CN106093196A - 一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，该复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S₁和S₃、两列轴向斜探头阵列S₂和S₄，以及两列周向斜探头阵列S₅和S₆。探头阵列按径向探头阵列S₁→轴向斜探头阵列S₂→径向探头阵列S₃→轴向斜探头阵列S₄→周向斜探头阵列S₅→周向斜探头阵列S₆的方式分布；每列探头均匀排列分布；探头数目由被检测管道内径确定。该发明还公布了根据传感器空间分布方位及每个传感器接收到的信号定量缺陷三维参数的方法。该发明中的装置和方法可以有效检测管道壁上各种不同种类的缺陷，特别是能够在一次性通过管道时检测出微小缺陷并提供量化信息。

Description

一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法

技术领域

本发明涉及一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，属于无损检测技术领域。该阵列能检测管道壁几乎所有种类的缺陷，并提供缺陷量化参数信息；特别适合管道壁小缺陷(裂纹等)的检测与三维量化信息的获取。

背景技术

管道缺陷超声内检测技术不同于管道超声外检测技术，它利用放置在管道内部的超声传感器阵列，又称智能猪，在一次性通过管道时，扫描检测管道中的缺陷，并提供缺陷的量化参数信息。这种方法的优点是能适应埋地管道和海底管道等不方便在外部进行缺陷检测的场合，检测效率高，能检出的缺陷种类多，特别是可以检测出管道壁中的缺陷，所以近年来在国际上发展迅速。

管道超声内检测技术是管道工业发达国家竞相研制的高新技术。由于其技术复杂，涉及学科繁多，所以目前仅有少数几家国外公司掌握，如美国GE公司与Tuboscope公司、加拿大Enbridge公司、德国AG公司与Foerster公司、日本钢管株式会社(NKK)、英国PI公司与GUL公司等(汪永康，刘杰，刘明，杜邵先，鲍元飞.石油管道内缺陷无损检测技术的研究现状.腐蚀与防护，2014，9(35)：929-934)。然而，现有工业应用中的管道超声内检测智能猪大多是采用径向入射方式进行管道缺陷检测，从原理上限制了这种内检测方法只能检测出比较大的腐蚀类缺陷，还无法检出管道壁中裂纹等小缺陷，漏检现象严重。

国内管道超声内检测方面的研究尚处于起步阶段。胜利石油管理局在国家“863”计划资助下，与上海交通大学等单位开展了“海底管线内爬行器及其检测技术”的研究工作，研发了一套Φ325mm海底管线超声检测系统工程样机及其标定试验系统。目前这套机构主要用于检测壁厚变化类缺陷。另外，国内清华大学、天津大学、浙江大学、南京理工大学、中国石油大学、大连理工大学及上海大学等院校均有管道超声内检测研究成果的报导。(周燕，董怀荣，周志刚，谢慧.油气管道内检测技术的发展.石油机械.2011，3(39)：74-77)。

目前，利用超声波进行管道缺陷内检测的技术均存在检出缺陷种类少，不能有效检测小缺陷的问题，更无法给出小缺陷的量化参数信息。本发明可以有效解决这一问题，并给出缺陷量化参数信息，能有效实现不同种类小缺陷的检出，克服了现有技术和设备存在的不足。

发明内容

本发明的目的在于针对国内外现有技术的不足，提供一种能检测管道不同种类缺陷，包括裂纹等小缺陷的复合超声传感器阵列的设计方法及缺陷定量方法，实现管道中不同种类缺陷的检测和量化。

本发明的技术方案包括如下步骤：

一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；

所述复合超声传感器阵列结构设计方法：

步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；

步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S₁和S₃、两列轴向斜探头阵列S₂和S₄，以及两列周向斜探头阵列S₅和S₆。传感器以S₁→S₂→S₃→S₄→S₅→S₆分布，形成S₁-S₃；S₂-S₄；S₅-S₆三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；

