麻建璽 趙國彬

中國石油管道公司沈陽檢測技術(shù)分公司

摘  要：環(huán)焊縫是油氣管道最為薄弱的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量關(guān)系到整條管道的運(yùn)行安全，采用合適的無損檢測方法對其質(zhì)量進(jìn)行檢測和評定尤為重要。超聲相控陣檢測技術(shù)具有速度快、效率高、分辨力強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲便捷直觀、現(xiàn)場使用成本低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：管道；環(huán)焊縫；超聲相控陣；動態(tài)聚焦

環(huán)焊縫射線檢測和手動超聲波檢測兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者雖結(jié)果顯示直觀，但檢測速度慢、成本高，存在輻射；后者則更加簡便靈活，但檢測結(jié)果可重復(fù)性差，比較依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，只能作為一種輔助驗(yàn)證手段。超聲相控陣檢測技術(shù)相比傳統(tǒng)檢測方法具有掃查速度快、檢測效率高、可重復(fù)性強(qiáng)、使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種管徑坡口形式的焊縫[1]。

1 超聲相控陣檢測技術(shù)

1.1 原理

使用微型探頭陣列產(chǎn)生超聲波束，建立聚焦法則使電子裝置控制每個(gè)陣列單元的發(fā)射和接收時(shí)間，從而產(chǎn)生出多個(gè)超聲波束，通過控制陣列的激發(fā)和接收時(shí)間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實(shí)現(xiàn)工件的快速掃描成像[2]。

1.2 探頭

一個(gè)相控陣探頭可被比喻成一個(gè)大的單一晶片探頭——它被分割成多個(gè)小的晶片，當(dāng)連接相控陣儀器時(shí)，對單個(gè)晶片的脈沖發(fā)生時(shí)間進(jìn)行微小調(diào)整從而使得聲束的方向和焦點(diǎn)能夠被改變，如圖 1所示。通過延遲控制相控陣探頭激發(fā)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)改變聲束角度、改變聚焦距離和聚焦特性、改變聲束位移等功能。

通常將一個(gè)大尺寸的探頭按規(guī)則分割成許多獨(dú)立小單元探頭的陣列，分為平面陣列和非平面陣列，其中平面陣列又細(xì)分為一維陣列（線陣和環(huán)陣）和二維陣列（矩陣和lo-theta陣列），如圖 2所示；非平面陣列主要是指柱面陣列[3]。

1.3 掃查方式

與常規(guī)超聲鋸齒形掃查方式相比，相控陣掃查方 式為S掃、也叫做扇形掃查，就是波束的角度由低掃描到高產(chǎn)生的切面視圖，如圖 3所示。陣列中相同晶片發(fā)射的聲束，在掃查范圍內(nèi)對某一聚焦深度進(jìn)行移動掃查，扇掃區(qū)域大小可調(diào)，但受到探頭配置影響。或者也可以理解為角度掃查或方位角掃查，與波束的偏轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)顯示形式有關(guān)。當(dāng)進(jìn)行波束偏轉(zhuǎn)時(shí)，激勵(lì)固定的晶片組，通過實(shí)施一系列的聚焦法則使聲束在限定的角度范圍內(nèi)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃查；作為數(shù)據(jù)顯示，它是各個(gè)角度A掃的二維視圖，并且通過對每個(gè)A掃的延時(shí)和折射角進(jìn)行修正，使視圖上的顯示與工件的真實(shí)位置相對應(yīng)，如圖 4所示。

1.4 聚焦法則

超聲相控陣檢測技術(shù)一般通過控制參與波束形成的發(fā)射和接收探頭陣列單元以及對應(yīng)每個(gè)單元的發(fā)射器和接收器的時(shí)間延遲規(guī)則和激勵(lì)電壓幅度來形成自己的聚焦法則[3]。目前主要采用動態(tài)聚焦，如圖 5所示，超聲聲束沿聲束軸線，在發(fā)射時(shí)使用單個(gè)聚焦脈沖，在接收時(shí)通過計(jì)算對所有深度進(jìn)行編程深度聚焦，實(shí)現(xiàn)對不同深度進(jìn)行聚焦掃描。最新技術(shù)是實(shí)時(shí)全聚焦（TFM)成像檢測， TFM是一個(gè)信號處理算法，利用全矩陣采集TFM的數(shù)據(jù)來對缺陷的位置及外形尺寸進(jìn)行精確成像。

