CN111141825B - 小口径钢管超声波时域分段成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料无损检测技术领域，具体为一种涉及小口径钢管超声波时域分段成像检测方法。本发明方法包括：控制发射一定频率、一定声场分布形式的超声波作为检测探针，以合理方式作用于钢管，在钢管内部形成多种模式的超声波传播行为；其中，不同模式的超声波分别针对钢管不同区域位置所存在的缺陷进行检测，再分别提取这些不同模式的超声波信号特征，结合其出现的不同监测时段，对信号是否存在异常情况进行判断；根据判断结果，对成像元素，即各监测时段的信号电压幅度，进行“或”逻辑处理，根据不同的逻辑情况，对各种壁厚/外径比的钢管进行质量检测。本发明有效解决了目前国内外小口径厚壁钢管无法在线实施探伤检测的问题。

Description

小口径钢管超声波时域分段成像检测方法

技术领域

本发明属于材料无损检测技术领域，具体涉及小口径钢管超声波时域分段成像检测方法。

背景技术

关于钢管的探伤检测，目前有成熟的国家标准，其中规定采用折射横波探伤法。所述的折射横波探伤法，通过将入射超声波与钢管表面成一定的角度入射以达到全反射纵波、折射横波进入钢管实施检测的目的，入射超声波与钢管表面的角度必须介于第一临界角和第二临界角之间，如果小于第一临界角，那么纵波也会进入到钢管中，从而对横波检测钢管造成干扰，如果大于第二临界角，那么折射横波也会被全反射掉，从而无法对钢管实施检测。在入射超声波以接近第一临界角的角度入射的时候，折射入钢管的横波可以最大程度的靠近钢管的中心，也就是最大程度的靠近或者作用在内壁上。但是，如果钢管的壁厚增加，壁厚/外径比大于0.23 的时候，最可能靠近管中心的折射横波就无法作用到内壁上了。这时候采用折射横波法就无法对钢管进行内部的彻底检测了。

目前能够用到的针对钢管的不同无损检测方法均存在局限：

折射横波探伤法，管壁超厚时不再适用；

使用磁粉和涡流，都很难对钢管内壁进行自动探伤；

射线方法，设备复杂并安全要求严格，也难达到目前出现问题所要求的灵敏度；

采用超声导波方法，难以实现在线自动探伤。

因此，要突破常规钢管超声探伤方法针对壁厚/外径比大于0.23的小口径管检测的技术瓶颈，实现对各种壁厚/外径比的钢管都能够实施质量探伤检测，必须有新的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对目前钢管探伤检测中的问题，提供一种新的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法。

本发明提供的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，是控制发射一定频率、一定声场分布形式的超声波作为检测探针，以合理方式作用于钢管，在钢管内部形成多种模式的超声波传播行为；其中，不同模式的超声波分别针对钢管不同区域位置所存在的缺陷进行检测，再分别提取这些不同模式的超声波信号特征，结合其出现的不同监测时段，对信号是否存在异常情况进行判断；然后根据判断结果，对成像元素，即各监测时段的信号电压幅度，进行“或”逻辑处理，根据不同的逻辑情况，采用成像的方法对各种壁厚/外径比的钢管进行质量检测。本发明方法可以检测包括在内壁、外壁上以各种形式存在的质量缺陷，以解决目前国内外针对钢管壁厚与外径之比大于0.23的钢管没有自动化探伤手段的问题。

本发明提供的小口径钢管超声波扫描时域分段成像检测方法，具体步骤如下。

（1）发射超声波作为检测探针，作用于钢管；其中：

采用的超声波频率在5MHz～15MHz之间，声场采用点聚焦或者线聚焦方式，焦距长度在80～200mm之间；

采用点聚焦方式时，点聚焦声场中心轴线与钢管径向中心轴线垂直相交，将声波入射到钢管内部；

采用线聚焦方式时，线聚焦声场对称中心面通过钢管径向中心轴线，并且焦线与其保持平行，将声波入射到钢管内部；

被检钢管位于声源与焦点（线）之间的中间合适位置，保证入射到钢管内部的声场形成包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等多种模式的超声波；具体来说，通过一次发射，控制入射声场在钢管中形成三种模式超声波的分解形式：（a）入射声场在钢管内部形成垂直入射纵波；（b）入射声场在钢管内部形成折射横波；（c）入射声场在钢管内部形成折射纵波；其中折射横波的声速约为折射纵波的一半；如图1所示；

由于所入射到钢管内部的多种模式的声波只能有效检测入射位置附近的局部范围内的情况，如图2（a）；针对小口径钢管周向整体范围，本发明采用多通道检测，通道数目由能覆盖钢管整体周向检测体积所需决定，如图2（b）为采用32个通道来保证被检钢管周向全覆盖检测。

（2）经过这样的超声检测，得到的钢管各个点位置信息和相应位置点的由包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式声波形成的叠加信号及特征，然后对得到的各个模式声波的数字信号按照时域分段成像方式进行分析。