步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S₂-S₄和S₅-S₆在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S₂-S₄和S₅-S₆的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；

步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离h_i，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；

步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离h_i，得到传感器检测弧长l_i的计算公式；

步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长l_i，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式N_i；

超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：

步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；

步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置C_in，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；n＝1,2,3…N_i，表示同种入射模式传感器阵列中传感器对应编号；

步骤2.3，声束入射点空间位置确定：根据传感器阵列在管道中的位置、传感器空间位置C_in和声束入射角α，确定其在管道内壁上对应声束入射点P_in；

缺陷定量方法：

步骤3.1，根据S₂-S₄的声束入射角α、缺陷回波存在的时间t、阵列移动距离L和声束在管壁内的传播路径，得出缺陷的高l高；

其中，v＝2B(tany-tanx)+w；

步骤3.2，根据S₁-S₃中传感器接收到的缺陷回波存在时间t′、阵列移动距离L′、晶片直径d以及声束角可以得到缺陷的长l_长；

步骤3.3，根据S₁-S₃中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l_宽；

步骤3.4，生成缺陷可视化网格图像。

进一步，所述步骤3.4的具体过程为：在管壁中建立虚拟网格，网格形状为扇形立方体。其厚度取为阵列轴向移动一个步长时，同一传感器在对应的两声束入射点能检测出的最小壁厚值，一个步长是指阵列匀速移动时传感器阵列中所有传感器发射和接收一次超声波对应的轴向移动距离；长度取为沿管道轴线方向移动的一个步长；扇形角度取为360°/N_i，其中N_i是同一种声波发射模式中两列传感器的个数；然后，将计算得到的缺陷量化参数信息l_高、l_长及l_宽用色彩填充到划分好的网格中，生成缺陷的可视化网格图像。

进一步，所述步骤3.4的具体过程为：选用脉冲超声直探头作为复合阵列传感器，晶片直径为Φ10mm，中心频率为5MHz。管道内径为192mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质。设定S₁-S₃的水程提离距离为14mm，计算得到S₂-S₄传感器水程提离距离h₂为16mm，此时，S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆中单一传感器的声束所能覆盖的弧长分别为19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每种入射方式超声传感器各需要60个，分两列均匀布设。

本发明具有以下技术效果：

1)利用超声波进行管道缺陷内检测的技术均存在检出缺陷种类少，不能有效检测小缺陷的问题，更无法给出小缺陷的量化参数信息，本发明可以有效并给出缺陷量化参数信息，能有效实现不同种类小缺陷的检出，克服了现有技术和设备存在的不足。此外，该发明还公布了根据传感器空间分布方位及每个传感器接收到的信号定量缺陷三维参数的方法，特别是能够在一次性通过管道时检测出微小缺陷并提供量化信息。

2)该发明采用径向、轴向斜置和周向斜置传感器阵列相结合的复合阵列结构，阵列按径向探头阵列(S₁)→轴向斜探头阵列(S₂)→径向探头阵列(S₃)→轴向斜探头阵列(S₄)→周向斜探头阵列(S₅)→周向斜探头阵列(S₆)的方式分布，可兼顾一次性扫查面积与缺陷检出率这一矛盾，并且由斜置超声传感器对裂纹等小缺陷进行检测。同时，本发明还给出了阵列结构参数与缺陷量化参数的计算方法。

