CN204214815U - 一种压力管道超声内检测自动化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压力管道超声内检测自动化装置。目的是提供的装置应能满足较大直径管道的检测要求，并具有检测精度高、检测效率高的特点。技术方案是：一种压力管道超声自动检测装置，包括管道爬行机器人、探头组合装置和编码器、扶正器和支撑架，相控阵模块装置，及超声波检测仪；探头组合装置包括第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件、检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件以及相应的探头夹持装置；所述第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件以及圆锥形相控阵探头组件均由3个以上128阵元相控阵探头组成；各探头组件中的压电晶片发射的超声波先经过环形凹透镜再对周向的管道管壁扫查。

Description

一种压力管道超声内检测自动化装置

技术领域

本实用新型涉及压力管道超声检测领域，尤其是压力管道缺陷的超声相控阵自动内检测装置。

背景技术

管道运输是与铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方式之一。压力管道是在一定温度和压力下，用于运输流体介质的特种设备，广泛用于石油化工、冶金、电力等行业生产及城市燃气和供热系统等公众生活之中。这些介质有些是具有爆炸危险性、毒性或对环境有破坏性，一旦泄漏将会造成职员伤亡、财产损失、环境污染和巨大的经济损失，有时还会影响人民的生活。因此在用的压力管道每隔一定周期应进行定期检验。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。其原因在于压力管道具有如下特点：(1)种类多，数量大，设计、制造、安装、应用管理环节多；(2)长细比大，跨越空间大，边界条件复杂；(3)材料应用种类多，选用复杂；(4)弯头、三通等元件多，产品质量保证较差，事故分析发现，占30∽40％；(5)压力管道分布极广，具有点多、面广、线长等特点；而且输送介质复杂，介质的压力、温度、化学特性多变，受力情况复杂；(6)绝大部份在用管道未经监检，设计、使用情况不明，安全状况难以确定，安装质量与现行标准存在较大差距，如何处理压力管道的超标缺陷、如何科学准确评定压力管道的安全性成为难点。(7)很多管道为埋地敷设，很多管道为管沟敷设，外检测困难。针对上述压力管道特点，完全仿照锅炉压力容器的检测手段，工作量相当庞大，管道使用单位的负担也会很重。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。目前，美国Tuboscope公司、西南研究院、德国Pipetron公司，英国PII公司，日本NKK公司已研制出各种智能检测器，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。超声波法具有检测精度高，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；内置旋转式超声波检测(IRIS)将探头置于管道轴线，探头沿轴线发射出的超声波，倾斜人射到45°声反射镜上，在曲面声反射镜上产生全反射，并由轴向改变为径向，声束由此进入管道内壁。多阵元超声阵列方法采用数量众多探头的阵列结构，分多层错落放置，使换能器具有照射重叠区，基本保证每个测量高度层的全部覆盖。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。多阵元超声阵列方法要实现换能器检测区域一定的覆盖，不能采用水浸聚焦方式，导致检测灵敏度和分辨力远低于聚焦探头。内置旋转式超声波检测(IRIS)虽然检测效率较高，但经过二次45°镜面反射，不仅使用声压反射率有所损失，而且使焦距变长，不利于横向分辨力的提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可实现压力管道 内部超声相控阵自动检测装置，该装置应能满足较大直径管道的检测要求，并具有检测精度高、检测效率高的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是：

设计大阵元数(高达128阵元的3倍以上)相控阵探头组件，并由检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件、检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环形相控阵探头组件以及检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件以及相应的探头夹持装置又组成探头组合装置。

上述第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件以及圆锥形相控阵探头组件均为多个128阵元(即128个压电晶片)相控阵探头组成的大阵元数相控阵探头组件；大阵元数相控阵探头组件中，各相控阵探头之间的探测范围有一部分重叠，重叠数量由参与聚焦法则的通道数量决定，每个128阵元相控阵探头中的全部压电晶片)单独由每个相控阵模块控制(即每个相控阵模块控制128压电晶片)，每个相控阵模块除同步电路由同步控制模块统一控制外，其他发射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、数字处理、显示控制等所有实现相控阵检测的功能均能单独完成，由超声波检测仪的信号集成模块集成所有相控阵模块的成像信息，并在大显示器上显示整个管道圆周方向的成像图。所有的相控阵模块组成相控阵模块装置。