（3）最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定。

本发明中所述超声检测，还涉及超声检测系统，超声检测系统包括：检测单元，报警器，喷标设备，打印设备，控制器等。检测单元包括环形阵列的超声波发射接收装置；控制器通过软件控制检测单元、报警器、喷标设备和打印设备的动作。超声检测的具体操作流程为：

钢管产品经过进料辊道后，由夹持装置固定，通过夹持装置将钢管设置在有水的环境中，控制钢管进入环形阵列的超声波发射接收装置；启动检测单元，驱动钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置在一定周期下定时地按照前述条件发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，由控制程序自动记录各检测位置的波形，将检测单元得到的钢管各个点位置信息和相应位置点的由包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式声波形成的叠加信号及特征一一对应，并储存；然后对得到的各个模式声波的数字信号按照所述的时域分段成像检测方法进行分析；最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定，并图像化输出成像，对判定不合格的钢管产品，控制器控制报警器报警，并驱动喷标设备对钢管进行标记，以区别合格的产品，最终检测结果由打印设备输出打印报告。

本发明中，钢管经过检测单元时，得到在被检钢管各检测点位置的由包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式声波反射形成的叠加信号，不同模式的信号由于在钢管内部传播行为的差异，针对钢管不同的位置达到检测的目的，各种模式超声波信号实现检测的原理如下。

超声波入射到钢管内部的垂直入射纵波模式部分，由于正常入射分布的声能量可能被内壁缺陷散射，由此对正常反射声能量水平形成干扰，从而为超声信号散射干扰成像来检测靠近声束轴线的内壁缺陷提供了依据，其检测覆盖区域如图4。

超声波入射到钢管内部的折射横波模式部分，由于可能被内壁缺陷、或外壁缺陷反射，由此在接收到的超声波信号中，比垂直纵波的二次回波更靠后的某个时间段内形成回波，从而为根据信号反射回波幅度成像来检测内壁、或外壁缺陷提供了依据，其检测覆盖区域如图5。

超声波入射到钢管内部的折射纵波模式部分由于可能被内壁缺陷反射、或外壁缺陷反射，由此在接收到的超声波信号的某个时间段内形成回波，从而为根据信号反射回波幅度成像来检测声束轴线外围附近的内壁、或外壁缺陷提供了依据，其检测覆盖区域如图6。

本发明提供的小口径钢管超声波扫描时域分段成像检测方法，可以解决目前国内外小口径厚壁钢管无法在线实施探伤检测的问题。

附图说明

图1为通过控制发射入射声场在钢管中形成的三种模式超声波的分解形式。其中，（a）入射声场在钢管内部形成的垂直入射纵波；（b）入射声场在钢管内部形成的折射横波；（c）入射声场在钢管内部形成的折射纵波。

图2中，（a）单通道入射声波只能有效检测钢管周向上入射位置附近的局部范围，（b）通道数由能覆盖检测钢管整体周向检测体积所需的单个通道数目决定，图示为32通道的形式。

图3为在线钢管超声波扫描时域分段成像检测方法实现过程。

图4为超声垂直入射纵波的散射检测区域。

图5为超声折射横波的反射检测区域。

图6为超声折射纵波的反射检测区域。

图7为入射超声纵波和内壁无缺陷钢管的作用（a）和接收到的内壁反射声波波幅（b）。

图8为入射超声纵波和内壁有缺陷钢管的作用（a）和接收到的受缺陷影响的内壁反射声波波幅（b）。

图9为超声折射纵波在传播路径上与外壁伤信号作用，形成反射声波。

图10为超声折射纵波在传播路径上与外壁伤信号作用，形成反射声波。

图11为测得的正常质量钢管的2个位置点信号。

图12为一段质量合格的钢管经过检测后得到的图像化检测结果（4个Gate类似，只画出一个示例）。

图13为超声垂直入射纵波经过内壁沟槽等缺陷散射后得到的信号，在Gate-1监测闸门内的信号强度明显比正常信号减弱。

图14为超声垂直入射纵波经过内壁沟槽等缺陷散射后的信号图像（Gate-1监测闸门）。

图15为超声垂直入射纵波检测到钢管体内缺陷后得到的信号，与正常信号相比，在Gate-2监测闸门内的缺陷反射信号较为明显。

图16为超声垂直入射纵波检测到钢管体内缺陷后的信号图像（Gate-2监测闸门）。

图17为超声垂直入射纵波检测到钢管体内缺陷后得到的信号，与正常信号相比，在Gate-3监测闸门内的缺陷反射信号明显。

图18为超声折射纵波检测到钢管内壁缺陷后的信号图像（Gate-3监测闸门）。

图19为折射纵波由外壁缺陷反射产生反射信号/折射横波由内壁缺陷反射产生反射信号的情况，与正常信号相比，在Gate-4监测闸门内的缺陷反射信号明显。

图20为折射纵波由外壁缺陷反射产生反射信号/折射横波由内壁缺陷反射产生反射信号的信号图像。

图21为钢管垂直入射纵波、折射纵波、折射横波成像检测的检测数据收集和绘图原理。

图22为钢管内壁附近的检测数据图像化后的结果。

具体实施方式

以下对本发明的小口径钢管超声波扫描时域分段成像检测方法，包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式信号成像检测方法作进一步说明。