附图说明

图1为本发明超声复合传感器阵列结构示意图；

图2为径向传感器与轴向斜置传感器相对位置关系示意图；

图3单种阵列传感器编号顺序图，a为前一列阵列传感器编号；b为后一列阵列传感器编号；

图4径向探头阵列二维坐标示意图；a为阵列的横向剖面图，b为局部放大图；

图5轴向斜置探头阵列二维坐标示意图；a为阵列的纵向剖面图，b为局部放大图；

图6周向斜置探头阵列二维坐标示意图；a为阵列的横向剖面图，b为局部放大图；

图7管壁内轴向斜入射声束传播示意图；

图8管道内壁裂纹缺陷网格超声成像横截面图；

图9管道外壁裂纹缺陷网格超声成像横截面图；

图10管道裂纹缺陷网格超声成像纵向截面图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤实现：

一种管道缺陷超声内检测复合阵列及缺陷定量方法，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；

所述复合超声传感器阵列结构设计方法：

步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；

步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S₁和S₃、两列轴向斜探头阵列S₂和S₄，以及两列周向斜探头阵列S₅和S₆。传感器以S₁→S₂→S₃→S₄→S₅→S₆分布，形成S₁-S₃；S₂-S₄；S₅-S₆三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；

步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S₂-S₄和S₅-S₆在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S₂-S₄和S_５－S₆的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；

步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离h_i，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；

步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离h_i，得到传感器检测弧长l_i的计算公式；

步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长l_i，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式N_i；

超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：

步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；

步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置C_in，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；n＝1,2,3…N_i，表示同种入射模式传感器阵列中传感器对应编号；

步骤2.3，声束入射点空间位置确定：根据传感器阵列在管道中的位置、传感器空间位置C_in和声束入射角α，确定其在管道内壁上对应声束入射点P_in；

缺陷定量方法：

步骤3.1，根据S₂-S₄的声束入射角α、缺陷回波存在的时间t、阵列移动距离L和声束在管壁内的传播路径，得出缺陷的高l_高；

其中，v＝2B(tany-tanx)+w；

步骤3.2，根据S₁-S₃中传感器接收到的缺陷回波存在时间t′、阵列移动距离L′、晶片直径d以及声束角可以得到缺陷的长l_长；

步骤3.3，根据S₁-S₃中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l_宽；

步骤3.4，生成缺陷可视化网格图像。在管壁中建立虚拟网格，网格形状为扇形立方体。其厚度取为阵列轴向移动一个步长时，同一传感器在对应的两声束入射点能检测出的最小壁厚值，一个步长是指阵列匀速移动时传感器阵列中所有传感器发射和接收一次超声波对应的轴向移动距离；长度取为沿管道轴线方向移动的一个步长；扇形角度取为360°/N_i，其中N_i是同一种声波发射模式中两列传感器的个数；然后，将计算得到的缺陷量化参数信息l_高、l_长及l_宽用色彩填充到划分好的网格中，生成缺陷的可视化网格图像。

选用脉冲超声直探头作为复合阵列传感器，晶片直径为Φ10mm，中心频率为5MHz。管道内径为192mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质。设定S₁-S_３的水程提离距离为14mm，计算得到S₂-S_４传感器水程提离距离h₂为16mm，此时，S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆中单一传感器的声束所能覆盖的弧长分别为19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每种入射方式超声传感器各需要60个，分两列均匀布设。

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步具体描述。

1)复合传感器阵列结构

考虑到实际检测要求，即复合超声传感器阵列既要能完全覆盖对应的管道内表面，又要使传感器数量尽可能少，选择脉冲超声直探头作为阵列传感器。

本发明中三种不同入射方式阵列上所有传感器一次性通过管道时，每种阵列声束均能够覆盖对应的整个管道内表面，并且有一定的声束覆盖重叠率。本发明中三种不同入射方式阵列具有互补性，每种入射方式中任一传感器均能与其它两种入射方式中的两个传感器照射在管道内表面的同一点上，通过声束发射时序来控制声束声场间的干扰。本发明根据传感器发射时序和不同传感器接收到的缺陷回波，计算得到缺陷长度、高度和宽度三个量化参数信息，进而对缺陷进行定量描述。