一种压力管道超声内检测自动化装置，包括超声波检测仪，还包括一个检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件、一个检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环相控阵探头组件、一个检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件、相应的探头夹持装置、管道爬行机器人、机器人控制模块、电缆线、编码器、扶正器、支撑架、金属挠管以及相控阵模块装置；其核心技术是第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件以及圆 锥形相控阵探头组件；第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件和圆锥形相控阵探头组件均包括环形相控阵探头、环形凹透镜、探头外壳、同轴电缆、各阵元屏蔽线和阻尼块。

一个检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件，其中的多个压电晶片长度方向与管道轴线平行，周向聚焦采用电子聚焦技术，设计相应的聚焦法则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，以垂直的角度入射至工件(即待检测管道)，使之在特定位置聚焦；同时，在这个过程中反射波接收，按照一定的规则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。圆环形相控阵探头组件轴向聚焦采用声透镜方式，采用大于水中声速的有机玻璃声透镜材料(即声波在有机玻璃材料中的速度大于水中的声波速度)制成的声透镜(即环形凹透镜，或环形声透镜，以下同)，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。

一个检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件，与圆环形相控阵探头组件不同的是，各个阵列晶片(即压电晶片)的长度方向不平行于管道轴线，而是其长度延长线与管道轴线相交且形成一定角度：因此该相控阵探头组件形状是一个轴线与管道轴线重合的圆锥形，声束以倾斜的角度入射至工件表面。设计入射角度大于水/钢界面的第Ⅰ临界角(即钢中纵波折射角为90°时所对应的水中纵波入射角，其值为14.5°)，使之在工件中产生全折射横波，采用大于水中声速的有机玻璃声透镜材料制成的声透镜，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。周向聚焦采用电子聚焦技术，使之在特定位置聚焦。精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。

一个检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环相控阵探头组件，与第一圆环形相控阵探头组件不同的是，各个阵列晶片的长度方向延长线与管道横截面平行且阵列晶片发射面的法线与被检管道横截面的直径形成一定的角度；因此，周向电子聚焦形成的超声波声束不是垂直入射于工件，而是与管道横截面平行且与入射点法线成一定的角度入射至工件，并在工件中产生全折射横波，利用该横波进行检测；轴向聚焦方式完全与检测腐蚀点采用的声透镜方式相同，只是环形凹透镜的曲率不同，以实现与周向电子聚焦形成的超声波声束焦点的匹配。

所述第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件、圆锥形相控阵探头组件以及相应的探头夹持装置组成探头组合装置安装在探头座上，相控阵模块装置安装在探头座内，管道爬行机器人、支撑架、探头座相互连接采用金属挠管，使之能方便通过弯管和三通等。检测时管道应清除杂物，并充满水，由管道爬行机器人带动装有探头组合装置、支撑架和相控阵模块装置的探头座，并带有编码器，记录行走位置，扶正器(扶正器用于保持探头座运动时的对中)，管道爬行机器人供电电线、相控阵模块供电电线和信号传输电缆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。检测时由机器人控制模块启动管道爬行机器人，管道爬行机器人带动扶正器以及装有探头组合装置、支撑架、编码器和相控阵模块装置的探头座向前移动进行检测。检测时，探头组合装置浸在水中，超声波通过水耦合进入工件中，再以反射波通过水回到探头中，探头组合装置和编码器用于采集信号并将信号传输至相控阵模块装置，经相控阵模块装置对信号进行预处理后由信号传输电缆输送至位于管道外部的超声波检测仪。通过成像软件形成实时C扫描、B扫描图像。C扫描周向采用电子扫描，轴向采用 机械扫查，将信号门阀套在压力管道内壁反射波和外壁反射波之间，检测并记录压力管道内部缺陷的位置信息和超声信息；另外，C扫描图像显示不仅针对缺陷检测，也能以色彩方式显示压力管道壁厚值；具体方式是通过超声相控阵检测自动检测装置实现厚度的自动测量，设定系列的厚度范围，并对系列的厚度范围以不同的色彩标识，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看到整根压力管道的壁厚情况。B扫描图通过环向电子线扫描实现，腐蚀检测时可以检测某一轴向位置压力管道周向的壁厚变化以及压力管道椭圆度的变化，缺陷检测时可以检测到某一轴向位置压力管道整个圆周的缺陷成像。通过C扫描、B扫描图像分析可以检测到整个压力管道(包括焊缝)的腐蚀、内部各个方向的缺陷、内外表面各个方向的缺陷，从而判断整个压力管道系统的安全状况。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、配置大阵元数(高达128阵元的数倍以上)的相控阵探头组件，以满足直径较大的管道对检测频率、波长、焦距、阵元间距等参数的要求，从而实现超声相控阵技术在直径较大的管道超声相控阵内检测中的应用

