CN2927051Y - 海洋平台结构超声相控阵检测成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的是一种海洋平台结构超声相控阵检测成像装置。它包括计算机、超声相控阵电路、扫查装置和相控阵探头；计算机通过USB数据总线与相控阵电路系统相连，超声相控阵电路通过同轴电缆与相控阵探头相连，超声相控阵电路通过接插件与扫查装置的控制箱相连，相控阵探头安装在扫查器的探头夹上，计算机内设置有检测成像软件。具有控制超声波发射接收、控制声束偏转聚焦、控制扫查器运动方式、采集缺陷信息和位置信息、重构缺陷图像以及提供检测报告的功能。该超声相控阵检测成像系统具有体积小、重量轻，携带方便，安装容易，参数设置灵活，操作简单等优点。

Description

海洋平台结构超声相控阵检测成像装置

(一)技术领域

本实用新型涉及的是一种超声检测成像装置。具体地说是一种用于海洋平台结构无损探伤的超声相控阵检测成像装置。

(二)背景技术

海洋平台结构所处环境恶劣，随着服役时间的增长，海洋平台结构由于自然的或人为的事故会出现不同程度、不同形式的损伤。这些损伤缺陷的存在将严重威胁海洋工程结构的安全和可靠性。因此，为确保海洋平台结构的完整性和安全可靠性，必须对平台结构进行定期或不定期的检测。但到目前为止，国内外在浑浊水环境下的海洋平台结构缺陷检测成像技术均未取得突破。

目前，对海洋平台结构实施的水下无损检测方法主要有：水下目视检测、水下磁粉检测、水下超声检测、水下射线检测等。在上述方法中，水下目视检测主要采用目力、摄影等手段来检验海洋平台结构表面较明显的创损伤、腐蚀等情况；水下射线检测主要用于干法焊接接头以及船体焊缝的检查，由于检测人员安全防护等问题，使得水下射线检测目前应用的很少；水下磁粉检测主要用于表面应力腐蚀、疲劳裂纹等缺陷的检测；水下超声波检测主要用于水下焊缝内部缺陷的检测。其中水下磁粉检测和水下超声检测是目前使用较多的两种水下检测手段，主要用于检测比较细微、隐蔽的损伤、裂纹、腐蚀缺陷等。但水下磁粉检测主要用于结构表面或近表面的裂纹检测，不能用于内部损伤检测，也很少用于焊缝检测，而且磁粉检测方法现阶段的发展水平还不具备能够开发出用于水下检测成像的系统。目前用于焊接结构无损检测方法主要有焊缝射线检测、焊缝涡流检测、焊缝超声检测。综上所述，只有超声检测方法既适合于水下检测又适于焊缝检测还适合于成像要求，所以超声检测技术是用于混浊水环境海洋平台结构检测成像的首选方法。

传统水下超声检测系统只能给出缺陷信号的A扫描波形，不能直观显示缺陷图像，不利于对缺陷进行定量分析。而超声检测成像技术的迅猛发展为浑浊水环境海洋平台结构检测成像提供了可能。七十年代初随着激光技术和光学全息技术的发展，并结合计算机技术、信息处理等技术，发展出以扫描成像技术为主的各种新成像方法，主要包括SAFT成像、超声CT成像、ALOK成像、超声显微成像和超声相控阵成像等一些新的成像技术方法，并且已将这些成像方法应用于无损探伤领域。

基于浑浊水环境海洋平台结构检测成像技术的实际需要，对上述各种检测成像技术进行了比较，可以发现相控阵技术本身就可以通过电子方法控制声束的偏转和聚焦，能够满足复杂试件检测的需求，大大减少了扫描行走时间，简化了扫描模式，且能实时成像，非常适用于海洋平台结构复杂管节点形式检测的需求。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变，所以使用超声相控阵技术探伤主要是利用它的两大特点：声束偏转和动态聚集。由于实现了超声波声束角度、焦距、焦点尺寸的控制，与常规超声波检测技术相比，超声相控阵检测技术具有如下优点：实现了复杂结构和盲区位置缺陷的检测；可实现高速电子扫描；配置机械夹具，可对试件进行高速、全方位、多角度检测；在分辩力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。从90年代起超声相控阵技术已广泛地应用于核工业、航空航天工业、石油化工及土木工程等工业领域无损检测。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于浑浊水环境海洋平台结构管节点焊缝缺陷检测的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括计算机、超声相控阵电路、扫查装置和相控阵探头；计算机通过USB数据总线与相控阵电路系统相连，超声相控阵电路通过同轴电缆与相控阵探头相连，超声相控阵电路通过接插件与扫查装置的控制箱相连，相控阵探头安装在扫查器的探头夹上。

