CN106324099A - 环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，鉴于超声波相控阵检测过程中，声束路径规划对检测和成像效果有重要的影响，以光线示踪法为基础，本发明建立一个优化模型，实现对任意环焊缝坡口每个分区的自动最优路径规划，进而得到每个分区相对应的相控阵中心阵元序号和声束偏转角度，通过费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，实现对环焊缝缺陷的动态聚焦检测。本发明具有对任意环焊缝坡口形状实现相控阵声束路径的自动最优规划，能够为环焊缝坡口的全自动检测提供合理的声束偏转角度和相控阵各阵元的延时时间，提高环焊缝坡口检测的效率。

Description

环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法

技术领域

本发明属于工业超声无损检测技术领域，涉及一种环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦的实现方法。

背景技术

随着经济的发展，我国对石油和天然气等能源产品需求迅速增加。东部沿海城市经济发展迅速，能源需求高，但是储量少；西部城市经济发展相对落后，但是能源储量高，因此，需要将西部地区的资源和东部沿海地区的市场结合起来。相对于其他运输方式，管道运输具有运输不仅不受气候因素影响，而且成本低、运量大、安全、经济，所以已成为油气运输的主要手段，在现代工业生产和人民生活中占有相当重要的位置，被誉为现代工业和人类生活的大动脉。

焊接连接是管道工程中最重要而且应用最广泛的连接方式，尤其是环形焊接的方式。在国内外各种大型管道工程项目中，管道敷设工作绝大部分依靠环形焊接工艺来完成。但是，在采用焊接实现连接和铺设的管道中，焊接过程中不可避免会产生各种缺陷，管线在服役或超期服役过程中运行在高温、高压和腐蚀的环境下以及承受疲劳和冲击等恶劣工况条件下，将极大地加速焊缝缺陷的发展，引发管线使用性能的恶化失效，导致事故的发生。因此，环焊缝作为管道线路中最薄弱的环节，是决定管线建成后能否安全、可靠运行的关键因素。

管道的环焊缝焊接缺陷通常采用无损检测技术进行检测。目前常用的无损检测方法有超声检测、射线检测、渗透检测、磁粉检测和涡流检测。对于管道的环焊缝缺陷的检测，主要采用超声检测技术。超声相控阵检测技术作为一种先进的超声无损检测技术，具有检测速度快，缺陷定位准确，检测灵敏度高等特点显著优点，在环焊缝焊接缺陷的检测上具有无可比拟的优势。

超声相控阵检测系统使用阵列换能器，可以选择发射/接收信号的阵元以及控制各阵元的时间延迟实现相对延迟，可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到对波束的聚焦和偏转等相控效果，实现对各种焊缝坡口的全覆盖扫查，形成清晰的图像，完成对环焊缝缺陷的精确定量检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，采用本专利的方法完成对任意形状焊缝坡口上任意聚焦点的最优声路规划。根据焊缝的坡口形式及壁厚，将焊缝扫查区域在高度方向上划分若干区域，确定每个区域的聚焦点，基于光线示踪法来规划每个扫查区域的声路路径，以保证每个被测区域的坡口面与检测声束尽量垂直，进而得到最优的声束偏转角度和发射/接收阵元的序号，通过软件控制，实现对整个焊缝坡口的扫查及最优的成像效果，是环焊缝缺陷自动检测系统中不可或缺的技术。

本发明采用的技术方案是：

步骤一：确定楔块参数，探头参数以及楔块与环焊缝中心线的相对几何位置，选取内管壁为X轴，环焊缝中心线为Y轴，建立直角坐标系；

步骤二：对于坡口的任意分区，选择分区中心点为坡口检测声束入射点，基于光线示踪法来初步规划每个扫查区域的声路路径，反推出相控阵发射/接收中心阵元的X坐标及超声波在楔块内的入射角度及管壁内的折射角度；

步骤三：以保证每个被测区域的坡口面与检测声束尽量垂直，发射/接收中心阵元坐标在可用中心阵元的分布区域，尽可能少的反射次数作为约束条件，优化每个扫查区域的声束路径；

