超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用研究

超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用研究

农天军

广西骏安检测有限公司， 广西南宁 530001

摘要：随着科学技术的发展，我国的超声波相控阵技术有了很大进展，并在特种设备无损检测中得到了广泛的应用。压力管道焊接施工结束后，为保障管道的焊接质量，需按照有关规范及设计文件要求对焊接接头进行检测。GB/T20801.5—2020《压力管道规范工业管道第5部分：检验与试验》规定中，一般对于管道壁厚小于或等于30mm的均采取射线检测。本文首先分析了超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用，其次探讨了检测代替方案，以供参考。

关键词：超声波相控阵；探头；声束

引言

近年来，相控阵超声检测技术是发展较为迅速的一项无损检测新技术，随着能源行业关于焊缝相控阵超声检测标准的颁布实施，应用范围也越来越广泛，在高铁构架、钢轨、风机塔筒、压力容器腐蚀损伤、输变电设备、石油及天然气输送管道等检测中均有应用。

1超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用

1.1图像增强算法

超声波是穿透性强的高频声波，能够穿透常见的水泥、混凝土材料，遇到材质差别的界面时，将发生透射、反射等。当混凝土内部存在多种材料界面时，超声波传播会发生多次反射，直至能量全部消耗。为增加超声波在混凝土内部的传播距离，超声波相控阵技术进行多批次超声波发射与接收，通过合成孔径聚焦技术将较微弱的反射信号进行叠加增强，提高有效检测深度。当采用该设备时，通过合成孔径聚焦的图像中有效信息多为孤立点，难为混凝土内部缺陷诊断提供直观有用的信息。为增强图像中的有效信息，本文引入图像形态学方法进行超声波成像处理，基本操作包括膨胀、腐蚀。膨胀操作是在结构元素确定的邻域块中选取图像值与结构元素值之和的最大值，可增加高亮度像素点周围的亮度。在超声波检测图像中，高亮度像素点通常对应钢筋、孔洞等，高亮度像素点分布密度较小时，膨胀操作可将成团但不连续的高亮度点连接成片。腐蚀是膨胀的逆操作，可避免膨胀扩大过程对周围区域产生影响。腐蚀操作是在结构元素确定的范围中，选取图像值与结构元素值差值的最小值。腐蚀操作后数值较大的像素点会被周围数值较小的图元取代，操作结果与结构图元大小和数值有关。膨胀图元尺寸越大，强反射区域面积越大。因此，需采取膨胀＋腐蚀的方式抑制有效信息的过度膨胀。

1.2超声检测（UT）

超声检测主要通过超声波在管道传递中波形变化来检测管道的焊接质量问题。超声波检测主要适合用于检测管线壁厚偏厚的管道内部，可对较大壁厚的管道焊接问题进行检测，适用于定位检测；对人员健康和环境损害小，检测成本低。受现场操作条件制约小，设备轻，便于操作，检测速度快。但其缺点是不适用于定性检测，难以准确定量；对壁厚小的管线检测效果容易存在偏差，检测结果受检测人员技术水平和受检测件的形状影响，无法保证检测成功率；常规超声波检测结果不可记录，无直接资料可作为工程文件存档。

1.3扫查法

（1）扇形扫查。扇形扫查检测技术，是使用探头设定检测深度，启用相同功能的晶片，以一个角度为切入点进行全面扫查。在此种检测过程中，选用一组阵元，针对被选阵元进行各种聚集检测，每次调整波束的检测角度，获得全新的扇形扫查范围。此种检测方法，适用于各类外观特征、检测条件欠佳的设备工件。此检测方法借助参数校准法，能够获取各类晶片扫查平面视图。（2）线性扫查。线性扫查检测方法是调整全部阵元对应的波束传出角度，使其处于完全一致状态，借助相同聚焦理念，相控阵中启用的探头会激活一组阵元给予响应。操作流程是：假设超声波相控阵中，含有的阵元数量为n个，采取相邻阵元组队方式，组成阵元数量介于1与n之间；使用前期设定完成的聚焦方式，对一组阵元进行激活处理，在相控阵探头操作时，沿其方向进行阵元位置调整，调整长度为一个单位步长；使用相同的调整方法，进行第二组阵元的激活处理，直至探头处理完成。线性扫查技术具有高效率、排查精准等使用优势，在工业大规模设备中具有广泛应用价值。（3）动态深层扫查。动态聚焦扫查法是利用声轴各深度条件完成点位聚焦，借助动态晶片控制方式，进行成像聚焦，在声轴表面各深度位置形成动态的聚焦过程。此种无损检测技术，在轻薄工件中具有较高的适用性。

