麻建璽 趙國彬

中國石油管道公司沈陽檢測技術分公司

摘  要：環焊縫是油氣管道最為薄弱的環節，其質量關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量進行檢測和評定尤為重要。超聲相控陣檢測技術具有速度快、效率高、分辨力強、數據存儲便捷直觀、現場使用成本低等優點。

關鍵詞：管道；環焊縫；超聲相控陣；動態聚焦

環焊縫射線檢測和手動超聲波檢測兩種方法各有優缺點，前者雖結果顯示直觀，但檢測速度慢、成本高，存在輻射；后者則更加簡便靈活，但檢測結果可重復性差，比較依賴個人經驗，只能作為一種輔助驗證手段。超聲相控陣檢測技術相比傳統檢測方法具有掃查速度快、檢測效率高、可重復性強、使用成本低等優點，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

1.1 原理

使用微型探頭陣列產生超聲波束，建立聚焦法則使電子裝置控制每個陣列單元的發射和接收時間，從而產生出多個超聲波束，通過控制陣列的激發和接收時間，控制波束角度、聚焦深度、聚焦尺寸等，實現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，當連接相控陣儀器時，對單個晶片的脈沖發生時間進行微小調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時間可以實現改變聲束角度、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，其中平面陣列又細分為一維陣列（線陣和環陣）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生的切面視圖，如圖 3所示。陣列中相同晶片發射的聲束，在掃查范圍內對某一聚焦深度進行移動掃查，扇掃區域大小可調，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，與波束的偏轉及數據顯示形式有關。當進行波束偏轉時，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進行偏轉掃查；作為數據顯示，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，如圖 4所示。

1.4 聚焦法則

超聲相控陣檢測技術一般通過控制參與波束形成的發射和接收探頭陣列單元以及對應每個單元的發射器和接收器的時間延遲規則和激勵電壓幅度來形成自己的聚焦法則[3]。目前主要采用動態聚焦，如圖 5所示，超聲聲束沿聲束軸線，在發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，實現對不同深度進行聚焦掃描。最新技術是實時全聚焦（TFM)成像檢測， TFM是一個信號處理算法，利用全矩陣采集TFM的數據來對缺陷的位置及外形尺寸進行精確成像。

2 技術優勢

2.1 相對于X射線檢測優勢

（1）安全環保無輻射危害、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，檢測結果較短時間內得到。

（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）檢測數據讀取方便、可以存儲到計算機中。

2.2 相對于常規超聲檢測優勢

（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、偏轉角度、波束寬度，實現縱波檢測、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）檢測中不需要根據檢測對象情況不停更換角度，一個探頭實現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）能夠實現B\C\D\S等多種成像，缺陷判斷更加直觀明了。

（6）能夠實現動態（接收動態）聚焦，明顯提高對細小缺陷的發現能力，可以對其進行定性和精確定量。

3 應用效果

實際應用中，超聲相控陣檢測的工藝設置、全程掃查記錄等信息，將以多種形式呈現在屏幕上，顯示出各種缺陷供測量、分析。一般設置雙通道來采集數據， 結合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所示為某環焊縫相控陣檢測缺陷數據圖譜，相比射線檢測和常規超聲檢測，數據顯示更加直觀明了，便于存儲和讀取。

4 結語

超聲相控陣檢測技術能夠實現多種二維成像組合顯示或三維模擬，使超聲檢測結果更加直觀，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，技術優勢明顯。①實現了可動態變化的萬能探頭。②應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應用于自動檢測時通常能實現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聚焦方法能在整個檢測范圍內實現較細的聲束掃描線，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在焊縫檢測中的應用分析[J].企業技術開發， 2011， 30(12)： 31-32.

[2] 張盼，付明東.相控陣檢測技術在管道腐蝕檢測中的應用[J].管道技術與設備， 2019， (6)： 27-29.

[3] 詹湘琳.超聲相控陣油氣管道環焊縫缺陷檢測技術的研究[D].天津大學： 精密儀器與光電子工程學院， 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年畢業于中國石油大學（華東）材料科學與工程專業，主要從事油氣管道檢測相關工作。聯系方式： 15802473127，majianxi1616@163.com。