本实用新型还可以包括这样一些特征：

1、扫查装置由扫查器和电气控制装置组成，扫查装置和超声相控阵探头构成系统扫查部分，操作面板和控制器组成一个部分，安装于扫查器的控制箱内，携带超声相控阵探头的扫查器机械本体部分安装在被检管节点的支管上。

2、超声相控探头为工作频率5MHz，64阵元的线阵，由换能器、壳体、电缆及其附件组成。

3、超声相控阵电路由一块主板、一块主控板和八块超声触发/接收板组成，主板上有10个插槽，主控板和八块超声触发/接收板分别接插在主板上，超声相控阵探头使用同轴电缆通过连接器和主板，分别与八块超声触发/接收板相连。

4、扫查器为沿轨道的运动、垂直于轨道的运动和两个摆动运动的四自由度机器人，由行走小车、伸缩探头架、柔性轨道和摆动头组成。

5、扫查器电控系统组成包括安装于扫查器机械本体上的直流电机及其同轴旋转编码器和电气控制箱两个部分。

清水视觉系统主要由清水注入头及观测器组成，清水视觉系统可在浑浊水环境中，喷出清水以代替浑浊水，从而造出可视的清水环境。

扫查器电控系统实现管节点焊缝超声检测过程超声探头的位置控制，其系统组成主要包括安装于扫查器机械本体上的直流电机及其同轴旋转编码器和电气控制箱两个部分。

检测成像软件是一个客户端/服务器模式的软件系统，包括调试模块、项目管理、控制模块、图象显示、缺陷分析和硬件驱动，调试模块由方案界面、参数界面、波形选择界面和波形界面组成。该软件系统能够调用检测项目察看数据，可以生成新的检测方案和检测项目进行检查，能给出缺陷图像的四种显示方式，并可进行缺陷分析，自动生成缺陷报告。

与其他水下无损检测技术及系统相比较，海洋平台结构超声相控阵检测成像系统具有以下优点：

1)使用扫查器携带超声相控阵探头检测焊缝，可大大提高工作效率，大量地节省了检测时间和费用。

2)采用一个超声相控阵探头发射多种不同角度的声束，实现了声束的偏转和动态聚焦，满足了复杂管节点焊缝超声检测的需求，减少了海洋平台结构管节点焊缝检测“死区”存在的面积。

3)与传统超声检测仪器相比，检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性得到提高，检测的实时性和直观性得到了增强。

4)传统的检测技术对检测人员的素质要求很高，水下检测人员需具备潜水员与检测员双重资格，然而我国这类人才十分缺乏。海洋平台结构超声相控阵检测成像系统对探头的操作不敏感且不需要校准，对检测人员的要求大大降低，只需对非无损检测专业的潜水人员进行适当培训即可。

5)传统的检测技术难以适应我国特殊的海洋环境。我国近海海域特别是渤海黄河入海口附近悬浮泥沙颗粒多，多数情况下海水是处于浑浊状态，能见度非常低，给潜水员的水下操作带来极大的不便。海洋平台结构超声相控阵检测成像系统的研制开发，可以解决浑浊水环境下海洋平台结构缺陷检测成像的技术难题。

该超声相控阵检测成像装置具有体积小、重量轻，携带方便，安装容易，参数设置灵活，操作简单等优点。可适用于浑浊水环境支管壁厚16mm～26mm范围内海洋平台结构管节点焊缝检测，适于产业化生产。

(四)附图说明

图1海洋平台结构超声相控阵检测成像系统结构图；

图2海洋平台结构超声相控阵检测成像系统实施图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细的描述：

结合图1，管节点焊缝超声相控阵检测成像系统包括计算机1，超声相控阵电路系统2，超声相控阵探头3和扫查装置4。计算机1通过USB数据总线与超声相控阵电路系统2相连，超声相控阵电路系统2通过同轴电缆与超声相控阵探头3相连，超声相控阵电路系统2通过接插件与扫查装置4的控制箱5相连，超声相控阵探头3安装在扫查器4上，检测成像软件安装在计算机1上。