2)超声传感器在管道中水程提离距离确定方法

管道中采用水作为超声检测耦合介质，从避免S₂-S₄的声场被S₁-S₃本身干扰的角度出发，同时考虑到两种传感器的入射声场的覆盖率，计算得到超声传感器在管道中水程提离距离。图2中，1是S₁-S₃中的传感器；2是S₂-S₄中的传感器；a是两传感器圆心间距；B是管道壁厚；h₁为S₁-S₃的水程距离；h₂为S₂-S₄的水程提离距离。已知超声传感器的声束角为晶片直径为d，为了防止S₂-S₄的入射声束被S₁-S₃干扰，h₁和h₂之间的关系如下：

当传感器参数和两传感器圆心间距离a已知时，再根据预先设定的S₁-S₃的水程提离距离h₁，就可以由(1)式解算出S₂-S₄的水程提离距离h₂的选择范围。

由于S₅-S₆的声束路径上无遮挡干扰，故其水程提离距离即为传感器晶片圆心至声束入射点的直线距离h₃。

3)单个传感器检测弧长的确定方法

三种不同入射方式传感器声束所能覆盖的管道内表面弧长为：

其中，R为管道内半径，d为传感器晶片直径，为超声传感器声束角，h_i为超声传感器的水程提离距离。

4)复合阵列中传感器数目的确定方法

单一入射模式阵列覆盖整个管道检测区域所需的传感器的个数是：

$N_i=\frac{2\mathrm{\π}R}{l_i}---\left(3\right)$

其中，R为管道内半径，l_i为声束覆盖的表面弧长。

5)坐标系的建立

在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面。其中，传感器阵列基座外半径为r；管道内半径为R。用传感器晶片圆心C_in代表传感器几何中心位置，P_in点代表传感器照射在管道内表面上的点。

6)超声传感器空间位置确定

令S₆中的某一传感器阵列基座孔经过Y轴，S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆中传感器编号顺序如图3所示，根据所建立的空间直角坐标系，以及图1、图4、图5、图6所示的几何结构，每个传感器的空间位置C_in的坐标表示如下(其中，n为传感器编号；γ表示所标两传感器阵列基座孔中心的偏角；a,e,f,j,p表示所标探头圆心间距离(见图1)；b和c分别为S₂-S₄和S₅-S₆中传感器伸出探头基座的长度(见图5和图6)；g为AB两点间的距离(见图6))：

当n≤30时：

C_1n坐标为

$\left(\right(R-h_1)sin\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(n-\frac{1}{2})\],(R-h_1)cos\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(n-\frac{1}{2})\],e+f+j+2a+p)$

C_2n坐标为

$\left(\begin{array}{c}\[(b+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\sin \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(n-\frac{1}{2})\],\[(b+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\cos \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(n-\frac{1}{2})\],\\ e+f+j+a+p\end{array}\right)$

C_3n坐标为

$\begin{array}{c}(\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\sin \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(n-1)\],\\ (\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\cos \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(n-1)\],e+f)\end{array}$

当n＞30时：

C_1n坐标为

$\left(\right(R-h_1)sin\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(2n-\frac{3}{2}-N_1)\],(R-h_1)cos\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(2n-\frac{3}{2}-N_1)\],e+f+j+a)$

C_2n坐标为

$\left(\begin{array}{c}\[(b+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\sin \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(3n-\frac{3}{2}-N_2)\],\[(b+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\cos \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(2n-\frac{3}{2}-N_2)\],\\ e+f+j\end{array}\right)$

C_3n坐标为

$\begin{array}{c}(\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\sin \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(2n-2-N_3)\],\\ (\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\cos \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(2n-2-N_3)\],e)\end{array}$

7)声束入射点空间位置确定

传感器在管道内壁上对应的声束照射点P_in的坐标为

当n≤30时：

P_1n坐标为

$(Rsin\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(n-\frac{1}{2})\],(R-h_1)cos\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(n-\frac{1}{2})\],e+f+j+2a+p)$

P_2n坐标为

$\left(\begin{array}{c}\[(b+h_2+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\sin \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(n-\frac{1}{2})\],\[(b+h_2+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\cos \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(n-\frac{1}{2})\],\\ e+f+j+a+p+h_2\sin \mathrm{\α}\end{array}\right)$

