CN104698088B - 基于超声相控阵的压力管道tofd检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超声相控阵的压力管道TOFD检测方法及装置。目的是提供的检测方法以及系统可以用于压力管道内部的缺陷检测，而且具有抗干扰能力强，检测速度快，结果准确，使用方便的技术特点。技术方案是：基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置，包括超声检测仪主机、机器人控制模块、两个圆锥形相控阵探头装置、仪器装置、探头夹持装置、管道爬行机器人、同轴电缆线、编码器、扶正器、大角度定中器和金属挠管。基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置的检测方法，包括以下步骤：1)调整检测位置；2)发射超声波；3)接收反射波。

Description

基于超声相控阵的压力管道TOFD检测方法及装置

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种超声相控阵和TOFD检测技术相结合的自动检测方法以及装置，适用于压力管道内部的缺陷检测。

背景技术

随着应用行业与领域的扩展，管道面临越来越复杂、恶劣的服役工况，而管道输送介质高度危害、储存能量高，安全形势不容乐观。国内外多次发生管道因腐蚀或破裂产生的恶性事故，造成人们生命和财产的巨大损失。压力事故原因主要有腐蚀、焊接和材料缺陷、设备故障、违章操作和外力破坏等。其中腐蚀、焊接和材料缺陷破裂引起的事故占据很大的比例。因此在用的压力管道每隔一定周期应进行定期检验，以检测压力管道的腐蚀、裂纹等缺陷，将事故消除在萌芽状态。但压力管道定期检验具有不完全同于锅炉和压力容器的技术与方法。很多管道为埋地敷设，很多管道为管沟敷设，外检测困难。如何实现压力管道不搭脚手架、不拆保温层、不开挖地面的定期检测，是量多面广的压力管道实行定期检验的关键。

国外在管道内检测方面的研究开展较早，经过几十年的不断研究，一些国家研制出的管道检测器，在检测精度、定位精度、数据处理等方面都达到较高水平，并满足实际需求。但是国外的相关技术领域的研究和成果处于严格保密的状态，我国在该方面的研究起步较晚，与国外先进水平有较大差距，并且由于技术垄断等方面的因素，国外多数采用提供技术服务的方式进行销售，而且检测服务的费用非常高。管道内检测是埋地、海底、架空管道实施检测的首选方法，通过管道机器人能进入人所不及、复杂多变的非结构化管道环境中，通过携带的无损检测装置和作业装置，完成管道的检测、清扫和维护等任务，降 低人工作业的危险性，减轻人的劳动强度，具有十分重要的意义。

对于管道机器人来说，最关键的技术主要是：管道的无损检测技术以及运动能力、自主导航能力。常用的管道无损检测技术包括：针对铁磁性材料的漏磁通检测法、超声波检测法、基于激光、红外等光源的成像和视频技术。其中超声法和漏磁法得到了较广泛的应用。漏磁式管道内检测技术其基本原理是利用永久磁铁磁化管道内壁，管道腐蚀处将有磁场泄露，传感器检测漏磁信号，并对信号进行处理得到管道腐蚀情况。然而漏磁检测存在着对被测管道的限制(壁厚不能太厚)，抗干扰能力差和空间分辨力低等缺点，且仅适用于材料近表面和表面的检测。超声波管道内检测主要利用超声探伤原理，通过输送介质从管道内向管道壁发射超声波，根据回波的时间、大小，检测出探头与管道内壁的距离、管道剩余壁厚、管道腐蚀缺陷情况等。超声波法检测精度高，可得到定量的检测结果，可直接分辨内外腐蚀；不同的管道材质对检测结果基本无影响。综合分析，漏磁法和超声法各有优缺点，但对于输送液体管道而言，超声波检测技术将有广阔的应用前景。管道内检测超声波检测技术主要有内置旋转式超声波检测和多阵元常规超声检测等；上述方法均采用常规的超声直探头，不能形成周向的自动电子扫描。

