一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法，該復合傳感器陣列包括沿管道內(nèi)表面均勻分布的兩列直探頭陣列S1和S3、兩列軸向斜探頭陣列S2和S4，以及兩列周向斜探頭陣列S5和S6。探頭陣列按徑向探頭陣列S1→軸向斜探頭陣列S2→徑向探頭陣列S3→軸向斜探頭陣列S4→周向斜探頭陣列S5→周向斜探頭陣列S6的方式分布；每列探頭均勻排列分布；探頭數(shù)目由被檢測管道內(nèi)徑確定。該發(fā)明還公布了根據(jù)傳感器空間分布方位及每個傳感器接收到的信號定量缺陷三維參數(shù)的方法。該發(fā)明中的裝置和方法可以有效檢測管道壁上各種不同種類的缺陷，特別是能夠在一次性通過管道時檢測出微小缺陷并提供量化信息。
【專利說明】
一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法，屬于無損 檢測技術(shù)領(lǐng)域。該陣列能檢測管道壁幾乎所有種類的缺陷，并提供缺陷量化參數(shù)信息;特別 適合管道壁小缺陷(裂紋等)的檢測與三維量化信息的獲取。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道缺陷超聲內(nèi)檢測技術(shù)不同于管道超聲外檢測技術(shù)，它利用放置在管道內(nèi)部的 超聲傳感器陣列，又稱智能豬，在一次性通過管道時，掃描檢測管道中的缺陷，并提供缺陷 的量化參數(shù)信息。這種方法的優(yōu)點是能適應(yīng)埋地管道和海底管道等不方便在外部進行缺陷 檢測的場合，檢測效率高，能檢出的缺陷種類多，特別是可以檢測出管道壁中的缺陷，所以 近年來在國際上發(fā)展迅速。
[0003] 管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)是管道工業(yè)發(fā)達國家競相研制的高新技術(shù)。由于其技術(shù)復 雜，涉及學科繁多，所以目前僅有少數(shù)幾家國外公司掌握，如美國GE公司與Tuboscope公司、 加拿大Enbridge公司、德國AG公司與Foerster公司、日本鋼管株式會社(NKK)、英國PI公司 與⑶L公司等(汪永康，劉杰，劉明，杜邵先，鮑元飛.石油管道內(nèi)缺陷無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn) 狀.腐蝕與防護，2014,9(35) :929-934)。然而，現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用中的管道超聲內(nèi)檢測智能豬大 多是采用徑向入射方式進行管道缺陷檢測，從原理上限制了這種內(nèi)檢測方法只能檢測出比 較大的腐蝕類缺陷，還無法檢出管道壁中裂紋等小缺陷，漏檢現(xiàn)象嚴重。
[0004] 國內(nèi)管道超聲內(nèi)檢測方面的研究尚處于起步階段。勝利石油管理局在國家"863" 計劃資助下，與上海交通大學等單位開展了"海底管線內(nèi)爬行器及其檢測技術(shù)"的研究工 作，研發(fā)了一套Φ325πιπι海底管線超聲檢測系統(tǒng)工程樣機及其標定試驗系統(tǒng)。目前這套機構(gòu) 主要用于檢測壁厚變化類缺陷。另外，國內(nèi)清華大學、天津大學、浙江大學、南京理工大學、 中國石油大學、大連理工大學及上海大學等院校均有管道超聲內(nèi)檢測研究成果的報導。（周 燕，董懷榮，周志剛，謝慧.油氣管道內(nèi)檢測技術(shù)的發(fā)展.石油機械.2011，3(39):74-77)。
[0005] 目前，利用超聲波進行管道缺陷內(nèi)檢測的技術(shù)均存在檢出缺陷種類少，不能有效 檢測小缺陷的問題，更無法給出小缺陷的量化參數(shù)信息。本發(fā)明可以有效解決這一問題，并 給出缺陷量化參數(shù)信息，能有效實現(xiàn)不同種類小缺陷的檢出，克服了現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備存在 的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能檢測管道不同種類缺 陷，包括裂紋等小缺陷的復合超聲傳感器陣列的設(shè)計方法及缺陷定量方法，實現(xiàn)管道中不 同種類缺陷的檢測和量化。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0008] -種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法，包括復合超聲傳感器 陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法和缺陷定量方法三部分；