步骤四：根据优化结果，得到每个扫查区域所对应相控阵发射/接收中心阵元坐标和激励阵元数量，确定需要进行聚焦发射的阵元序列号；

步骤五：根据费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，完成对环焊缝缺陷的动态聚焦检测；

步骤一中所述的楔块为梯形，楔块的参数包括上边长为d₁，下边长为d₄，高为d₃，倾角为θ，楔块的声速为c_wedge，探头在楔块上的安装位置为d₂，楔块边缘与焊缝中心线的距离为d₅；探头参数包括探头晶片长度为a，晶片宽度为b，晶片边距为c，探头宽度为d，探头晶片总体数量；选取内管壁为X轴，环焊缝中心线为Y轴，建立直角坐标系；

步骤二中所述对于坡口的任意分区，即每个环焊缝坡口的检测采用区域划分法分区检测，根据坡口形式及壁厚，焊缝扫查区域在坡口高度方向上划为若干层，每个分层的高度一般为2～3mm，由一组具有特定偏角和深度聚焦的声束进行检测； 选择分区中心点为坡口检测声束入射点，坐标为(x,y)，以该点作为原点，基于光线示踪法可以得到扫查该区域声束的中心线，根据几何关系来反推相控阵发射/接收中心阵元的坐标；根据不同的的坡口倾角φ，可以推导出不同的相控阵发射/接收中心阵元的X坐标，由于中心阵元X和Y的坐标关系是确定的，为了简化分析，只用推导出中心阵元X的坐标就能完成对该区域声路路径的优化；假设聚焦位置为(x,y)，管道壁厚为h，推导得到的相控阵中心阵元的X坐标表达式如下：

(1)当0<φ<75°时，通过反射法来检测该区域，相控阵发射中心阵元X坐标x_Tc和接收中心阵元X坐标x_Rc相同，中心阵元坐标和声束入射、折射角度表达式为：

x_in＝x+(y+h)cot(π/2-φ)

$x_{Rc}=x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

γ＝φ

$\mathrm{\&beta;}=arcsin\left(\frac{sin\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β是声束在楔块内的入射角度，γ是声束在管壁内折射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是声波在钢管壁的传播速度，如图3所示；

(2)当75°≤φ<90°时，通过串接法来检测该区域，相控阵发射中心阵元X坐标x_Tc，接收中心阵元X坐标x_Rc和声束入射、折射角度表达式为：

x_in＝x+ycot(φ-α)+h·ncot(φ-α),n＝1,3,5…

$x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

x_out＝x+(h·n-y)cot(φ+α-π/2),n＝1,3,5…

$x_{Rc}=\frac{d_3+x_{out}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+\tan \mathrm{\&theta;}}$

γ_in＝φ-α

${\mathrm{\&beta;}}_{in}=arcsin\left(\frac{{\mathrm{sin\&gamma;}}_{in}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

γ_out＝π-φ-α

${\mathrm{\&beta;}}_{out}=arcsin\left(\frac{{\mathrm{sin\&gamma;}}_{our}\&CenterDot;c_{steel}}{c_{wedge}}\right)$

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β_in为声束在楔块内的入射角度，γ_in为声束在管壁内折射角度，x_out是反射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，βo_ut为声束在楔块内的折射角度，γo_ut是声束在管壁内入射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是声波在钢管壁的传播速度。串接法检测时，检测区域位置和管壁厚度也会影响声束的反射次数，如图4所示；

(3)当φ＝90°时，通过直接法来检测该区域，相控阵发射中心阵元X坐标x_Tc和接收中心阵元X坐标x_Rc相同，中心阵元坐标和声束入射、折射角度表达式为：

x_in＝(h-y)tanγ

$x_{Rc}=x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

$\mathrm{\&beta;}=arcsin\left(\frac{sin\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β为声束在楔块内的入射角度，γ是声束在管壁内折射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是声波在钢管壁的传播速度，如图5所示；