检测系统包括：检测单元（包括环形阵列的超声波发射接收装置）；报警器，喷标设备，打印设备等，控制器等。控制器通过软件控制检测单元、报警器、喷标设备和打印设备的动作。

（1）时域分段成像超声波检测方法中，对于垂直入射纵波成像检测，除了使用一般被检钢管外，还涉及没有内壁缺陷的标准钢管。即事先把标准钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，检测夹持机构稳定夹持并驱动标准钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置以一定周期定时发射超声波到标准钢管内部，从标准钢管在检测单元中检测得到的标准信号送入控制器内储存，以作为后续同样规格被测钢管的比较依据。然后，将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同标准钢管一样实施先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准信号进行比较，判定待测钢管质量。

所述检测单元得到的、射入到钢管内部的垂直入射纵波信号幅度先经过幅度值的量化，然后根据定义的系列的渐变颜色，并将颜色与幅度量化值对应，将信号转化成图片输出，以识别钢管内壁的缺陷。

对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出打印报告。

垂直入射纵波成像检测过程是：进行检测过程中，钢管产品沿钢管的中心轴线方向穿过钢管超声时域分段成像检测设备的检测单元时，超声波发射装置发射的超声波，经过水的耦合作用后，进入钢管，如图7和图8，其中，图7为超声波进入内壁无缺陷钢管的情况，图8为超声波进入内壁有缺陷钢管的情况。在采用点聚焦方式时候，在点聚焦声场中心轴线与钢管表面相交处附近（在采用线聚焦方式的时候，在线聚焦声场对称中心面与钢管表面相交处附近），超声波能量主要垂直于钢管外壁发生反射和透射：一部分超声波能量以反射纵波的形式被反射回去并被超声波接收装置接收，没有进入钢管内部；另一部分超声波能量以纵波形式垂直穿过钢管外壁进入到钢管内部，并继续向前传播，遇到钢管内壁后被内壁再次反射，该反射纵波返回到钢管外壁处，同样，该纵波能量的一部分以纵波形式被反射回钢管内部，另一部分声波能量再次以纵波形式垂直穿过外壁后被超声换能器接收到，这个被超声换能器接收到的超声波纵波信号，是经过和钢管内壁作用的，带有了钢管内壁的信息，通过对该声波反射信号的分析、归类，可判别出内壁缺陷大小、性质。

（2）时域分段成像超声波检测方法中，对于折射纵波及折射横波成像检测，涉及一种比较钢管，该比较钢管内壁上带有加工的标准伤缺陷，用于对被检钢管缺陷尺寸进行当量对比。检测过程同前述时域分段成像超声波检测方法中垂直入射纵波成像检测过程，但是这里使用了比较钢管，即先把比较钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，检测夹持机构稳定夹持并驱动比较钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置照一定周期定时发射超声波到比较钢管内部，从比较钢管进入检测单元开始检测，到比较钢管穿出检测单元结束检测，将检测单元得到的折射纵波与比较钢管内壁上人工标准伤缺陷作用后得到的标准人工标准伤信号送入控制器内储存；然后再将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同比较钢管先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准人工伤信号进行比较，判定待测钢管质量。

对所述的检测单元得到的伤信号与标准人工标准伤信号进行幅度对比，当量尺寸较大的缺陷信号幅度也相应较大，对超过标准人工伤信号幅度的伤信号幅度值进行量化，然后根据定义的系列渐变颜色，将颜色与量化的幅度值对应，将信号转化成图片输出，识别钢管内部的缺陷。

对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出报告打印。

折射纵波成像检测过程是：进行检测过程中，钢管产品沿钢管的中心轴线方向穿过钢管超声时域分段成像检测设备的检测单元时，超声波发射装置发射的超声波，经过水的耦合作用后，进入钢管。在点聚焦声场中心轴线与钢管表面相交处外围声场附近（在采用线聚焦方式的时候，在线聚焦声场对称中心面与钢管表面相交处外侧声场附近），由于入射超声纵波靠外围声场与钢管外壁法线方向存在一定角度，故发生折射进入钢管，并在钢管内部产生折射纵波和折射横波两种波动，而纵波速度约为横波速度的两倍，其进一步在钢管中的传播行为如下：