检测成像软件建立了管节点检测算法模型，在参数界面，输入状态参数、检测参数、楔块参数、声束参数、探头参数以及扫查设置等信息项，就可调出检测方案，发射声束，控制各阵元的延迟时间、阵元组合、增益、声程和闸门宽度。

超声相控探头3为工作频率5MHz，64阵元的线阵，由换能器、壳体、电缆及其附件组成，防水。耐压，选用水作耦合剂。根据管节点检测算法控制要求可以选择阵元，改变阵元发射延迟时间、接收延迟时间、发射允许和接收允许。

超声相控阵电路系统2由一块主板、一块主控板和八块超声触发/接收板组成。

主板是由10个插槽组成，其中9个插槽用来接插8块触发/发射板和主控制板，右边第一个插槽用来接插超声相控阵探头。

主控板主要完成管节点焊缝检测算法各超声触发/接收板的配制方案；产生各超声触发/接收板的同步信号；实现扫查器控制，包括行走速度，行走方向和行走使能控制，可以实现多种行走速度。

8块超声触发/接收板具有相同的电路功能，每块超声触发/接收板能实现8路信号的触发和回波信号的采集。超声触发/接收板主要完成超声阵元的触发和超声回波信号的调理和采集工作。在该系统中，采用独特的阵元触发方案，使在相同条件下，可将超声强度提高约35％。

在超声相控阵电路系统2中，各阵元回波信号的波形采用硬-软延迟技术，降低系统硬件复杂程度，提高信号处理的灵活性。利用硬-软延迟技术，该系统实现步进1ns的信号接收延迟精度，达到国际先进水平。

扫查装置4由扫查器6、清水视觉器和电气控制系统组成。

扫查器6为四自由度机器人，即沿轨道的运动、垂直于轨道的运动和两个摆动运动。扫查器由行走小车、伸缩探头架、柔性轨道和摆动头组成。除特殊要求外，扫查器的机加件和部分标准件材料均为不锈钢，可防水。工作时，柔性轨道由磁力座吸附和紧限器封闭装夹于被检管节点支管表面上，用扫查器夹住相控阵探头，使探头完全浸没在水里，用楔块调整相控阵探头的方向、仰角、水平位置和纵向距离。

清水视觉系统主要由清水注入头及观测器组成，清水视觉系统可在浑浊水环境中，喷出清水以代替浑浊水，从而造出可视的清水环境。

扫查器电控系统实现管节点焊缝超声检测过程超声探头的位置控制，其系统组成主要包括安装于扫查器机械本体上的直流电机及其同轴旋转编码器和电气控制箱5两个部分。

检测成像软件是一个客户端/服务器模式的软件系统，该软件系统能够调用检测项目察看数据，可以生成新的检测方案和检测项目进行检查，能给出缺陷图像的四种显示方式，并可进行缺陷分析，自动生成缺陷报告。该软件系统包括调试模块、项目管理、控制模块、图象显示、缺陷分析和硬件驱动。调试模块由方案界面、参数界面、波形选择界面和波形界面组成，调试模块的主要是管理检测算法调试过程中的所有方案，以备控制模块调用。项目管理模块的主要功能是调用数据库中的以往的检测项目查看数据或生成新的检测项目以便在控制界面进行方案检测。控制模块的主要功能是调用调试界面生成的检测方案，根据现有检测项目需要，输入检测参数，开始新项目的检测扫查。图像显示模块的主要功能是显示控制界面检测记录的扫查结果，以A、B、C、D四种方式显示。缺陷分析模块的主要功能是对C扫描和D扫描图像中的缺陷大小进行测量，判断其是否合格。

结合图2，计算机1、检测成像软件及超声相控阵电路系统2形成系统控制部分。根据检测需求，检测成像软件进行参数设置，由计算机1给出指令，超声相控阵电路系统2给出控制信号。控制箱5、扫查器6和超声相控阵探头3形成系统扫查部分，操作面板和控制器组成一个部分，安装于扫查器的控制箱5内，携带超声相控阵探头的扫查器6的机械本体部分安装在被检管节点的支管上。