超声相控阵和TOFD检测技术是上世纪七十年代提出的数字超声检测技术。超声相控阵主要特点是采用按一定规律排列的多晶片探头，各晶片的激励(振幅和延时)均由计算机控制，能产生聚焦波束实现对工件的扫描，并能实现检测结果的成像。相控阵技术可以通过软件设定，在不移动探头的情况下，仅通过改变软件设置就可以快速改变声束的偏转角度，实现对工件截面的扫查；可以通过聚焦功能提高检测分辨力、灵敏度和信噪比；相控阵仪器能够记录和保存检测过程的所有信息数据，还可以从不同投影方向生成S、B、C、D等多种图 形。TOFD即衍射时差法超声检测技术是通过利用从工件内部缺陷(如裂纹)的“端角”或“端点”处发出的衍射波来检测缺陷的一种超声检测方法。当超声波遇到诸如裂纹等的缺陷时，将在缺陷尖端产生衍射波，通过探头探测到不同声程和位置的衍射波，进而可以得到缺陷的高度和深度。TOFD检测在工程应用中具有很多优点；例如：缺陷检出能力强，定位精度高；检测周期短，检测效率高，安全，环保；检测数据可进行成像处理，检测结果直观并可数字化永久保存，实现全过程记录。超声相控阵和TOFD检测技术在核电、建筑、化工、石化、长输管道等工业行业中获得的容器和管道设备中已有应用实例。但将两者结合应用还没有取得突破性的进展，国内外部分仪器厂商虽然能同时进行超声相控阵和TOFD检测的仪器设备，但两者工作是独立进行的。至今尚缺少将超声相控阵和TOFD技术融合在一起的方法，更没有将超声相控阵和TOFD技术结合一起应用于压力管道内检测的方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种超声相控阵和TOFD检测技术相结合的自动检测方法以及系统，所述检测方法以及系统可以用于压力管道内部的缺陷检测，而且具有抗干扰能力强，检测速度快，结果准确，使用方便的技术特点。

本发明采用了以下技术方案：基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置，其特征在于：包括超声检测仪主机、机器人控制模块、检测内部缺陷的两个圆锥形相控阵探头装置、包含集成相控阵模块和TOFD模块的仪器装置、探头夹持装置、管道爬行机器人、同轴电缆线、编码器、扶正器、大角度定中器和金属挠管；所述扶正器以及仪器装置安装在金属挠管上，金属挠管的端部与管道爬行机器人连接，大角度定中器安装在仪器装置上，所述两个圆锥形相控阵探头 装置对称布置在仪器装置上，圆锥形相控阵探头装置的轴线与压力管道的轴线重合，圆锥形相控阵探头装置的圆锥面上安装有排列成环形相控阵阵列的若干个压电晶片，所述若干压电晶片均与仪器装置电连接，其中一个圆锥形相控阵探头装置上的压电晶片发射超声波信号对压力管道进行扫查，超声波信号经压力管道反射后由另一个圆锥形相控阵探头装置的压电晶片接收；

所述若干个压电晶片的长度方向均沿着圆锥面的母线方向，并与压力管道的管壁呈一定夹角，并采用电子聚焦法则控制各个压电晶片的发射次序，使得发射的超声波在管道圆周方向上聚焦。

所述圆锥形相控阵探头装置通过探头夹持装置固定在仪器装置上。

所述仪器装置与超声检测仪主机电连接，管道爬行机器人与机器人控制模块电连接。

基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)调整检测位置；机器人控制模块工作，使管道爬行机器人上下运动，调整圆锥形相控阵探头装置的位置；

2)发射超声波；其中一个圆锥形相控阵探头装置根据电子聚焦法则，控制各压电晶片在周向按一定次序和时序发射超声波，超声波经过耦合后进入压力管道的管壁，并聚焦于距离压力管道内壁面2/3t(t为压力管道壁厚)的位置上；

3)接收反射波；聚焦后的超声波经过压力管道的外壁面反射产生超声反射波，超声反射波经过压力管道的管壁和水后到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片，另外，发射的超声波声束的副瓣(直通波)沿压力管道内壁面直接到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片；该压电晶片接收后产生电信号，回传到超声检测仪主机进行检测。如管道中无缺陷，在仪器屏幕上只有直通波 和外壁面反射超声波的信号。如管道中存在缺陷，则在直通波和外壁反射超声波的信号之间，存在管道缺陷(如裂纹)的上下端点处发出的上下衍射波的超声信号，探头探测到不同声程和位置的衍射波，进而可以得到缺陷的自身高度和深度。