（1）折射超声纵波以与钢管内壁法线成一定范围的倾斜角度向钢管内壁传播，并经过内壁反射后再次反射到钢管外壁的一定位置上，而该位置距离声波射入钢管位置已经偏离了一定距离，如果在该折射纵波经过的内壁路径上有缺陷，则会形成反射纵波，该反射纵波沿入射路径返回即可被超声传感器检测到，但在超声传感器采集到的同一个超声回波信号里，折射纵波由内壁缺陷反射产生的反射信号在时间上处于垂直入射纵波经钢管内壁第一次反射时间之后。如果在该折射纵波经过的外壁路径上有缺陷，也会形成反射纵波，如图9，该反射纵波沿入射路径返回就可以被超声传感器检测到，但在超声传感器采集到的同一个超声回波信号里，折射纵波由外壁缺陷反射产生的反射信号在时间上处于垂直入射纵波经钢管内壁第二次反射时间之后。

（2）折射超声横波也以一定范围的倾斜角度向钢管内壁传播，但是由于横波速度是纵波的一半，所以与钢管内壁法线的角度相应较小。折射横波同样经过内壁反射后再次被内壁反射到钢管外壁的一定位置上，而该位置距离声波射入钢管位置也是已经偏离了一定距离的。如果在该折射横波经过的内壁路径上有缺陷，则会形成反射横波，如图10，该反射波沿入射路径返回即可被超声传感器检测到，而在超声传感器采集到的同一个超声回波信号里，折射横波由内壁缺陷反射产生的反射信号在时间上处于垂直入射纵波经钢管内壁第二次反射时间之后。

本发明方法中，涉及到的三种模式的超声信号，其可能出现的时间段是有所差异的，所以检测判断根据四个不同的监测时间段来进行（通过4个Gate闸门实现检测），本发明方法涉及定义的四个时间段如下，第一个时间段是针对监测垂直入射纵波经钢管内壁反射后是否存在缺陷散射效果的时间段，该时间段只要包括钢管内壁底波反射波形时段即可，可以是第一次内壁底波反射，也可以是第二次、三次内壁底波反射，记为监测时间段Gate-1；第二个时间段是垂直入射纵波和钢管表面反射回波到第一次内壁底波反射之间的时间段，该时间段监测信号是入射纵波检测到的钢管体内缺陷信号，可以为夹杂物或者各种形式缺陷，记为监测时间段Gate-2；第三个时间段是垂直入射纵波的第一次内壁底波反射到第二次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-3；第四个时间段是垂直入射纵波的第二次内壁底波反射到第三次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到外壁缺陷反射的信号，还有折射横波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-4。

在检测动态范围内，针对Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段，分别定义了可以相互区分的不同系列的渐变颜色分别对应Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段中检测到的信号幅度的逐渐变化，即将Gate-1时间段接收到的垂直入射纵波信号、Gate-2时间段接收到的管体内部反射纵波信号、Gate-3时间段接收到的内壁反射纵波信号、和Gate-4时间段接收到的外壁反射纵波或者内壁反射横波信号的声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减，此处定义的渐变颜色是可以区分出是具体代表哪个监测时间段的，这样就可以根据颜色快速判断缺陷的属性。

（1）时域分段成像超声波成像检测方法中，垂直入射纵波检测结果的图像化方法：

时域分段成像超声波成像检测方法中垂直入射纵波成像检测，是利用上述经过钢管内壁缺陷作用后的反射纵波和钢管内壁无缺陷作用的反射纵波之间的声压差异来实现成像检测的，原理是基于垂直入射纵波是否经过内壁缺陷散射。

首先，在检测动态范围内，定义渐变的颜色分别对应幅度的逐渐变化，即将接收到的垂直入射纵波声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减。

其次，是检测结果的绘图过程，如图11，由于图像是一个面的数据形成的，而在长度AB的钢管穿过检测单元的检测过程中，设备按照一定周期t定时发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，可以得到了沿钢管径向等间距分布的L个检测数据，为了将检测结果表现为直观的图像，将长度为L的数据点，按照每M个数据点就画为一条线，那么最后就可以得到L/M＝N行的检测图像。

长度为AB的钢管上，如果在cd段之间的钢管内壁存在缺陷，经过检测单元检测后，便得到长度为L的检测数据，由于钢管是匀速通过检测单元的，并且超声检测按照固定周期t进行，所以钢管的长度和数据的长度成正比，缺陷在钢管长度方向上的位置和在数据队列中的位置一一对应。

在图11中，在数据队列A'B'中的c'd'段对应钢管AB上cd段存在缺陷的位置，在检测钢管没有缺陷位置的时候，钢管内壁附近的物理状态比较一致，绘制的图像颜色相差不大，但是如果检测到有缺陷的位置，那么得到的检测数据经过量化处理并经颜色标识后，与无缺陷处的颜色反差较大，便可将缺陷清晰的用图像表示出来。