(4)当φ＝90°时，通过串接法来检测该区域，相控阵发射中心阵元X坐标x_Tc和接收中心阵元X坐标x_Rc分别为：：

x_in＝(y+h·n)cot(α),n＝1,3,5…

$x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

x_out＝(h·n-y)cot(α),n＝1,3,5…

$x_{Rc}=\frac{d_3+x_{out}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+\tan \mathrm{\&theta;}}$

γ_in＝π/2-α

$\mathrm{\&beta;}=arcsin\left(\frac{sin\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β_in为声束在楔块内的入射角度，γ_in为声束在管壁内折射角度，x_out是反射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β_out为声束在楔块内的折射角度，γ_out是声束在管壁内入射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是声波在钢管壁的传播速度。串接法检测时，检测区域位置和管壁厚度也会影响声束的反射次数，如图6所示；

(5)当90°<φ<180°时，通过直接法来检测该区域，相控阵发射中心阵元X坐标x_Tc和接收中心阵元X坐标x_Rc相同：

x_in＝x+(h·n-y)tan(π-φ),n＝1,3,5…

$x_{Rc}=x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

γ＝π-φ

$\mathrm{\&beta;}=arcsin\left(\frac{sin\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β为声束在楔块内的入射角度，γ为声束在管壁内折射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是 声波在钢管壁的传播速度。反射法检测时，发射和接收的中心阵元相同，同时，检测区域位置和管壁厚度也会影响声束的反射次数，如图7所示；

步骤三中所述以保证每个被测区域的坡口面与检测声束尽量垂直，即被测区域的坡口面与声束垂直，楔块中的入射声束声轴与相控阵中心阵元尽可能垂直，使得声束在楔块的入射角度β与楔块的倾角θ尽可能相等；发射/接收中心阵元坐标在可用中心阵元的分布区域，即反推得到的发射/接收中心阵元的X坐标要在可用中心阵元分布区域的X坐标区间内；尽可能少的反射次数，在满足上面要求的情况下尽可能减少声束在管道壁内的反射，减少声束能量的损耗；根据步骤二中所得的中心阵元坐标以及检测各分区时声束的偏转角，结合上面所述的约束条件，可以得到最优声路路径规划的优化方程：

min z＝uΔθ+vx_in+wx_out

$\begin{array}{cc}s.t.& \mathrm{\&beta;}\&Element;(0,\arcsin (c_{wedge}/c_{steel}\left)\right)\\ & \mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&theta;}\\ & x_1=(8b+c+d_2)\cos \mathrm{\&theta;}+d_2+d_1\\ & x_2=(120b+c+d_2)\cos \mathrm{\&theta;}+d_2+d_1\\ & x_{Tc},x_{Rc}\&Element;\&lsqb;x_1,x_2\&rsqb;\end{array},$

式中，Δθ是楔块中声束入射角度和楔块倾角的差值，[x₁,x₂]是探头有效中心阵元X坐标区间，z是目标函数，满足声束反射次数最少且楔块入射声束与中心阵元尽可能垂直，u、v、w是目标函数方程的系数，保证三个变量的最小值满足最优路径规划；

步骤四中所述根据优化结果，得到每个扫查区域所对应相控阵发射/接收中心阵元坐标和激励阵元数量，确定需要进行聚焦发射的阵元序列号；根据步骤三建立的优化方程，求解后得到符合要求的中心阵元坐标，以及声束需要偏转的角度，换算后可以得到需要进行聚焦发射的阵元序列号；

步骤五中所述根据费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，完成对环焊缝缺陷的动态聚焦检测。用步骤四中得到的聚焦发射的阵元序列以及其坐标位置，根据费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，用各阵元中最大延时量为基准，减去各阵元延时所得的结果作为延时偏移量：