本发明的有益效果是：

1、采用相控阵电子线周向扫描方式，可以避免机械周向扫查引起的探头装置振动和液体扰动以及电缆线的缠绕问题，减少上述问题对检测产生的干扰。而且电子线周向扫描比机械周向扫查快上百倍，极大地提高检测效率。

2、圆盘相控阵探头装置周向聚焦采用电子聚焦技术，通过电子聚焦法则，其效果相当于超声波线聚焦，可解决钢/水界面声能损失和声波衰减过多使回波太弱的问题。

3、形成实时B扫描、TOFD扫描图像。可以检测某一轴向位置压力管道(包括焊缝)整个圆周的缺陷，从而判断压力管道系统的安全状况。

4、成像系统可有效克服面积性缺陷(如裂纹、未熔合等)的漏检问题，准确地确定缺陷的长度、深度，特别是多通道自动B扫描成像和TOFD显示，可得到缺陷的三维尺寸，并能实现扫描一次成像，检测速度快。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为一发一收两个同规格的圆锥形相控阵探头装置的安装示意图。

图3为圆锥形相控阵探头装置的结构示意图。

图4为圆锥形相控阵探头装置的立体结构示意图。

图5、图6为圆锥形相控阵探头装置的工作原理示意图。

图7-1、7-2为检测焊缝缺陷时相控阵聚焦法则和电子线扫描示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

针对现有压力管道及其检测环境，研究采用TOFD法和超声相控阵两种检测方法相结合的检测技术。提供压力管道超声相控阵和TOFD两者相结合的自动检测装置，如图1所示，自动化装置包括超声检测仪主机1、机器人控制模块2、一对检测内部缺陷的圆锥形相控阵探头装置3、仪器装置(包含集成相控阵模块、TOFD模块)4、探头夹持装置5、管道爬行机器人6、同轴电缆线7、编码器8、扶正器9、大角度定中器10和金属挠管11，以实现对压力管道12进行检测，所述圆锥形相控阵探头装置通过探头夹持装置(5)固定在仪器装置(4)上。所述仪器装置(4)与超声检测仪主机(1)电连接，管道爬行机器人(6)与机器人控制模块(2)电连接。对液体压力管道不需要专门的耦合介质，如对气体压力管道进行检测，则需利用管道水压试验的时机进行，检测时机安装在压力管道压力试验前，如压力管道不进行压力试验，检测时也要将压力管道灌满水。

基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)调整检测位置；机器人控制模块工作，使管道爬行机器人上下运动，调整圆锥形相控阵探头装置的位置；

2)发射超声波；其中一个圆锥形相控阵探头装置根据电子聚焦法则，控制各压电晶片在周向按一定次序和时序发射超声波，超声波经过耦合后进入压力管道的管壁，并聚焦于离压力管道内壁2/3t的位置上(也即聚焦位置距离内壁面2/3t，距离外壁面1/3t；t为压力管道壁厚)；

3)接收反射波；聚焦后的超声波经过压力管道的外壁反射产生超声反射波， 超声反射波经过压力管道的管壁和水后到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片；另外，发射的超声波声束的副瓣(直通波)沿管道表面直接到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片。压电晶片产生电信号，回传到超声检测仪主机进行检测。如管道中无缺陷，在仪器屏幕上只有直通波和外壁反射超声波的信号。如管道中存在缺陷，则在直通波和外壁反射超声波的信号之间，存在管道缺陷(如裂纹)的上下端点处发出的上下衍射波的超声信号，探头探测到不同声程和位置的衍射波，进而可以得到缺陷的自身高度和深度。

