超声相控阵技术在油气集输管线焊缝检测中的应用

超声相控阵技术在油气集输管线焊缝检测中的应用

齐友方艳

齐友方艳

中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000

摘要：随着油气田集输管线和容器等行业的快速发展，对油气集输管线产品的质量要求越来越高。原有的超声波探伤方法和设备已难于满足油气集输管线越来越苛刻的质量检验要求。在此形势下，超声相控阵检测设备以其强大、多变的功能和检测能力在油气集输管线检测中显示出独有的特点，能取得良好的实用效果。

关键词：超声相控阵；检测；应用

1、原理及特点

1.1超声相控阵检测原理

超声相控阵技术是通过控制各个独立阵元的延时，可生成不同指向性的超卢波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需或少移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查，且可检测复杂形状的物体，克服了常规A型超声脉冲法的一些局限。

如图1以线性阵列探头为例来介绍相控阵平行线性扫描、扇形扫描以及动态聚焦的原理。图1（a）中，阵列换能器阵元的激励时序是从左到右，由若干个阵元组成一组发射卢束，通过控制的阵元的激励，使声束也沿着线阵的方向从左到右移动，进行平行线性扫描，类似医学上的实时扫描。图1（b）中，将阵列阵元逐个等间隔的加人延时发射，使合成的波阵面具有一个偏角的平面波，这就是相控阵偏转，改变延时间隔的大小，可以用于在一定范围的空间进行扇形扫描。图1（c）中，通过控制阵列阵元发射信号的相位延时，使两端的阵元先发射，中间的阵元延迟发射，并指向一个垂直方向移动的聚焦点，使聚焦点位置的声场最强。

图1超声相控阵扫描原理图

换能器发射的超声波遇到目标以后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间茅对各阵元接收到的信号进行延时补偿，然后合成相加，根据信号处理的结果判断山回波声源的位置。

1.2相控阵检测技术特点

与常规超声波检测设备比较，超声相控阵检测设备具有如下一些特点：

（1）检测速度快。由于探头中的阵列晶片是通过电子的方法进行延时激励，所以它在作线性扫查时比常规探头的机械扫查要快得多。

（2）使用灵活。相控阵探头可以随意控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度。另外，实施纵伤检测、横伤检测和斜伤检测的相控阵探头是同一种探头，在探伤中可根据需要随意设置检测扫查方式，进而实现对钢管中不同取向缺陷的检测。不同的检测模式之间可灵活变换，无需进行任何机械变换和调整。

（3）检测可靠。在常规的钢管超声波探伤时，沿钢管轴向排列的的探头在检测横伤时，从理论上即存在着重复性差和漏检的可能；而斜伤探头检测斜向缺陷时，仅对某一固定取向缺陷敏感。相控阵探头中多晶片的快速顺序激励，其辐射声场相当于单晶片探头的连续机械位移和转向，所以避免了横伤和斜伤的漏检，大大提高了检测的可靠性。

（4）功能强大。超声波束的聚焦增加了检测信噪比；在扇形扫查中，许多方向难以辨别的缺陷均可被检测出；大量A扫数据增加了各角度缺陷的分辨率。

（5）操作简便。超声相控阵检测用电子扫查代替机械扫查，既减少了探头的磨损，又避免了设备机构的调整。

除了上述特点之外，从超声相控阵检测设备的使用中发现，由于设备的机械结构简单，检测时钢管的移动量少，所以探伤系统的检测能力、信噪比、重复性等综合性能指标均优于常规超声波检测设备。

2、超声相控阵技术在油气集输管线的典型应用

2.1检测过程

以某作业区1条埋地管道X65碳钢管2个焊缝为例进行说明，下面通过超声相控阵进行检测。

（1）对该管线第1个焊缝通过超声相控阵进行扫描检测。检测结果详见图1所示。

图1第1个焊缝检测结果

通过检测结果，可以看出，第一个焊缝现场C扫描该处最小值为13.16mm。

（2）对该管线第2个焊缝通过超声相控阵进行扫描检测。检测结果详见图2所示。

图2第2个焊缝检测结果

通过检测结果，可以看出，第2个焊缝用超声相控阵扫描该处最小值为13.19mm。

2.2超声相控阵技术检测与常规手动超声波检测结果比较

该管线焊缝检测，抽查共2条焊缝，X65碳钢管对接X65碳钢管焊缝，通过常规手动超声波对这两个焊缝进行检测，此管线第1个焊缝检测缺陷内凹13.37mm缺陷，第2个焊缝检测缺陷内凹13.60mm缺陷。

采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝，一次扫查即可检测整个焊接接头，而常规手动超声波需要进行多次扫查，才能完成整个接头的检测。通过比对，此两个焊缝通过超声相控阵技术检测的数据与常规手动超声波检测数据基本吻合，说明超声相控阵技术对焊缝的检测数据基本在误差范围之内，说明采用超声相控阵技术对焊缝检测技术是可靠的。

3、结束语

超声相控阵技术的特点及在众多富有挑战性检测中的成功应用，使之成为超声检测的重要方法之一。

相控阵技术的优点主要体现在：探头尺寸小、探头数量少，电子扫描对缺陷实时显示记录且检测速度快，检测灵活性更强，更适用于检测结构复杂的工件，在油气田集输管线的检测具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]周琦，刘方军，李志军，李旭东.超声相控阵成像技术与应用[J].兵器材料科学与工程.2002（03）

[2]燕会明，宋文爱.超声相控阵B扫描成像系统研究[J].计量技术.2008（07）

第一作者简介：齐友，男，1980年5月18日生，高级工程师，目前在塔里木油田油气田产能建设事业部工作。

第二作者简介：方艳，女，1984年4月22日生，中级工程师，目前在塔里木油田油气工程研究院地面所工作。