管节点焊缝检测之前，首先将扫查器轨道安装在管节点模型支管7外壁的合适位置上，调整轨道方向使其与支管周向平面平行，并用固定间距的双排磁力座将轨道吸附在支管壁上，使其牢固；接着从轨道一侧安装爬行小车，调整爬行小车姿态使其能正常行走，然后再在轨道两端装上限位装置，确保爬行小车安全行走，不跑出轨道，最后用锁链将轨道锁紧，以确保轨道不会由于扫查器重量作用而发生突然脱落现象，避免损坏扫查器。轨道锁紧后开始安装扫查器的机械本体结构，首先在爬行小车上安装伸缩架，接着将摆动头安装在伸缩架前端，并将探头夹固定在摆动头上，使探头夹夹紧相控阵探头，通过楔块来调整相控阵探头与管节点焊缝的水平距离、纵向间隙以及探头仰角，使其达到管节点焊缝检测算法要求，然后根据检测位置调整摆动头偏转角度，使探头垂直于管节点焊缝，探头位置调整完毕后即可操作检测成像软件开始缺陷探伤。

然后检测人员操作检测成像软件，在项目管理模块建立一个新项目，输入括工程名称、业主、检测公司、节点编号、节点形状、节点夹角等项目信息。然后在控制模块调用调试界面生成的检测方案，根据新建检测项目需要，输入铺设轨道、检测次数、扫查方式、电机方向、扫查长度和帧厚度等检测参数，开始新项目的检测。检测人员操作软件发出扫查指令，计算机1即将检测方案配置给相控阵电路系统2，相控阵电路2系统根据检测方案产生超声波信号，控制声束的偏转和聚焦，同时给扫查器6发出行走指令，并接收超声回波信号，将数据传送给计算机存入数据库。扫查结束后点击图像显示模块，即可调出本次项目检测的结果，缺陷图像以A、B、C、D四种扫描图像显示方式，点击C扫描或D扫描图像中某处，就可调出相应扫查位置的B扫描图像以及在此位置的所有A扫描曲线。然后点击缺陷分析模块，根据检测标准即可对C扫描和D扫描图像中缺陷的大小进行测量，判断其是否合格，然后系统自动生成缺陷报告，并可保存打印。

本发明的管节点焊缝超声相控阵检测成像系统性能指标如表1所示，其中延迟精度1ns，达到了国际先进水平；超声相控阵探头性能达到了国际同类产品水平。

表1超声相控阵检测成像系统性能指标

通道数	64
		工作频率	5MHz
发射电压	50V
		工作电压	220V
总增益	60-80dB
		动态范围	60dB
延时精度	1ns
		脉冲延时范围	0us-65us
接收延时范围	0us-16000us
		A/D采样频率	62.5MHz
信号放大带宽	650kHz-20MHz
		最大脉冲重复频率	2KHz
适宜工作范围	-20℃～50℃
		适用检测壁厚	16mm～26mm

Claims (6)

1、一种海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，它包括计算机、超声相控阵电路、扫查装置和相控阵探头；其特征是：计算机通过USB数据总线与相控阵电路系统相连，超声相控阵电路通过同轴电缆与相控阵探头相连，超声相控阵电路通过接插件与扫查装置的控制箱相连，相控阵探头安装在扫查器的探头夹上。

2、根据权利要求1所述的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，其特征是：扫查装置由扫查器和电气控制装置组成，扫查装置和超声相控阵探头构成系统扫查部分，操作面板和控制器组成一个部分，安装于扫查器的控制箱内，携带超声相控阵探头的扫查器机械本体部分安装在被检管节点的支管上。

3、根据权利要求1所述的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，其特征是：超声相控探头为工作频率5MHz，64阵元的线阵，由换能器、壳体、电缆及其附件组成。

4、根据权利要求1所述的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，其特征是：超声相控阵电路由一块主板、一块主控板和八块超声触发/接收板组成，主板上有10个插槽，主控板和八块超声触发/接收板分别接插在主板上，超声相控阵探头使用同轴电缆通过连接器和主板，分别与八块超声触发/接收板相连。

5、根据权利要求1所述的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，其特征是：扫查器为沿轨道的运动、垂直于轨道的运动和两个摆动运动的四自由度机器人，由行走小车、伸缩探头架、柔性轨道和摆动头组成。

6、根据权利要求1所述的海洋平台结构超声相控阵检测成像装置，其特征是：扫查器电控系统组成包括安装于扫查器机械本体上的直流电机及其同轴旋转编码器和电气控制箱两个部分。