2、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组件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。

3、圆环形相控阵探头组件周向聚焦采用电子聚焦技术，轴向聚焦采用声透镜方式，通过精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置，其效果相当于超声点聚焦，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；

4、结合压力管道腐蚀和缺陷检测的需求，研制专门的扫查装置，周向采用电子线扫查技术，轴向采用机械扫查技术，达到管壁100％覆盖，不容易漏检；

5、形成实时C扫描、B扫描图像。可以检测某一轴向位置压力管道(包括焊缝)整个圆周的腐蚀、内部各个方向的缺陷、内外表面各个方向的缺陷，从而判断整个压力管道系统的安全状况。

6、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，并能实现扫描一次成像，检测速度快。

7、采用一个检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件、一个检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环形相控阵探头组件、一个检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件等多组相控阵探头组件，通过编码器位置核准检测到的缺陷是否为同个缺陷，并对缺陷进行多方位的分析。

附图说明

图1为本实用新型中的压力管道超声相控阵检测自动检测装置示意图。

图2-1为本实用新型的第一圆环形相控阵探头组件正视结构示意图。

图2-2为图2中圆环形相控阵探头组件的左视结构示意图。

图3为本实用新型的第一圆环形相控阵探头组件周向聚焦原理图。

图3-1为图3的局部放大结构示意图。

图4为第一圆环形相控阵探头组件聚焦法则计算原理图。

图5为第一圆环形相控阵探头组件聚焦法则简易计算原理图。

图6为第一圆环形相控阵探头轴向声透镜聚焦原理图(水中聚焦与水/钢中聚焦对比图)。

图7为第一圆环形相控阵探头超声检测工作原理图。

图8-1为检测周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件的正视结构示意图。

图8-2为图8-1中圆锥形相控阵探头组件的左视结构示意图。

图8-3为图8-1中圆锥形相控阵探头组件的立体结构示意图。

图9为圆锥形相控阵探头声透镜聚焦原理图。

图10为圆锥形相控阵探头周向聚焦情况。

图11为圆锥形相控阵探头超声检测工作原理图。

图12为检测轴向缺陷的第二圆环形相控阵探头组件周向聚焦原理图。

图13为阵元数为452的圆柱形相控阵探头组件示意图。

图14为阵元数为452的圆柱形相控阵探头组件工作原理图。

图15是本实用新型所述声透镜的立体放大结构示意图。

具体实施方式

本实用新型设计一种压力管道超声内检测自动化装置，包括超声波检测仪1、一个检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件2、一个检测内外表面和内部轴向缺陷的圆锥形相控阵探头组件3、一个检测内外表面和内部周向缺陷的第二圆环相控阵探头组件4、管道爬行机器人6、电缆线7、编码器8、扶正器9、支撑架10、机器人控制模块11、金属挠管12以及探头座13，相控阵模块装置安装在探头座13内，探头组合装置、支撑架以及编码器均安装在探头座13上，扶正器用于保持对中；其中的探头组合装置包括第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件以及圆锥形相控阵探头组件以及相应的探头夹持装置5，在压力管道14内部发射和接收超声波进行检测。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(用水作为耦合剂)，检测时机在压力管道14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。