在钢管上，沿径向同一个连续的缺陷，在检测结果图像化以后，可能有图11中所出现的两种形式，形式一即为该缺陷绘制在同一条线上，形式二即为绘制在相邻的两条线上。

钢管内壁附近的检测数据图像化后的结果如图12。

（2）时域分段成像超声波检测方法中，折射纵波及折射横波检测结果的图像化方法：

时域分段成像超声波成像检测方法中折射纵波及折射横波检测，是利用探测是否存在折射纵波、折射横波经过钢管内壁、外壁缺陷作用后的反射纵波或反射横波来实现成像检测的，原理是基于折射纵波、折射横波是否经过内壁或者外壁缺陷的反射。

对折射纵波及折射横波检测结果的绘图过程，类似前述垂直入射纵波检测结果的图像化过程。与前述对垂直入射纵波检测结果的图像化方式不同的是，对折射纵波及折射横波检测结果的图像化引入了判断缺陷反射信号是否超过临界当量尺寸的判定幅度阈值，电压幅度在阈值以下的折射纵波及折射横波信号，图像化的值均为0，或者说不进行根据幅度来标识量化渐变颜色的图像化处理；而对于电压幅度在阈值以上的折射纵波及折射横波信号，则根据相关信号的电压幅值大小，用定义的渐变颜色一一进行表征。

（3）时域分段成像超声波检测结果的“或”运算后成像

根据前述描述可知，时域分段成像超声波成像检测方法中在针对钢管的同一个检测位置，同时涉及到包括垂直入射纵波、折射纵波、和折射横波的检测和图像化处理显示，为对同一检测位置是否存在缺陷达到高效的检测判断，本专利方法对同一检测点、同一个采集回波超声信号的这三种性质的信号部分采取了先对结果进行“或”运算，然后再进行图像化显示的方式。

对垂直入射纵波、折射纵波、和折射横波的检测结果进行“或”运算，并根据“或”运算的结果再图像化显示的方法如下：

首先，对三种模式的信号进行先期判断，这是通过监测Gate-1～Gate-4时间段内是否存在异常信号来进行的。即对Gate-1内的垂直入射纵波进行图像化处理后做好显示准备，对Gate-3内是否接收到超过约定阈值的由内壁缺陷产生的折射纵波信号进行判断，对Gate-4内是否接收到超过约定阈值的内壁缺陷反射的横波信号、或者外壁缺陷反射的纵波信号进行判断。

然后，根据上述三类判断，分别再进行图像化处理步骤：

1）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，并且在监测范围Gate-4内也存在超过约定阈值的信号，则说明内壁存在引起异常反射信号的缺陷，那么则在该检测位置点，根据最大回波幅度所在位置是Gate-3还是Gate-4中，用相应时间段定义的对信号量化的渐变色，对结果进行图像化处理并显示，即只显示Gate-3和Gate-4中超阈值最多的结果；

2）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内不存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内存在超过约定阈值的信号，则说明外壁存在缺陷引起异常纵波反射信号，那么则在该检测位置点，按照Gate-4中对信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-3中的结果；

3）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内不存在超过约定阈值的信号，则说明外壁不存在异常缺陷引起的纵波反射信号，而内壁存在异常缺陷引起了纵波反射信号，那么则在该检测位置点、按照在Gate-3中对信号量化定义的渐变色对相应超阈值结果进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-4中的结果；

4）如果经过判断，折射纵波的监测范围Gate-3内、Gate-4内均不存在超过约定阈值的信号，则说明内壁、外壁均不存在异常缺陷引起的纵波或者横波反射信号，则在该检测位置点，按照Gate-1中对垂直入射纵波信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-3和Gate-4中的结果。此处图像点可以显示出，在不存在内、外壁缺陷反射信号的时候，是否在声束对称轴线位置上存在引起散射信号的超阈值内壁缺陷。

小口径钢管超声波扫描时域分段检测成像方法的效果说明

本发明方法中涉及到的三种模式的超声信号，是根据监测所接收到的超声信号的四个不同时间段来进行识别判断的，根据其可能出现的时间段的差异断定缺陷的位置和性质。结合对一根16mm外径、3mm壁厚的钢管的实测结果，可以举例说明专利方法的效果，检测方式为对钢管沿着长度方向每隔2mm发射一次检测声波进入钢管，提取一次检测波形，然后针对该波形的4个Gate监测闸门信号进行量化图像化处理（本例中，信号强度最低为红色，强度最高为绿色，强度中间值为蓝色，信号强度的其它值采用这三种颜色之间的渐变过渡色代表）。

首先，测得正常质量钢管的2个位置点信号如下图11，在两个信号中，4个Gate的位置按照上述方式分布，可以看到4个Gate中没有异常信号出现，对比2个信号可以看出，Gate-1监测的部分也没有发生散射。对整个钢管检测了若干个2mm长度后，可以得到覆盖钢管的所有正常信号经过图像化处理后的形式如图12（4个Gate类似，只画出一个示例），可以看到钢管上每个2mm长度上测得的信号幅度变化不大（通过各检测点的颜色比较均匀可以轻易看出）。