2 技術(shù)優(yōu)勢

2.1 相對于X射線檢測優(yōu)勢

（1）安全環(huán)保無輻射危害、對人身沒有傷害。

（2）所需耗材成本低，只需耦合劑即可。

（3）檢測速度快，效率高，檢測結(jié)果較短時(shí)間內(nèi)得到。

（4）有效檢測多種缺陷，如對面積型缺陷有很好的檢出效果[1]。

（5）檢測缺陷的長度、深度等更加精確。

（6）檢測數(shù)據(jù)讀取方便、可以存儲到計(jì)算機(jī)中。

2.2 相對于常規(guī)超聲檢測優(yōu)勢

（1）檢測速度快。由于探頭中的陣列探頭是通過電子的方法進(jìn)行延遲激勵(lì)，所以其在進(jìn)行線形掃查時(shí)比常規(guī)手動及機(jī)械掃查要快得多。

（2）使用靈活。相控陣探頭可以隨意控制聚焦深度、偏轉(zhuǎn)角度、波束寬度，實(shí)現(xiàn)縱波檢測、橫波檢測及斜傷檢測。

（3）檢測中不需要進(jìn)行鋸齒等多維掃查，僅需要 一維掃查即可對焊縫進(jìn)行全面檢測，檢測效率高[4]。

（4）檢測中不需要根據(jù)檢測對象情況不停更換角度，一個(gè)探頭實(shí)現(xiàn)幾十個(gè)探頭角度甚至幾百個(gè)探頭角度的掃查，檢測能力顯著提高。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)B\C\D\S等多種成像，缺陷判斷更加直觀明了。

（6）能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)（接收動態(tài)）聚焦，明顯提高對細(xì)小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力，可以對其進(jìn)行定性和精確定量。

3 應(yīng)用效果

實(shí)際應(yīng)用中，超聲相控陣檢測的工藝設(shè)置、全程掃查記錄等信息，將以多種形式呈現(xiàn)在屏幕上，顯示出各種缺陷供測量、分析。一般設(shè)置雙通道來采集數(shù)據(jù)， 結(jié)合S掃描、 B掃描及A型顯示，對缺陷的位置、深度、長度進(jìn)行測量。圖 6所示為某環(huán)焊縫相控陣檢測缺陷數(shù)據(jù)圖譜，相比射線檢測和常規(guī)超聲檢測，數(shù)據(jù)顯示更加直觀明了，便于存儲和讀取。

4 結(jié)語

超聲相控陣檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種二維成像組合顯示或三維模擬，使超聲檢測結(jié)果更加直觀，評定更方便。掃查中探頭不用前后移動就能同時(shí)利用縱波和橫波及其他波形進(jìn)行缺陷檢測，檢測速度快效率高，且對方向性的缺陷檢測非常有利，陣列的多角度移動檢測，有利于聲束對缺陷進(jìn)行最佳角度的檢測和定量。相比于其他檢測方法，更加高效便捷，技術(shù)優(yōu)勢明顯。①實(shí)現(xiàn)了可動態(tài)變化的萬能探頭。②應(yīng)用于手動超聲檢測時(shí)通常以B掃描成像方式顯示圖象，包括線掃、扇掃和組合掃查。③應(yīng)用于自動檢測時(shí)通常能實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)聲束的多通道自動檢測。④采用均勻分布聚束延時(shí)及合成孔徑動態(tài)聚焦方法能在整個(gè)檢測范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較細(xì)的聲束掃描線，提高圖像整體分辨率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳劍.相控陣超聲波檢測技術(shù)在焊縫檢測中的應(yīng)用分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)， 2011， 30(12)： 31-32.

[2] 張盼，付明東.相控陣檢測技術(shù)在管道腐蝕檢測中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備， 2019， (6)： 27-29.

[3] 詹湘琳.超聲相控陣油氣管道環(huán)焊縫缺陷檢測技術(shù)的研究[D].天津大學(xué)： 精密儀器與光電子工程學(xué)院， 2006.

[4] 魯傳高，段怡熊，許慶濤.相控陣超聲波在焊縫檢測中的應(yīng)用研究[J].金屬加工， 2016， (增刊1)：263-266.

作者簡介：麻建璽，1992年生，助理工程師，2015年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）材料科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事油氣管道檢測相關(guān)工作。聯(lián)系方式： 15802473127，majianxi1616@163.com。