下面以注满水的压力管道为例说明实用新型的具体实施方式：启动机器人控制模块11(位于管道外部)，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12带动扶正器9以及装有探 头组合装置和相控阵模块装置的探头座13向前移动，编码器8安装在支撑架10上，扶正器9和支撑架10保证探头座通过弯管时定位在弯管中心附近，并保护探头座通过弯管时不与管壁产生碰撞。爬行机器人、扶正器9以及探头座13用金属挠管12进行连接，使之能够顺利通过弯管。管道爬行机器人供电电线、相控阵模块供电电线和信号传输电缆装在外带保护层的整根组合电缆线7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。同时启动超声检测仪1。检测时，3个相控阵探头组件浸在水中，超声波通过水耦合进入管道工件14中，反射波再通过水回到探头中，3个相控阵探头组件和编码器8用于采集信号并将信号传输至相控阵模块装置，经相控阵模块装置对信号进行预处理后由信号传输电缆输送至超声波检测仪1。由于水浸法中声束指向性差，能量损失大，本实用新型采用周向和轴向都聚焦的方法来改善信噪比。

第一、一个检测腐蚀点的第一圆环形相控阵探头组件2(如图2-1、图2-2所示)，包括相控阵阵列晶片(也称为阵元，采用压电晶片)15、环形凹透镜16(如图15所示)、探头座17、同轴电缆18、各阵元信号线19和阻尼块20；圆环形相控阵探头组件2周向聚焦采用电子聚焦技术，其原理如图3所示，设计相应的聚焦法则控制相控阵列探头多个独立的压电晶片15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，同时，在这个过程中反射波接收，按照一定的规则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。

聚焦法则计算原理图如图4所示，压力管道内的水/钢二层介质近场球面波束形成模型，在平面坐标系XOY中，直线r₁、r₂、…、r_m为超声波在钢中的传播路径，直线l₁、l₂、…、l_m为超声波在水耦合剂中的传播路径。设A(x,y)为聚焦点(回波声源)坐标位置，C(x_m,y_m)为第m号阵元的坐标值，B(x'_m,y'_m)为入 射到第m号阵元的声波折射点坐标。O(x₀,y₀)为参考点，D(x'₀,y'₀)为聚焦点到水钢界面的最短距离对应的点，α、β是第m号阵元接收的由钢界面入射到水耦合剂时的入射角与反射角，c₁是超声波纵波在钢中的传播速度，c₂是超声波在水耦合剂中的传播速度，r₀是钢中超声传播的最短距离，l₀是耦合剂中超声传播的最短距离，由此求得第m号阵元的延时时间τ_m。

由于本实用新型采取声束不偏转聚焦，故位于参考点两边的相控阵列阵元信号的延时量相等，即：τ₁＝τ_-1，τ₂＝τ_-2，…，τ_m＝τ_-m。因此，仅需要计算右边阵元的信号延时量。

以O为参考点，则第m阵元的信号延时量为：

${\mathrm{\τ}}_m=\frac{\sqrt{{(x_m-x_m^{\′})}^2+{(y_m-y_m^{\′})}^2}}{c_2}+\frac{\sqrt{{(x-x_m^{\′})}^2+{(y-y_m^{\′})}^2}}{c_1}-\frac{\sqrt{{(x_0-x_0^{\′})}^2+{\left(y_0\text{-}{y}_m^{\′}\right)}^2}}{c_2}-\frac{\sqrt{{(x-x_0^{\′})}^2+{(y-y_0^{\′})}^2}}{c_1}---\left(1\right)$

超声波经界面折射，由折射率公式可得：

sinα/sinβ＝c1/c2          (2) 