$t_i^o=max\left(t^a\right)-t_i^a,$

式中，为延时偏移量，为绝对延时量。

本发明有益效果是：

本发明利用优化模型，完成对任意焊缝坡口形状中各分区检测声束的最优路径规划，实现超声相控阵的动态聚焦检测，有益效果体现在：

(1)对楔块参数，探头参数及楔块与环焊缝相对位置等变量的参数化建模，实现对多种楔块和不同相对位置下情况下坡口检测区域的声路路径规划。

(2)利用优化模型，得出楔块坡口每个分区的最优声路路径规划，实现对环焊缝坡口的最优检测，提高检测效率。

(3)通过对声束偏转和聚焦的控制，实现环焊缝坡口的动态聚焦检测，提升全自动环焊缝检测的效率。

附图说明

图1是楔块几何参数和探头装配位置的示意图；

图2是超声相控阵换能器形状示意图；

图3是0<φ<75°时反射法声路路径示意图；

图4是75°≤φ<90°时串接法声路路径示意图；

图5是φ＝90°时直接法声路路径示意图；

图6是φ＝90°时串接法声路路径示意图；

图7是90°<φ<180°时直接法声路路径示意图；

图8是0<φ<75°时最优声路路径MATLAB仿真示意图；

图9是环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法流程框图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图9所示，鉴于超声波相控阵检测过程中，声束路径规划对检测和成像效果有重要的影响，以光线示踪法为基础，本发明建立一个优化模型，实现对任意环焊缝坡口每个分区的自动最优路径规划，进而得到每个分区相对应的相控阵中 心阵元序号和声束偏转角度，通过费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，实现对环焊缝缺陷的动态聚焦检测。

图1所示是楔块几何形状及探头装配位置的示意图，楔块的上边长为d₁，下边长为d₄，高为d₃，探头在楔块上的安装位置为d₂，倾角为θ，楔块的声速为c_wedge。图2所示是超声相控阵换能器的形状，探头晶片长度为a，晶片宽度为b，晶片边距为c，探头宽度为d，探头晶片总体数量为N。如图3所示，以0<φ<75°为例，楔块与环焊缝坡口中心线的距离为d₅，选取内管壁为X轴，环焊缝中心线为Y轴，建立直角坐标系。以坡口上某一分区中心点(x,y)为聚焦点，根据光线示踪法作出聚焦点到相控阵中心阵元的声路路径，计算相对应的相控阵中心阵元X坐标x_Tc。为保证每个被测区域的坡口面与检测声束尽量垂直，发射/接收中心阵元坐标在可用中心阵元的分布区域，尽可能少的反射次数作为约束条件，得到如下的优化模型：

min z＝uΔθ+vx_in+wx_out

s.t.x_in＝x+(y+h)cot(π/2-φ)

$x_{Rc}=x_{Tc}=\frac{d_3+x_{in}\cot \mathrm{\&beta;}+(d_1+d_5)tan\mathrm{\&theta;}}{\cot \mathrm{\&beta;}+tan\mathrm{\&theta;}}$

γ＝φ

$\mathrm{\&beta;}=arcsin\left(\frac{sin\mathrm{\&gamma;}\&CenterDot;c_{wedge}}{c_{steel}}\right)$

β∈(0,arcsin(c_wedge/c_steel))

Δθ＝β-θ

x₁＝(8b+c+d₂)cosθ+d₅+d₁

x₂＝(120b+c+d₂)cosθ+d₅+d₁

x_Tc,x_Rc∈[x₁,x₂]

式中，x_in是入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标，β为声束在楔块内的入射角度，γ为声束在管壁内折射角度，c_wedge是声波在楔块的传播速度，c_steel是声波在钢管壁的传播速度，Δθ是楔块中声束入射角度和楔块倾角的差值，[x₁,x₂] 是探头有效中心阵元X坐标区间，z是目标函数，满足声束反射次数最少且楔块入射声束与中心阵元尽可能垂直，u、v、w是目标函数方程的系数，保证三个变量的最小值满足最优路径规划。

