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)系到整條管道的運行安全，采用合適的無損檢測方法對其質(zhì)量進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、數(shù)據(jù)存儲便捷直觀、現(xiàn)場使用成本低等優(yōu)點。

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，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，比較依賴個人經(jīng)驗，只能作為一種輔助驗證手段。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、使用成本低等優(yōu)點，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陣列單元的發(fā)射和接收時間，從而產(chǎn)生出多個超聲波束，通過控制陣列的激發(fā)和接收時間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實現(xiàn)工件的快速掃描成像[2]。

1.2 探頭

一個相控陣探頭可被比喻成一個大的單一晶片探頭——它被分割成多個小的晶片，當(dāng)連接相控陣儀器時，對單個晶片的脈沖發(fā)生時間進行微小調(diào)整從而使得聲束的方向和焦點能夠被改變，如圖 1所示。通過延遲控制相控陣探頭激發(fā)時間可以實現(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。

通常將一個大尺寸的探頭按規(guī)則分割成許多獨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)對某一聚焦深度進行移動掃查，扇掃區(qū)域大小可調(diào)，但受到探頭配置影響�；蛘咭部梢岳斫鉃榻嵌葤卟榛蚍轿唤菕卟�，與波束的偏轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)顯示形式有關(guān)。當(dāng)進行波束偏轉(zhuǎn)時，激勵固定的晶片組，通過實施一系列的聚焦法則使聲束在限定的角度范圍內(nèi)進行偏轉(zhuǎn)掃查；作為數(shù)據(jù)顯示，它是各個角度A掃的二維視圖，并且通過對每個A掃的延時和折射角進行修正，使視圖上的顯示與工件的真實位置相對應(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)每個單元的發(fā)射器和接收器的時間延遲規(guī)則和激勵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)射時使用單個聚焦脈沖，在接收時通過計算對所有深度進行編程深度聚焦，實現(xiàn)對不同深度進行聚焦掃描。最新技術(shù)是實時全聚焦（TFM)成像檢測， TFM是一個信號處理算法，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、可以存儲到計算機中。

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行延遲激勵，所以其在進行線形掃查時比常規(guī)手動及機械掃查要快得多。

（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，實現(xiàn)縱波檢測、橫波檢測及斜傷檢測。

（3）檢測中不需要進行鋸齒等多維掃查，僅需要 一維掃查即可對焊縫進行全面檢測，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，一個探頭實現(xiàn)幾十個探頭角度甚至幾百個探頭角度的掃查，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，可以對其進行定性和精確定量。

3 應(yīng)用效果

實際應(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利用縱波和橫波及其他波形進行缺陷檢測，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)用于自動檢測時通常能實現(xiàn)任意多個聲束的多通道自動檢測。④采用均勻分布聚束延時及合成孔徑動態(tài)聚焦方法能在整個檢測范圍內(nèi)實現(xiàn)較細(xì)的聲束掃描線，提高圖像整體分辨率。

參考文獻：

[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。