超声波在钢中传播的距离AB为：

$r_m=\sqrt{{(x-x_m^{\′})}^2+{(y-y_m^{\′})}^2}---\left(3\right)$

超声波在水中传播的距离BC为：

$l_m=\sqrt{{(x_m-x_m^{\′})}^2+{(y_m-y_m^{\′})}^2}---\left(4\right)$

由于AD、OD、c1、c2已知，当m值确定时，利用计算机建模求解可解得A、B、C、D坐标值，代入式(1)可得第m阵元延时值τ_m。

记第m阵元接收信号为y_m(t)，则超声相控阵列波束形成输出为：

$Z_{\left(t\right)}=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m(t-{\mathrm{\τ}}_m)---\left(5\right)$

作为上述数学方程的近似，本实用新型基于超声相控阵原理，设计了简单可行的聚焦法则，如图5所示，当用聚焦探头探测钢工件时，在水中和钢中各有一次聚焦作用，设探头至水/钢界面(即水与钢的交界面)的距离为H，如果聚焦 探头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：

$F=H+\frac{c_1}{c_2}{H}^{,}$           (6) 

在图5所示的平面坐标系XOY中，相控阵探头通过延时发射，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。

${\mathrm{\τ}}_m=\frac{\mathrm{AC}-F}{c_2}=\frac{\sqrt{R^2+{(R+F)}^2-2\cos {\mathrm{\θ}}_m(R+F)R}-F}{c_2}---\left(7\right)$

式中：R为环形凹透镜的曲率半径，

F环形凹透镜在水中的焦距，

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：

${\mathrm{\τ}}_{m-1}=\frac{\mathrm{AC}-F}{c_2}=\frac{\sqrt{R^2+{(R+F)}^2-2\cos {\mathrm{\θ}}_{m-1}(R+F)R}-F}{c_2}---\left(8\right)$

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。

第一圆环形相控阵探头组件的轴向聚焦采用声透镜方式，采用比水声速大(即大于水中声速)的声透镜材料制成的声透镜16，通过曲率设计使之在特定位置聚焦。在相控阵列晶片15前方加设前述声透镜(即所有的相控阵列晶片排 列成圆环形，环形的声透镜又布置在所有相控阵列晶片的前方；相控阵列晶片发射的超声波先经过声透镜再发射至外部进行检测)；如图6所示，整个透镜是环形凹透镜，凹面曲率半径为R，透镜纵波声速为c₃，则水中焦距F为：

$F=\frac{R}{1-\frac{c_3}{c_2}}---\left(9\right)$

当第一圆环形相控阵探头组件探测钢管道工件时，晶片16发出的超声波通过声透镜16在水中产生聚焦的入射超声波21，入射超声波经水/钢界面进一步聚集，形成钢中的聚焦声束22，如图6所示。设在没有钢时探头在水中的焦距为F，设探头至水/钢界面的距离为H，则在钢中的二次聚焦后的焦距F’为：

$F^{,}=H+\frac{c_2}{c_1}(F-H)---\left(10\right)$

针对上述二种聚焦方式，精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置，从而达到点聚焦的目的。

以上聚焦法则以及轴向聚焦的实施，可通过相控阵模块中的软件进行计算，而后由相控阵模块中的电路实现。

采用聚焦法探伤，由于焦柱区的声能集中，直径小，因而探测灵敏度高，信噪比大，横向分辨率高，有利于对缺陷的检出和对缺陷定量。

检测腐蚀点的第一圆环形相控阵探头组件的具体工作原理如图7所示：

探头(即压电晶片)激发超声脉冲从水中传播到达管壁,压力管道内外壁的脉冲回波经过水被探头接受,由此便可以对压力管道进行检测。实际上是采用超声测厚原理，超声波(始波)T1通过水介质沿径向入射到压力管道内壁，而井壁为钢，此时出现异质界面，会产生一个强的反射波即R1，该反射波为探头接收，形成水/钢界面回波B1；其余透射能量形成透射波T2继续前行，到达压力 管道外壁，同样会产生一个反射波即R2，此反射波又一次经钢/水界面透射至水中，为探头接收，形成外壁界面回波B2；由于钢中声速固定，压力管道的壁厚减少，B1和B2回波之间的距离也随之减少，从而达到检测的目的。如采用常规超声探头，由于管道的圆形结构，反射能量可能并不集中，呈发散状。这将引起回波的减弱，严重时达不到换能器的灵敏度要求，而采用本实用新型的周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦，通过精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜的曲率，使钢中实际聚点靠近压力管道外壁，从而增强压力管道外壁回波，可有效克服上述难题。