P_3n坐标为

$\begin{array}{c}(\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\sin \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(n-1)\],\\ (\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\cos \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(n-1)\],e+f)\end{array}$

当n＞30时：

P_1n坐标为

$(Rsin\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(2n-\frac{3}{2}-N_1)\],Rcos\[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_1}(2n-\frac{3}{2}-N_1)\],e+f+j+a)$

P_2n坐标为

$\left(\begin{array}{c}\[(b+h_2+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\sin \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(2n-\frac{3}{2}-N_2)\],\[(b+h_2+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α})\cos \mathrm{\α}+r\]\cos \[\mathrm{\γ}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_2}(2n-\frac{3}{2}-N_2)\],\\ e+f+j+h_2\sin \mathrm{\α}\end{array}\right)$

P_3n坐标为

$\begin{array}{c}(\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\sin \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(2n-2-N_3)\],\\ (\sqrt{{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}\]}^2+{\[(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r\]}^2}\cos \[{\tan }^{-1}\frac{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\sin \mathrm{\α}}{(c+\frac{d}{2}\tan \mathrm{\α}-g+h_3)\cos \mathrm{\α}+r}+\frac{4\mathrm{\π}}{N_3}(2n-2-N_3)\],e)\end{array}$

8)缺陷量化参数确定方法

根据传感器在直角坐标系中的位置坐标、阵列移动速度及阵列上声束入射点的位置，再结合传感器接收到的回波信息，解算出缺陷的三维空间分布量化参数l_高、l_长和l_宽。根据复合传感器阵列按照检测方向前进时，同一缺陷回波从出现到消失时间t以及阵列前进速度，可得t时间内阵列所移动的距离L，结合声束在管壁中的传播路径(见图7)，缺陷的高l_高可由如下方程组解出：

其中，v＝2B(tany-tanx)+w；

根据S₁-S₃中同一缺陷回波从出现到消失时间t′，测得阵列在该时间内所移动的距离L′，再根据晶片直径d和声束角可以得到缺陷的长l_长；

根据S₁-S₃中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l_宽。

9)生成缺陷可视化网格图像。在管壁中建立虚拟网格，网格形状为扇形立方体。其厚度取为阵列轴向移动一个步长时，同一传感器在对应的两声束入射点能检测出的最小壁厚值，一个步长是指阵列匀速移动时传感器阵列中所有传感器发射和接收一次超声波对应的轴向移动距离；长度取为沿管道轴线方向移动的一个步长；扇形角度取为360°/N_i，其中N_i是同一种声波发射模式中两列传感器的个数。然后，将计算得到的缺陷量化参数信息l_高、l_长及l_宽用色彩填充到划分好的网格中，生成缺陷的可视化网格图像。

10)设计特例

选用脉冲超声直探头作为复合阵列传感器，晶片直径为Φ10mm，中心频率为5MHz。管道内径为192mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质。设定S₁-S₃的水程提离距离为14mm，计算得到S₂-S₄传感器水程提离距离h₂为16mm，此时，S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆中单一传感器的声束所能覆盖的弧长分别为19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每种入射方式超声传感器各需要60个，分两列均匀布设。复合阵列的探头总数为180。传感器安装在外径为Φ167mm的传感器基座上，复合超声传感器阵列采用6列布置，每一列上有30个传感器，每列上的传感器均匀分布，每种入射方式独自成列，其中S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆各自两列间传感器位置偏角6°，并且以S₁→S₂→S₃→S₄→S₅→S₆方式布置。