本发明提供一对圆锥形相控阵探头装置，TOFD检测方法采用采用一发一收两个同规格的圆锥形相控阵探头装置3，如图2所示。圆锥形相控阵探头装置3结构如图3所示，包括排列成环形相控阵阵列的若干压电晶片13、保护层14、探头外壳15、同轴电缆16、各阵元信号线17和阻尼块18，压电晶片的长度方向不平行于管道轴线，而是与管道轴线成一定的角度，因此多个压电晶片排列的形状是一个与管道轴线成一定角度的圆锥形(两个圆锥形相控阵探头装置3的较小直径端相向而对布置)，立体形状如图4所示。发射超声波的圆锥形相控阵探头装置周向聚焦采用电子聚焦技术，设计相应的聚焦法则(常规技术)控制相控阵列探头多个独立的压电晶片的发射，每个单元的阵列发射超声波叠加形成一个新的波前，使之在特定位置聚焦。因此，本发明中的相控阵探头的第一个作用是利用聚焦法则实现超声波声束在管道圆周方向上的聚焦，基于超声相控阵原理，利用聚焦法则，如图5所示，设探头至水/钢界面(即水与钢的交界面)的距离为H，如果声束在钢中的实际焦点至水/钢界面的距离为H’。则聚焦探头所需的焦距F为：

在图5所示的平面坐标系XOY中，圆锥形相控阵探头装置通过延时发射，使得原半径为R的凸面阵元，形成为曲率半径为F的凹面新波阵面，可以求得第m号阵元的延时时间τ_m。

式中：R为圆锥形相控阵探头装置的曲率半径，

F为凹面新波阵面的曲率半径，

AC为A、C两点的坐标距离，

θ_m为第m号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角；

同样可以求得第m-1号阵元的延时时间τ_m-1为：

θ_m-1为第m-1号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角；

以上述计算的延时时间作为各阵元提前激发时间，形成聚焦法则激发第-m至m阵元组，形成在钢中焦点为A1’的聚焦声束。完成扫描后以同样的聚焦法则激发第-(m-1)至m+1阵元组,形成在钢中焦点为A2’的聚焦声束，依此类推，直到激发第-(m+1)至m-1阵元组，从而完成整个圆周向的电子线扫描。因此，本发明中的圆锥形相控阵探头装置的第二个作用是实现声速周向扫查，即沿圆周方向的旋转。两个圆锥盘相控阵的周向扫查采用同样的电子线扫描，按相同方向，并对称形成一一对应关系，并以此对称的一收一发相控阵阵元组根据TOFD原理进行检测和成像，以周向电子线扫描代替常规TOFD探头带编码器的机械扫查。

本发明中的圆锥形相控阵探头装置的第三个作用是实现声束在轴向方向的发散，使声束能够覆盖需要检测的区域，以实现TOFD成像检测。超声TOFD的基本原理如图6，在无缺陷部位，接收探头会接收到沿试件表面传播的直通波和底面反射波。而有缺陷存在时，在上述两波之间，接收探头会接收到缺陷上端部和下端部的衍射波信号，TOFD技术这一特点，能直观地将缺陷上下端点同时以图形方式表示出来，便于测试与分析。在圆锥形相控阵探头装置布置时，沿轴向方向，晶片以一定的角度入射，使在水/工件产生一定角度的扩散声束。

由于压力管道通常壁厚较薄，因此本发明设计超声波探头在工件(即压力管道)中产生的纵波折射角为65°左右，欲使在工件中产生65°折射纵波，则超声波在水中的入射角α₁为：

c₁为水中纵波声速，

c₂为钢中纵波声速。

接收超声波的圆锥形相控阵探头装置周向聚焦采用与发射超声波的圆锥形相控阵探头装置同样的电子聚焦技术，并在轴向方向，晶片以与发射同样的角度对称布置。检测时，两个圆锥盘相控阵探头在钢中入射点的距离2S最佳控制在：

t为压力管道壁厚。

检测时管道应清除杂物，并充满水，由管道爬行机器人带动探头检测装置，检测装置带有编码器，记录行走位置，管道爬行机器人供电电线、探头装置电缆线装在外带保护层的整根组合电缆线内，中间充以泡沫塑料，整根组合电缆 线的比重与水接近，以尽量减少摩擦阻力。检测时，探头装置浸在水中，超声波通过水耦合进入工件中，再以衍射波通过水回到探头中，探头和编码器用于采集信号并将超声信号传输至包含相控阵、TOFD模块的仪器装置进行处理，处理的信号由电缆传输至超声波检测仪。