根据优化结果，得到需要聚焦的相控证中心阵元序号及声束偏转角度，再利用费马定理，计算每个阵元的延迟时间，完成对环焊缝缺陷的动态聚焦检测。

根据上面的过程，给出各参数的具体值，分别为：

楔块上边长楔块的上边长为d₁＝28.5mm，下边长为d₄＝93mm，高为d₃＝43mm，探头在楔块上的安装位置为d₂＝5.5mm，倾角为θ＝30°，楔块的声速为c_wedge＝2336m/s。超声相控阵换能器的晶片宽度为b＝1mm，晶片边距为c＝2mm，晶片总体数量为64，一组阵元数量为16。楔块与环焊缝坡口中心线的距离为d₅＝15mm，管道壁厚为17.5mm，管道中的声速为c_steel＝3460m/s。以两毫米的宽度对坡口进行分区，坡口的倾角φ＝60°，以第三个分区为例，该分区中心点坐标为(5,8.66)。根据以上参数，建立相应的优化模型，用MATLAB仿真声路路径优化结果如图8所示。

计算得到相控阵发射阵元的序号为5～20，延时分别为1.117，1.053，0.987，0.919，0.850，0.778，0.706，0.631，0.556，0.479，0.401，0.323，0.243，0.163，0.081，0。

Claims (7)

1.一种环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，

步骤一：确定楔块参数，探头参数以及楔块与环焊缝中心线的相对几何位置，选取内管壁为X轴，环焊缝中心线为Y轴，建立直角坐标系；

步骤二：对于坡口的任意分区，选择分区中心点为坡口检测声束入射点，基于光线示踪法来初步规划每个扫查区域的声路路径，反推出相控阵发射/接收中心阵元的X坐标及超声波在楔块内的入射角度及管壁内的折射角度；

步骤三：每个被测区域的坡口面与检测声束垂直，发射/接收中心阵元坐标在可用中心阵元的分布区域，以最少的反射次数作为约束条件，优化每个扫查区域的声束路径，最终得到最优声路路径规划的优化方程；

步骤四：根据优化结果，得到每个扫查区域所对应相控阵发射/接收中心阵元坐标和激励阵元数量，确定需要进行聚焦发射的阵元序列号；

步骤五：根据费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，完成对环焊缝缺陷的动态聚焦检测。

2.根据权利要求1所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于：步骤一中所述的楔块为梯形，楔块的参数包括上边长为d₁，下边长为d₄，高为d₃，倾角为θ，探头在楔块上的安装位置为d₂，楔块边缘与焊缝中心线的距离为d₅。

3.根据权利要求2所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于：步骤一中，所述的探头参数包括探头晶片长度为a，晶片宽度为b，晶片边距为c，探头宽度为d，探头晶片总体数量。

4.根据权利要求3所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于：步骤二中，声波在楔块的传播速度为c_wedge，声波在钢管壁的传播速度为c_steel，入射声束声轴与管道上壁交点的X坐标为x_in，反射声束声轴与管道上壁交点的X坐标为x_out，声束在楔块内的入射角度为β。

5.根据权利要求4所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于，建立检测声路路径的最优声路路径规划的优化方程为：

min z＝uΔθ+vx_in+wx_out

s.t.β∈(0,arcsin(c_wedge/c_steel))

Δθ＝β-θ

x₁＝(8b+c+d₂)cosθ+d₄+d₁

x₂＝(120b+c+d₂)cosθ+d₄+d₁

x_Tc,x_Rc∈[x₁,x₂]

式中，Δθ是楔块中声束入射角度和楔块倾角的差值，[x₁,x₂]是探头有效中心阵元X坐标区间，z是目标函数，满足声束反射次数最少且楔块入射声束与中心阵元尽可能垂直，u、v、w是目标函数方程的系数，保证三个变量的最小值满足最优路径规划。

6.根据权利要求1所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于：根据步骤三建立的优化方程，求解后得到符合要求的中心阵元坐标，以及声束需要偏转的角度，换算后可以得到需要进行聚焦发射的阵元序列号。

7.根据权利要求1所述的环焊缝相控阵超声无损检测自动动态聚焦方法，其特征在于：用步骤四中得到的聚焦发射的阵元序列以及其坐标位置，根据费马定理，计算每个阵元到分区中心点的延时量，用各阵元中最大延时量为基准，减去各阵元延时所得的结果作为延时偏移量：

$t_i^o=max\left(t^a\right)-t_i^a,$

式中，为延时偏移量，为绝对延时量。