使用本发明对管道中的裂纹缺陷进行了检测，其中，裂纹缺陷是按照美国石油管道行业协会的标准加工的人工缺陷。特例中缺陷为在管道内壁纵向裂纹和管道外壁横向裂纹，加工尺寸分别为10×1×3.6mm³，10×0.5×6mm³。通过对这两个缺陷进行检测，均能有效检测到缺陷的存在，使用本发明中的缺陷量化参数确定方法，对检测所得数据进行超声网格成像，网格厚度为1mm，长度为1mm，扇形角度为6°，所成缺陷图像分别如图8、9和10所示。其中，图8为管道内纵向裂纹所成图像的管道横截面图与局部放大图；图9为管道外横向裂纹所成图像的管道横截面图与局部放大图；图10为管道纵向截面图，显示两个裂纹缺陷在管道中的位置。

综上，本发明的一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，该复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S₁和S₃、两列轴向斜探头阵列S₂和S₄，以及两列周向斜探头阵列S₅和S₆。探头阵列按径向探头阵列S₁→轴向斜探头阵列S₂→径向探头阵列S₃→轴向斜探头阵列S₄→周向斜探头阵列S₅→周向斜探头阵列S₆的方式分布；每列探头均匀排列分布；探头数目由被检测管道内径确定。该发明还公布了根据传感器空间分布方位及每个传感器接收到的信号定量缺陷三维参数的方法。该发明中的装置和方法可以有效检测管道壁上各种不同种类的缺陷，特别是能够在一次性通过管道时检测出微小缺陷并提供量化信息。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，其特征在于，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；

所述复合超声传感器阵列结构设计方法：

步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；

步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S₁和S₃、两列轴向斜探头阵列S₂和S₄，以及两列周向斜探头阵列S₅和S₆。传感器以S₁→S₂→S₃→S₄→S₅→S₆分布，形成S₁-S₃；S₂-S₄；S₅-S₆三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；

步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S₂-S₄和S₅-S₆在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S₂-S₄和S₅-S₆的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；

步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离h_i，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；

步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离h_i，得到传感器检测弧长l_i的计算公式；

步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长l_i，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式N_i；

超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：

步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；

步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置C_in，其中i＝1,2,3，分别代表S₁-S₃，S₂-S₄，S₅-S₆三种入射模式阵列；n＝1,2,3…N_i，表示同种入射模式传感器阵列中传感器对应编号；

步骤2.3，声束入射点空间位置确定：根据传感器阵列在管道中的位置、传感器空间位置C_in和声束入射角α，确定其在管道内壁上对应声束入射点P_in；

缺陷定量方法：

步骤3.1，根据S₂-S₄的声束入射角α、缺陷回波存在的时间t、阵列移动距离L和声束在管壁内的传播路径，得出缺陷的高l_高；

其中，

步骤3.2，根据S₁-S₃中传感器接收到的缺陷回波存在时间t′、阵列移动距离L′、晶片直径d以及声束角可以得到缺陷的长l_长；

步骤3.3，根据S₁-S₃中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l_宽；

步骤3.4，生成缺陷可视化网格图像。

2.根据权利要求1所述的一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，其特征在于，所述步骤3.4的具体过程为：在管壁中建立虚拟网格，网格形状为扇形立方体。其厚度取为阵列轴向移动一个步长时，同一传感器在对应的两声束入射点能检测出的最小壁厚值，一个步长是指阵列匀速移动时传感器阵列中所有传感器发射和接收一次超声波对应的轴向移动距离；长度取为沿管道轴线方向移动的一个步长；扇形角度取为360°/N_i，其中N_i是同一种声波发射模式中两列传感器的个数；然后，将计算得到的缺陷量化参数信息l_高、l_长及l_宽用色彩填充到划分好的网格中，生成缺陷的可视化网格图像。

3.根据权利要求1所述的一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，其特征在于，选用脉冲超声直探头作为复合阵列传感器，晶片直径为Φ10mm，中心频率为5MHz，管道内径为192mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质，设定S₁-S₃的水程提离距离为14mm，计算得到S₂-S₄传感器水程提离距离h₂为16mm，此时，S₁-S₃，S₂-S₄和S₅-S₆中单一传感器的声束所能覆盖的弧长分别为19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每种入射方式超声传感器各需要60个，分两列均匀布设。