第二、一个检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件3(如图8所示，简称探头组件3)，与检测腐蚀点的圆环形相控阵探头组件类似，包括环形相控阵阵列晶片15、环形凹透镜16、探头外壳17、同轴电缆18、各阵元信号线19和阻尼块20；与圆环形相控阵探头组件不同的是，各个阵列晶片的长度方向与管道轴线相交并形成一定的角度，因此相控阵探头组件的形状是一个与管道轴线成一定角度的圆锥形。圆锥形相控阵探头组件3周向聚焦采用电子聚焦技术，其原理与圆环形相控阵探头组件相同，只是焦距设置不同。在轴向平面采用声透镜方式聚焦，如图9所示，晶片16发出的超声波通过声透镜16在水中产生聚焦的入射超声波21，声束以倾斜的角度入射至管道工件，设置合适的入射角，使倾斜入射的超声波21在工件中产生全折射横波(作为检测波)，同时产生反射波23，折射横波进一步会聚，形成钢中的折射横波聚焦声束22，钢中的聚焦声束经管道外壁反射，形成底面反射波24。图10为轴向的正视图中的超声波声束的聚焦情况，探头组件3发出的超声波通过聚焦法则产生入射超声波21，入射超声波21中心线在轴向的正视图中与钢管道表面垂直，并工件中产生全折射横波22，钢中的聚焦声束经管道外壁反射形成底面反射波24。

欲使在工件中产生45°超声横波，则超声波在水中的入射角α₁为

c₄为钢中横波声速。

欲使此45°超声横波经底面(管道外壁)反射，反射的横波声束聚焦在管道内壁，则声透镜的水中焦距F近似为：

$F=H/\cos 18.9+2\sqrt{2}\frac{c_4}{c_2}T---\left(12\right)$

T为管道的壁厚。

周向聚焦采用电子聚焦技术，使之在特定位置聚焦。可采用如图5所示的近似的聚焦法则，只要将公式(7)和(8)中的水中焦距F以公式(12)计算的数据代入。精心设计电子聚焦法则和环形凹透镜的曲率，使周向电子聚焦和轴向声透镜聚焦在同一位置。

内外表面和内部周向缺陷的超声检测具体工作原理如图11所示：探头组件3发出的超声波通过声透镜16在水中产生聚焦的入射超声波21，声束以倾斜的角度入射至管道工件，设置合适的入射角，使倾斜入射的超声波21在工件中产生全折射横波作为检测使用，同时产生反射波23(如果探头与管道内壁距离和晶片长度设置合适的话，此反射波不会到达探头)；折射横波进一步会聚，形成钢中的折射横波聚焦声束22，钢中的聚焦声束22入射至管道内部缺陷F1，则形成缺陷反射波BF1，钢中的聚焦声束22入射至管道外表面裂纹F2，经端角反射形成外表面裂纹反射波BF2，经管道外壁反射形成底面反射波24，底面反射波24入射至管道内表面裂纹F2，经端角反射形成内表面裂纹反射波BF3，从而 达到检测内外表面和内部周向缺陷的目的。