1） 超声垂直入射纵波的散射检测区域检测到散射信号的情况

测得钢管内壁存在沟槽等缺陷散射的某个位置点的信号如下图13，在信号中，4个Gate的位置同前述分布，可以看到Gate-2到Gate-4中没有异常信号出现，由于内壁缺陷的散射作用，Gate-1监测的钢管内壁反射信号强度明显减弱，经过对一定长度的钢管检测后，得到针对Gate-1中的信号经过图像化处理结果，存在缺陷的钢管部位图像形式如图14中的红色。

2） 超声垂直入射纵波检测到体内反射信号的情况

测得钢管体内存在缺陷的某个位置点的信号如下图15，在信号中，4个Gate的位置同前述分布，可以看到Gate-2中有异常信号出现，由于缺陷的散射作用，Gate-1监测的钢管内壁反射信号强度也被减弱，经过对一定长度的钢管检测后，得到针对Gate-2中的信号经过图像化处理结果，钢管体内存在内部缺陷的钢管部位图像形式如图16中的绿色。

3） 超声折射纵波检测到内壁路径上缺陷的情况

如果入射纵波经折射后的折射纵波经过的内壁路径上有缺陷，则会形成反射纵波，该反射纵波沿入射路径返回即可被检测到，在检测到的超声回波信号里，折射纵波由内壁缺陷反射后产生的反射信号在时间上处于垂直入射纵波经钢管内壁第一次反射时间之后，由Gate-3监测。图17为测得的折射纵波经某个位置点的内壁缺陷反射后的信号，在信号中，4个Gate的位置同前述分布，可以看到Gate-3中明显有异常信号出现。经过对一定长度的钢管检测后，得到针对Gate-3中的信号经过图像化处理结果，钢管内壁存在内部缺陷的钢管部位图像形式如图18中的绿色。

4） 折射纵波由外壁缺陷反射产生反射信号/折射横波由内壁缺陷反射产生反射信号的情况

如果入射纵波经钢管表面折射后进入管体内部产生的折射横波，经过的内壁路径上有缺陷，则会形成反射波，该反射波沿入射路径返回可被检测到，在检测到的超声回波信号里，折射横波由内壁缺陷反射后产生的反射信号在时间上处于垂直入射纵波经钢管内壁第二次反射时间之后，由Gate-4监测。而如果入射纵波经钢管表面折射后进入管体内部产生的折射纵波，在该折射纵波经过的外壁路径上有缺陷，也会形成反射纵波，该反射纵波在时间上也是处于垂直入射纵波经钢管内壁第二次反射时间之后，也由Gate-4监测。

图19为测得的Gate-4闸门内出现的缺陷反射信号，在整个信号中，4个Gate的位置同前述分布，可以看到Gate-4中明显有异常信号出现。经过对一定长度的钢管检测后，得到针对Gate-4中的信号经过图像化处理结果，钢管内壁或外壁存在缺陷的钢管部位图像形式如图20中的绿色。

通过上述针对各个Gate监测闸门监测不同模式超声信号的检测效果，可以看到时域分段成像成像检测效果，需要注意到是，在检测过程中，我们对4个Gate的成像过程是同时进行的，并且采用多通道来覆盖整个管体，保证钢管没有漏检。

通过以下检索条件：摘要=(钢管% AND (检% OR 测% OR 探伤%) AND 超声%)；(STEEL() (TUBE OR PIPE) AND (ULTRASONIC OR SUPERSONIC) AND (TEST OR DETECT))；检索到国外相关专利22项，国内专利相关10项。通过检索专利分析，未发现与本发明相近或相关的技术。

Claims (5)

1.一种小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，控制发射超声波作为检测探针，作用于钢管，在钢管内部形成多种模式的超声波传播行为；其中，不同模式的超声波分别针对钢管不同区域位置所存在的缺陷进行检测，再分别提取这些不同模式的超声波信号特征，结合其出现的不同监测时段，对信号是否存在异常情况进行判断；然后根据判断结果，对成像元素，即各监测时段的信号电压幅度，进行“或”逻辑处理，根据不同的逻辑情况，采用成像的方法对各种壁厚/外径比的钢管进行质量检测；具体步骤如下：

（1）发射超声波作为检测探针，作用于钢管；其中：

超声波频率在5MHz～15MHz之间，声场采用点聚焦或者线聚焦方式，焦距长度在80～200mm之间；

采用点聚焦方式时，点聚焦声场中心轴线与钢管径向中心轴线垂直相交，将声波入射到钢管内部；

采用线聚焦方式时，线聚焦声场对称中心面通过钢管径向中心轴线，并且焦线与其保持平行，将声波入射到钢管内部；

被检钢管位于声源与焦点或焦线之间的中间合适位置，保证入射到钢管内部的声场形成如下三种模式的超声波：垂直纵波、折射纵波、折射横波；即通过一次发射，控制入射声场在钢管中形成三种模式的超声波分解形式：（a）入射声场在钢管内部形成垂直入射纵波；（b）入射声场在钢管内部形成折射横波；（c）入射声场在钢管内部形成折射纵波；其中折射横波的声速约为折射纵波的一半；