下面以注满水的压力管道为例说明发明的具体实施方式：启动机器人控制模块2，通过机器人控制模块启动管道爬行机器人6以一定速度向前运动，管道爬行机器人6通过金属挠管11带动仪器探头组合装置、扶正器9向前移动，仪器探头组合装置包括仪器装置4、一对检测内部缺陷的圆锥形相控阵探头装置3、探头夹持装置5、编码器8、大角度定中器10扶正器9，编码器8安装在大角度定中器的轮子上，大角度定中器10保证仪器探头组合装置通过弯管时定位在弯管中心附近，并保护探头组合装置通过弯管时与管壁产生碰撞，带动扶正器9与探头组合装置用金属挠管11进行连接，使之能够顺利通过弯管。检测焊缝纵向缺陷时，发射超声波的圆锥形相控阵探头装置周向聚焦采用垂直声束，接收超声波的圆锥形相控阵探头装置周向聚焦采用与发射超声波的圆锥形相控阵探头装置同样的电子聚焦技术，两个圆锥盘相控阵的周向扫查采用同样的电子线扫描，按相同方向，并对称形成一一对应关系，并以此对称的一收一发相控阵阵元组根据TOFD原理进行检测和成像，以周向电子线扫描代替常规TOFD探头带编码器的机械扫查，如图7-1、图7-2所示。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置，其特征在于：包括超声检测仪主机(1)、机器人控制模块(2)、检测内部缺陷的两个圆锥形相控阵探头装置(3)、包含集成相控阵模块和TOFD模块的仪器装置(4)、探头夹持装置(5)、管道爬行机器人(6)、同轴电缆线(7)、编码器(8)、扶正器(9)、大角度定中器(10)和金属挠管(11)；所述扶正器(9)以及仪器装置(4)安装在金属挠管(11)上，金属挠管(11)的端部与管道爬行机器人(6)连接，大角度定中器(10)安装在仪器装置(4)上，所述两个圆锥形相控阵探头装置(3)对称布置在仪器装置(4)上，圆锥形相控阵探头装置(3)的轴线与压力管道的轴线重合，圆锥形相控阵探头装置的圆锥面上安装有排列成环形相控阵阵列的若干个压电晶片，所述若干个压电晶片均与仪器装置电连接，其中一个圆锥形相控阵探头装置上的压电晶片发射超声波信号对压力管道进行扫查，超声波信号经压力管道反射后由另一个圆锥形相控阵探头装置的压电晶片接收；

所述若干个压电晶片的长度方向均沿着圆锥面的母线方向，并与压力管道的管壁呈一定夹角，并采用电子聚焦法则控制各个压电晶片的发射次序，使得发射的超声波在管道圆周方向上聚焦。

2.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置，其特征在于：所述圆锥形相控阵探头装置通过探头夹持装置(5)固定在仪器装置(4)上。

3.根据权利要求2所述的基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置，其特征在于：所述仪器装置(4)与超声检测仪主机(1)电连接，管道爬行机器人(6)与机器人控制模块(2)电连接。

4.如权利要求1所述基于超声相控阵的压力管道TOFD检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)调整检测位置；机器人控制模块工作，使管道爬行机器人上下运动，调整圆锥形相控阵探头装置的位置；

2)发射超声波；其中一个圆锥形相控阵探头装置根据电子聚焦法则，控制各压电晶片在周向按一定次序和时序发射超声波，超声波经过耦合后进入压力管道的管壁，并聚焦于距离压力管道内壁面2/3t的位置上；t为压力管道壁厚；

3)接收反射波；聚焦后的超声波经过压力管道的外壁反射产生超声反射波，超声反射波经过压力管道的管壁和水后到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片；另外，发射的超声波声束的副瓣沿压力管道内壁面直接到达另一圆锥形相控阵探头装置的压电晶片；该压电晶片接收后产生电信号，回传到超声检测仪主机进行检测。