第三、一个检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环形相控阵探头组件4(简称探头组件4)，与一个检测腐蚀点的圆环形相控阵探头组件不同的是，由于各个阵列晶片的长度方向延长线与管道横截面平行且阵列晶片发射面的法线与被检管道横截面的直径形成一定的角度，因此周向电子聚焦形成的超声波声束不是垂直入射，而是以与管道横截面平行且与入射点法线成一定的角度入射至工件，并在工件中产生全折射横波；其工作原理如图12所示，探头组件4采用偏转聚焦法则产生在圆周面上斜向聚焦的入射超声波21，声束以倾斜的角度入射至管道工件，设置合适的入射角，使倾斜入射的超声波21在工件中产生全折射横波，折射横波进一步会聚，形成钢中的折射横波聚焦声束22，钢中的聚焦声束经管道外壁反射，形成底面反射波24。如果内外表面和内部存在轴向缺陷，则可以形成反射波被探头组件4接收。轴向聚焦方式完全与第一圆环形相控阵探头组件采用的声透镜方式相同，产生的超声波在轴向上没有偏转，只是环形凹透镜的曲率不同，以实现与周向电子聚焦形成的超声波声束焦点的匹配。

相控阵模块装置对周向电子线扫查、轴向机械扫查(即由管道爬行机器人带动后实现的扫查)的位置信息和相控阵探头接收的超声波信号进行预处理，再由信号传输电缆输送至超声波检测仪1，经超声波检测仪最终处理后，在其显示器上形成实时B、C、D等扫描图像，并把数据储存在内部或外部的存储器里。周向扫查采用电子线扫描，每旋转一周触发一次采集,并创建一个被检压力管道截面的B扫描，成像中显示了内外管壁的形状和壁厚，可以检测某一轴向位置压力管道周向的壁厚变化以及压力管道椭圆度的变化。当探头沿着轴向移动时，连续的B扫描图像形成管壁的彩色C扫描成像。C扫描周向采用电子扫描，轴向采用机械扫查。如要检测内部缺陷，将信号门阀套在压力管道内部，检测并 记录压力管道内部缺陷的位置信息和超声信息；如只需检测壁厚，则将门阀套住形B1水/钢界面回波和B2压力管道外壁回波；并以B1水/钢界面回波和B2压力管道外壁回波的时间差(或距离)作为分析信号，并赋以一系列的颜色编码，以色彩方式显示压力管道壁厚值，可以实时通过在C扫描图上颜色的变化，看到整根压力管道的壁厚情况。D扫描图针对某一周向位置，通过机械扫描来实现，可以检测压力管道纵向厚度的变化。通过C扫描、B扫描、D扫描图像分析便可以检测到一些壁厚减薄类的缺陷，包括表面的腐蚀、介质冲刷造成的冲蚀、表面损伤等。

现有的相控阵仪器的阵元数最大数量是128个，如由128个阵元数制成相控阵探头组件，由于检测频率、波长、焦距、阵元间距等相控阵参数的制约，难以检测较大直径的管道。因此本实用新型提供了能够对大口径管道进行内检测的超声相控阵探头组件，并以4个128阵元探头组成1个452阵元的大直径的圆环形相控阵探头组件为例说明本实用新型中的大阵元数超声相控阵探头组件的具体实施方式：