其中，采用多通道检测，通道数目由能覆盖钢管整体周向检测体积所需决定；

（2）经过这样的超声检测，得到钢管各个点位置信息和相应位置点的由垂直纵波、折射纵波、折射横波各种模式声波形成的叠加信号及特征，然后对得到的各个模式声波的数字信号按照时域分段成像方式进行分析；

（3）最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定；

所述不同监测时段包含四个时间段，定义如下：

第一个时间段是针对监测垂直入射纵波经钢管内壁反射后是否存在缺陷散射效果的时间段，该时间段只要包括钢管内壁底波反射波形时段即可，是第一次内壁底波反射，或者是第二次、三次内壁底波反射，记为监测时间段Gate-1；

第二个时间段是垂直入射纵波和钢管表面反射回波到第一次内壁底波反射之间的时间段，该时间段监测信号是入射纵波检测到的钢管体内缺陷信号，为夹杂物或者各种形式缺陷，记为监测时间段Gate-2；

第三个时间段是垂直入射纵波的第一次内壁底波反射到第二次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-3；

第四个时间段是垂直入射纵波的第二次内壁底波反射到第三次内壁底波反射之间的时间段，该时间段出现的主要是折射纵波受到外壁缺陷反射的信号，还有折射横波受到内壁缺陷反射的信号，记为监测时间段Gate-4；

在检测动态范围内，针对Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段，分别定义可以相互区分的不同系列的渐变颜色分别对应Gate-1、Gate-2、Gate-3、Gate-4监测时间段中检测到的信号幅度的逐渐变化，即将Gate-1时间段接收到的垂直入射纵波信号、Gate-2时间段接收到的管体内部反射纵波信号、Gate-3时间段接收到的内壁反射纵波信号和Gate-4时间段接收到的外壁反射纵波或者内壁反射横波信号的声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减，此处定义的渐变颜色是可以区分出是具体代表哪个监测时间段的，这样就根据颜色快速判断缺陷的属性。

2.根据权利要求1所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，还涉及超声检测系统，超声检测系统包括：检测单元，报警器，喷标设备，打印设备，控制器；检测单元包括环形阵列的超声波发射接收装置；控制器用于控制检测单元、报警器、喷标设备和打印设备的动作；超声检测的具体操作流程为：

钢管产品经过进料辊道后，由夹持装置固定，通过夹持装置将钢管设置在有水的环境中，控制钢管进入环形阵列的超声波发射接收装置；启动检测单元，驱动钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置在一定周期下定时地按照前述条件发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，由控制程序自动记录各检测位置的波形，将检测单元得到的钢管各个点位置信息和相应位置点的由包括垂直纵波、折射纵波、折射横波等各种模式声波形成的叠加信号及特征一一对应，并储存；然后对得到的各个模式声波的数字信号按照所述的时域分段成像方式进行分析；最后，根据各模式超声波成像检测结果，按照相应判伤标准对检测结果进行鉴别判定，并图像化输出成像，对判定不合格的钢管产品，控制器控制报警器报警，并驱动喷标设备对钢管进行标记，以区别合格的产品，最终检测结果由打印设备输出打印报告。

3.根据权利要求2所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于：

（1）时域分段成像超声波检测中，对于垂直入射纵波成像检测，除了使用一般被检钢管外，还涉及使用没有内壁缺陷的标准钢管；即事先把标准钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，夹持机构稳定夹持并驱动标准钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置以一定周期定时发射超声波到标准钢管内部，从标准钢管在检测单元中检测得到的标准信号送入控制器内储存，作为后续同样规格被测钢管的比较依据；然后，将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同标准钢管一样实施先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准信号进行比较，判定待测钢管质量；

所述检测单元得到的、射入到钢管内部的垂直入射纵波信号幅度先经过幅度值的量化，然后根据定义的系列的渐变颜色，并将颜色与幅度量化值对应，将信号转化成图片输出，以识别钢管内壁的缺陷；

对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出打印报告；

（2）时域分段成像超声波检测中，对于折射纵波及折射横波成像检测，还涉及一种比较钢管，该比较钢管内壁上带有加工的标准伤缺陷，用于对被检钢管缺陷尺寸进行当量对比；即事先把比较钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，检测夹持机构稳定夹持并驱动比较钢管匀速穿过检测单元，超声波发射装置照一定周期定时发射超声波到比较钢管内部，从比较钢管进入检测单元开始检测，到比较钢管穿出检测单元结束检测，将检测单元得到的折射纵波与比较钢管内壁上人工标准伤缺陷作用后得到的标准人工标准伤信号送入控制器内储存；然后再将待测钢管设置在夹持装置上，启动检测单元，同比较钢管先前的操作，夹持装置带动待测钢管匀速穿过检测单元，将此时得到的检测信号送入控制器内与标准人工伤信号进行比较，判定待测钢管质量；