1.4小管径焊缝检测分析

（1）检测主体。小管径焊缝为试验检测对象。（2）检测结果。使用超声波相控法进行质量检测，扫描检查结果如下：第一处扫查发现的质量缺陷资料，进行扫查过程回放时发现：反射点位置的纵向与水平点位处于动态变化状态，同时灵敏性有浮动，从管径焊缝本质性能方面分析时倾向于裂纹缺陷，此项质量检测缺陷信号末尾并未给出熔透信息。第二处扫查排查出的质量缺陷情况，进行扫查资料查看时发现：反射点位的纵向与水平方位并未发生变化，具有较强的灵敏性，结合位置与反射波束的浮动区间、坡口类型等因素，此处缺陷成因可能是“未焊透”。第三处扫查发现的质量缺陷问题，回放查看扫查资料时发现：反射点位的竖直与水平点位并未有较大变化表现，相比第二处缺陷更具灵敏性，结合缺陷位置、反射波束的取值范围、坡口结构等因素，判断此缺陷成因可能是“未熔合”。（3）验证分析。经验证发现：焊缝位置的实际质量缺陷问题，与扫查分析结果具有一致性。证实此种检验方法具有较强的可用性，检测结果具有参考价值。在实践检测中，超声波相位法表现出定量精准、缺陷点定位准确、缺陷问题定性分析等应用优势，能够以更为直观的检测结果表现形式，便于检测人员查看。

2检测代替方案

某项目建设场地东侧为柴油加氢装置、北侧为制氢装置、西侧为中二变电所、南侧为控制室，施工场地与周围装置仅隔一条6 m宽的道路，与周围正在运行的装置及操作人员距离太近。高空壁厚管道需要施工的焊接接头数量多、位置分布范围大，受现场条件制约严重，采用射线检测的难度大，出于对操作人员的安全考虑，提出采用超声波相控阵检测方法代替。考虑项目附近装置的巡检及操作人员以及高空作业时的作业人员安全，并保障焊接质量检测结果，经过研讨和调研，对超声波相控阵检测代替方案提出要求：1）对于管径大于等于168mm且壁厚大于等于13mm的对接环焊缝，采取常规超声波加相控阵超声波检测的方式，对不锈钢材质管道，增加100%渗透检测，其他采取射线检测。2）常规超声波加相控阵超声波检测结果按照NB/T47013.3—2015标准的要求出具超声波检测报告，并附超声波相控阵图谱。3）为确保常规超声波加相控阵超声波检测质量，对采用相控阵检测过的焊口进行第四方射线或超声波复检，检测比例为10%。4）对于超声波相控阵代替射线检测的使用条件加以限制，“条件限制”是指射线检测作业距“人员密集区”太近，达不到检测作业安全距离范围，或因焊缝位置的限制，无法进行射线检测作业及不能全焊缝进行射线检测的情况。

结语

综上所述，管道的压力等级不同、壁厚不同、所用的焊接形式不同，可能存在的质量问题也不一样，质量验收规范中对于不同的压力管道、不同的管道焊接接头形式有不同的标准要求。在实际施工中，现场实际条件也不一样，需要根据规范要求，结合各种检测的优缺点、操作条件限制，优化选用合适的检测方式。提出代替的检测方案需要提出具体要求限制，保障对施工焊接质量检测的要求。

参考文献

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