设计阵元数为452的圆柱形相控阵探头组件(如图13所示)，该圆柱形相控阵探头组件由4个128阵元的相控阵探头组成，本实用新型参与聚焦法则的通道数量为16个，因此两个相邻相控阵探头之间有15个阵元数重叠，如图12所示，相控阵探头由第1至第128编号组成的128个阵元组成，其中第114至第128阵元同时又为相控阵探头由2的第1至第15的阵元编号，圆盘相控阵探头组件周向聚焦采用电子聚焦技术，设计相应的聚焦法则控制相控阵列探头16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；同时，在这个过程中反射波接收，按照一定的规则和时序控制信号接收单元接收和合成，最后达到合成声束的结果。由于圆环形相控 阵探头组件中相邻相控阵探头之间有15个阵元数重叠，因此需要由同步控制模块控制4个128阵元数的相控阵探头发射，具体工作原理如图14所示，由同步控制模块控制4个相控阵模块，每个相控阵模块控制1个128阵元相控阵探头，每个相控阵模块除缺少同步电路和显示功能外，其余具有相控阵仪器的所有功能，包括发射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、数字处理、显示控制等所有实现相控阵检测的功能，工作时由同步控制模块发出一个同步信号同时启动4个相控阵模块开始电子线扫描，扫描首先由每个探头第1至第16晶片组成的阵元孔径按一定的聚焦法则形成超声波聚焦声束，完成后又由各自的相控阵仪器控制其第2至第17晶片组成的阵元孔径按相同的聚焦法则形成超声波聚焦声束，直至最后一组第113至第128晶片组成的阵元孔径按相同的聚焦法则形成超声波聚焦声束，第114个晶片相当于相邻相控阵探头的第1个晶片，4个相控阵探头的电子线扫描形成的超声波聚焦声束形成一个完整的圆周。4个相控阵探头最后一组阵元孔径完成扫描后，再由同步控制模块发出下一个同步信号启动4个相控阵模块，由超声波检测仪的信号集成模块集成4个相控阵模块的成像信息，并在大显示器上显示整个管道圆周方向的成像图。

本实用新型所述相控阵模块、管道爬行机器人、相控阵模块装置、相控阵探头等均可直接外购获得。

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

Claims (3)

1.一种压力管道超声内检测自动化装置，包括：

可在压力管道内运动前进的管道爬行机器人(6)、由管道爬行机器人带动的配有相控阵模块的探头组合装置和编码器(8)、用于保持探头组合装置正确位置的扶正器(9)和支撑架，对探头组合装置测得信号进行预处理的相控阵模块装置，以及在压力管道外部对相控阵模块装置预处理后输出的信号进行最终处理和显示的超声波检测仪(1)；

其特征在于：

所述探头组合装置包括检测腐蚀点和内部体积型缺陷的第一圆环形相控阵探头组件(2)、检测内外表面和内部轴向缺陷的第二圆环形相控阵探头组件(4)、检测内外表面和内部周向缺陷的圆锥形相控阵探头组件(3)以及相应的探头夹持装置(5)；所述第一圆环形相控阵探头组件、第二圆环形相控阵探头组件以及圆锥形相控阵探头组件均由3个以上128阵元相控阵探头组成；各探头组件中的压电晶片发射的超声波先经过环形凹透镜再对周向的管道管壁扫查；

所述第一圆环形相控阵探头组件中的各个压电晶片的长度方向与管道轴线平行，以使压电晶片发射的超声波垂直于管道管壁的法线；又在该探头组件中采用环形凹透镜，使得发射的超声波在轴线方向上与前述圆周方向聚焦于同一位置；

所述第二圆环形相控阵探头组件中的各个压电晶片的长度方向延长线与管道横截面平行且压电晶片发射面的法线与被检管道横截面的直径形成一定的角度，以使压电晶片发射的超声波倾斜进入管道管壁；又在该探头组件中采用环形凹透镜，使得发射的超声波在轴线方向上与前述圆周方向聚焦于同一位置；

所述圆锥形相控阵探头组件中的各个压电晶片的长度方向与管道轴线相交且形成一定角度，以使压电晶片发射的超声波倾斜进入管道管壁；又在该探头组件中采用环形凹透镜，使得发射的超声波在轴线方向上与前述圆周方向聚焦于同一位置。

2.根据权利要求1所述的一种压力管道超声内检测自动化装置，其特征在于：所述编码器、探头组合装置、支撑架均安装在探头座(13)上，相控阵模块装置安装在探头座内，扶正器和支撑架保证探头座通过弯管时定位在弯管中心附近，以保护探头组合装置通过弯管时不与管壁产生碰撞；爬行机器人、扶正器与探头座用金属挠管12进行连接，使之能够顺利通过弯管。

3.根据权利要求2所述的一种压力管道超声内检测自动化装置，其特征在于：所述第一圆环形相控阵探头组件或第二圆环形相控阵探头组件或圆锥形相控阵探头组件中的各个128阵元相控阵探头均配有单独控制的相控阵模块。