[0009] 所述復合超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：
[0010] 步驟1.1，將脈沖超聲傳感器作為陣列檢測單元，以單個傳感器在管道壁中的傳播 特性作為陣列設(shè)計依據(jù)之一；
[0011] 步驟1.2,復合傳感器陣列包括沿管道內(nèi)表面均勻分布的兩列直探頭陣列S4PS3、 兩列軸向斜探頭陣列S2和S4,以及兩列周向斜探頭陣列S5和S6。傳感器以Sl4S24S34S44S5 -S6分布，形成Sl-S3;S2_S4;S5_S6三種聲束入射模式陣列，各模式陣列的檢測區(qū)域均能完全 覆蓋管壁；
[0012] 步驟1.3,傳感器陣列的檢測區(qū)域覆蓋管道內(nèi)表面、外表面及管道壁，為了使52_54 和S5-S6在整個管道檢測區(qū)域中遇到缺陷時有較大的回波聲壓，并且回波干擾盡可能小，&_ S4和S 5_S6的聲束入射角α設(shè)計在第一臨界角與第二臨界角之間；
[0013] 步驟1.4,考慮到超聲傳感器之間聲場相互影響最小，同時傳感器的聲束入射面有 盡可能大的重疊面積，得到傳感器水程提離距離lu，其中i = l，2,3,分別代表31-33,32-54， S5-S6三種入射模式陣列；
[0014] 步驟1.5,根據(jù)傳感器的聲束角f和水程提離距離lu，得到傳感器檢測弧長h的計 算公式；
[0015] 步驟1.6,根據(jù)管道內(nèi)半徑R，管道壁厚B，傳感器檢測弧長h，得到傳感器陣列中傳 感器數(shù)量的確定公式Ni;
[0016] 超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法：
[0017] 步驟2.1，坐標系的建立:在復合傳感器陣列上建立一套固定直角坐標系，這套坐 標系相對于管道是移動的，坐標原點選在復合陣列的最后端面中心，Z軸與傳感器陣列軸線 重合，Χ0Υ面為垂直于陣列軸線的截面；
[0018] 步驟2.2,超聲傳感器空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列幾何結(jié)構(gòu)，確定每個傳感器 的空間位置C in，其中i = 1，2，3，分別代表5143，S2-S4，S5-S 6三種入射模式陣列;η = 1，2，3… Ni，表不同種入射模式傳感器陣列中傳感器對應(yīng)編號；
[0019] 步驟2.3,聲束入射點空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列在管道中的位置、傳感器空 間位置Cin和聲束入射角α，確定其在管道內(nèi)壁上對應(yīng)聲束入射點P in;
[0020] 缺陷定量方法：
[0021 ]步驟3.1，根據(jù)S2_S4的聲束入射角α、缺陷回波存在的時間t、陣列移動距離L和聲束 在管壁內(nèi)的傳播路徑，得出缺陷的高1高；
[0025]步驟3.2,根據(jù)Si-Ss中傳感器接收到的缺陷回波存在時間V、陣列移動距離1/、晶 片直徑d以及聲束角識，可以得到缺陷的長1長；
[0026] = V - d - 2^! tari ^)
[0027]步驟3.3,根據(jù)Si-Ss中對同一缺陷的探頭個數(shù)q、晶片直徑d、聲束角爐以及探頭空 間位置，得出缺陷的寬1寬；
[0029] 步驟3.4,生成缺陷可視化網(wǎng)格圖像。
[0030] 進一步，所述步驟3.4的具體過程為:在管壁中建立虛擬網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為扇形立 方體。其厚度取為陣列軸向移動一個步長時，同一傳感器在對應(yīng)的兩聲束入射點能檢測出 的最小壁厚值，一個步長是指陣列勻速移動時傳感器陣列中所有傳感器發(fā)射和接收一次超 聲波對應(yīng)的軸向移動距離;長度取為沿管道軸線方向移動的一個步長;扇形角度取為360° / Κ，其中Κ是同一種聲波發(fā)射模式中兩列傳感器的個數(shù);然后，將計算得到的缺陷量化參數(shù) 信息1高、1長及1寬用色彩填充到劃分好的網(wǎng)格中，生成缺陷的可視化網(wǎng)格圖像。
