會是1，0或-1三個值。采樣點的幅值為80%與10%對應的相位值均為1，因此A掃描信號幅值對PCI成像影響很小，只要A掃描信號能夠準確得到相應點的相位信息即可。PCI相位轉化及成像結果示例如圖1所示（P為像素點）。
PCI圖像的計算過程與全聚焦成像相似，從激發陣元Fi到像素點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該聲程時間的相位?ij。對FMC矩陣的所有信號重復該過程，將所有這些相位相加求和，得到PCI圖像中該像素點的相位，然后對所有像素點重復整個過程，以獲得整個PCI圖像。其計算公式為
| (1) |
式中：I(P)為像素點P的相位；N為相控陣探頭激發晶片的總數；?ij為相位值。
2. 試件制備與試驗方法
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，內徑為53 mm，管道壁厚為4.1~6.8 mm，缺陷模擬試塊的結構示意如圖2所示。
圖 2 不等厚變徑管道缺陷模擬試塊結構示意
根據斷裂力學分析，該部件應力集中區域為變徑區，主要失效機理為熱疲勞裂紋，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，刻槽分布在變徑區的厚壁側、中間側以及薄壁側[6]，缺陷尺寸信息如表1所示，缺陷位置分布及試塊實物如圖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 | 25.0 | 0.1，0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 |
| 中間側 | 25.0 | 0.1，0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 |
| 薄壁側 | 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，單次激發晶片最大數量為64個，最大采樣率為100 MHz。試驗采用頻率為10 MHz、32晶片的線陣探頭。儀器設備的標定及檢測參數設置參考標準ISO 23864：2021《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動化全聚焦技術（TFM）及相關技術的應用》，對比試驗中采用同樣的設備以及檢測參數，確保數據的準確性及可比性。
3. 試驗結果與討論
將工件模型導入相控陣儀器，全聚焦成像檢測區域覆蓋缺陷模擬試塊的變徑檢測區域，選擇橫波T-T模式，成像區域的寬度為25 mm，高度為10 mm。成像分辨率為40采樣點·mm−1，像素點幅值最大誤差為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果。中間側刻槽（高度1.0 mm）的檢測結果如圖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域結構信號明顯且幅值較高，刻槽的上尖端信號清晰可見，未發現刻槽的側壁信號；PCI成像模式表現出更高的信噪比，由于只有回波的相位信息參與到運算中，缺陷模擬試塊的變徑過渡區域結構信號呈現間斷的特征，未體現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，且能發現與刻槽相關聯的側壁信號，對于平面型缺陷能提供更多的信息，特別是在有結構信號干擾的情況下，展現出了PCI成像的優勢。
圖 5 試塊的中間側刻槽檢測結果
當缺陷位于厚壁側，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位置才能檢出。厚壁側刻槽（0.2 mm）的檢測結果如圖6所示，可以看出，全聚焦成像模式下，未發現刻槽上尖端信號；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，大大提高了平面型缺陷尖端衍射信號的敏感性。
圖 6 試塊的厚壁側刻槽檢測結果
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果，使用自動化設備對厚壁側、中間側以及薄壁側的缺陷模擬試塊進行數據采集，數據采集結果如圖7~9所示。選取缺陷模擬試塊中0.4，0.8，1.0，2.0 mm高度的刻槽進行高度測量，缺陷定量結果如表2所示。
圖 7 缺陷模擬試塊（厚壁側）數據采集結果
圖 8 缺陷模擬試塊（中間側）數據采集結果
圖 9 缺陷模擬試塊（薄壁側）數據采集結果
Table 2. 兩種成像模式的缺陷模擬試塊刻槽高度定量結果對比
| 成像模式 | 厚壁側高度 | 中間側高度 | 薄壁側高度 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
使用端點衍射測高法對全聚焦成像以及PCI成像的數據進行刻槽高度測量，為了對比兩種成像模式對近變徑過渡區域的平面型缺陷的定量精度，對表2中的高度測量數據進行均方根誤差計算，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. 結論
（1）對于不等厚變徑管道近變徑區域的平面型缺陷，PCI成像技術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成像具有獨特的超聲成像處理算法，對于近變徑過渡區域的平面型缺陷檢測效果更好，且能發現缺陷的關聯信號。
（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
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