对所述的检测单元得到的伤信号与标准人工标准伤信号进行幅度对比，当量尺寸较大的缺陷信号幅度也相应较大，对超过标准人工伤信号幅度的伤信号幅度值进行量化，然后根据定义的系列渐变颜色，将颜色与量化的幅度值对应，将信号转化成图片输出，识别钢管内部的缺陷；

对判定结果为质量不合格的待测钢管，控制器控制报警并驱动喷标设备对待测钢管进行标记，最终检测结果由打印设备输出打印报告。

4.根据权利要求1所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于：

（1）时域分段成像超声波成像检测中，垂直入射纵波检测结果的图像化方法为：

首先，在检测动态范围内，定义渐变的颜色分别对应幅度的逐渐变化，即将接收到的垂直入射纵波声压幅度从最小到最大分成若干等差量化幅度，然后定义同样数量的渐变颜色，来对应检测到的声压的逐渐增减；

其次，检测结果的绘图过程，由于图像是一个面的数据形成的，而在长度AB的钢管穿过检测单元的检测过程中，设备按照一定周期t定时发射超声波到钢管内部，从钢管进入检测单元开始检测，到钢管穿出检测单元结束检测，得到沿钢管径向等间距分布的L个检测数据，将长度为L的数据点，按照每M个数据点就画为一条线，那么最后就得到L/M＝N行的检测图像；

长度为AB的钢管上，如果在cd段之间的钢管内壁存在缺陷，经过检测单元检测后，便得到长度为L的检测数据，由于钢管是匀速通过检测单元的，并且超声检测按照固定周期t进行，所以钢管的长度和数据的长度成正比，缺陷在钢管长度方向上的位置和在数据队列中的位置一一对应；

（2）时域分段成像超声波检测中，折射纵波及折射横波检测结果的图像化方法为：

对折射纵波及折射横波检测结果的绘图过程，类似前述垂直入射纵波检测结果的图像化过程；与前述对垂直入射纵波检测结果的图像化方式不同的是，对折射纵波及折射横波检测结果的图像化引入了判断缺陷反射信号是否超过临界当量尺寸的判定幅度阈值，电压幅度在阈值以下的折射纵波及折射横波信号，图像化的值均为0，或者不进行根据幅度来标识量化渐变颜色的图像化处理；而对于电压幅度在阈值以上的折射纵波及折射横波信号，则根据相关信号的电压幅值大小，用定义的渐变颜色一一进行表征。

5.根据权利要求4所述的小口径钢管超声波时域分段成像检测方法，其特征在于，进一步地，关于时域分段成像超声波检测结果的“或”运算后成像：

为对同一检测位置是否存在缺陷达到高效的检测判断，同一检测点、同一个采集回波超声信号的这三种性质的信号部分采取先对结果进行“或”运算，然后再进行图像化显示；具体方法如下：

首先，对三种模式的信号进行先期判断，这是通过监测Gate-1～Gate-4时间段内是否存在异常信号来进行的，即对Gate-1内的垂直入射纵波进行图像化处理后做好显示准备，对Gate-3内是否接收到超过约定阈值的由内壁缺陷产生的折射纵波信号进行判断，对Gate-4内是否接收到超过约定阈值的内壁缺陷反射的横波信号、或者外壁缺陷反射的纵波信号进行判断；

然后，根据上述三类判断，分别再进行图像化处理步骤：

1）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，并且在监测范围Gate-4内也存在超过约定阈值的信号，则说明内壁存在引起异常反射信号的缺陷，那么则在该检测位置点，根据最大回波幅度所在位置是Gate-3还是Gate-4中，用相应时间段定义的对信号量化的渐变色，对结果进行图像化处理并显示，即只显示Gate-3和Gate-4中超阈值最多的结果；

2）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内不存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内存在超过约定阈值的信号，则说明外壁存在缺陷引起异常纵波反射信号，那么则在该检测位置点，按照Gate-4中对信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-3中的结果；

3）如果经过判断，在折射纵波的监测范围Gate-3内存在超过约定阈值的纵波信号，但是在监测范围Gate-4内不存在超过约定阈值的信号，则说明外壁不存在异常缺陷引起的纵波反射信号，而内壁存在异常缺陷引起了纵波反射信号，那么则在该检测位置点、按照在Gate-3中对信号量化定义的渐变色对相应超阈值结果进行图像化处理并显示，即不显示Gate-1和Gate-4中的结果；

4）如果经过判断，折射纵波的监测范围Gate-3内、Gate-4内均不存在超过约定阈值的信号，则说明内壁、外壁均不存在异常缺陷引起的纵波或者横波反射信号，则在该检测位置点，按照Gate-1中对垂直入射纵波信号量化定义的渐变色进行图像化处理并显示，即不显示Gate-3和Gate-4中的结果。

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