[0031 ]進一步，所述步驟3.4的具體過程為:選用脈沖超聲直探頭作為復合陣列傳感器， 晶片直徑為Φ l〇mm，中心頻率為5MHz。管道內(nèi)徑為192mm，壁厚為14mm，以水為耦合介質(zhì)。設(shè) 定Si-S3的水程提離距離為14mm，計算得到S2-S4傳感器水程提離距離h 2為16mm，此時，Si-S3， S2-S4PS5-S 6中單一傳感器的聲束所能覆蓋的弧長分別為19 · 5mm，20 · 6mm，18 · 9mm，故每種 入射方式超聲傳感器各需要60個，分兩列均勻布設(shè)。
[0032]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：
[0033] 1)利用超聲波進行管道缺陷內(nèi)檢測的技術(shù)均存在檢出缺陷種類少，不能有效檢測 小缺陷的問題，更無法給出小缺陷的量化參數(shù)信息，本發(fā)明可以有效并給出缺陷量化參數(shù) 信息，能有效實現(xiàn)不同種類小缺陷的檢出，克服了現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備存在的不足。此外，該發(fā) 明還公布了根據(jù)傳感器空間分布方位及每個傳感器接收到的信號定量缺陷三維參數(shù)的方 法，特別是能夠在一次性通過管道時檢測出微小缺陷并提供量化信息。
[0034] 2)該發(fā)明采用徑向、軸向斜置和周向斜置傳感器陣列相結(jié)合的復合陣列結(jié)構(gòu)，陣 列按徑向探頭陣列（Sd-軸向斜探頭陣列（&)-徑向探頭陣列（&)-軸向斜探頭陣列（S 4) -周向斜探頭陣列（S5)-周向斜探頭陣列（S6)的方式分布，可兼顧一次性掃查面積與缺陷 檢出率這一矛盾，并且由斜置超聲傳感器對裂紋等小缺陷進行檢測。同時，本發(fā)明還給出了 陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)與缺陷量化參數(shù)的計算方法。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明超聲復合傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2為徑向傳感器與軸向斜置傳感器相對位置關(guān)系示意圖；
[0037] 圖3單種陣列傳感器編號順序圖，a為前一列陣列傳感器編號;b為后一列陣列傳感 器編號；
[0038] 圖4徑向探頭陣列二維坐標示意圖;a為陣列的橫向剖面圖，b為局部放大圖；
[0039] 圖5軸向斜置探頭陣列二維坐標示意圖;a為陣列的縱向剖面圖，b為局部放大圖；
[0040] 圖6周向斜置探頭陣列二維坐標示意圖;a為陣列的橫向剖面圖，b為局部放大圖；
[0041] 圖7管壁內(nèi)軸向斜入射聲束傳播示意圖；
[0042] 圖8管道內(nèi)壁裂紋缺陷網(wǎng)格超聲成像橫截面圖；
[0043] 圖9管道外壁裂紋缺陷網(wǎng)格超聲成像橫截面圖；
[0044] 圖10管道裂紋缺陷網(wǎng)格超聲成像縱向截面圖。
【具體實施方式】
[0045] 本發(fā)明包括以下步驟實現(xiàn)：
[0046] -種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合陣列及缺陷定量方法，包括復合超聲傳感器陣列結(jié) 構(gòu)設(shè)計方法、超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法和缺陷定量方法三部分；
[0047] 所述復合超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：
[0048] 步驟1.1，將脈沖超聲傳感器作為陣列檢測單元，以單個傳感器在管道壁中的傳播 特性作為陣列設(shè)計依據(jù)之一；
[0049] 步驟1.2,復合傳感器陣列包括沿管道內(nèi)表面均勻分布的兩列直探頭陣列SjPS3、 兩列軸向斜探頭陣列S2和S4,以及兩列周向斜探頭陣列S5和S6。傳感器以Sl4S24S34S44S5 -S6分布，形成Sl-S3;S2_S4;S5_S6三種聲束入射模式陣列，各模式陣列的檢測區(qū)域均能完全 覆蓋管壁；
[0050] 步驟1.3,傳感器陣列的檢測區(qū)域覆蓋管道內(nèi)表面、外表面及管道壁，為了使52_54 和S5-S6在整個管道檢測區(qū)域中遇到缺陷時有較大的回波聲壓，并且回波干擾盡可能小，&_ S4和S 5 - S6的聲束入射角α設(shè)計在第一臨界角與第二臨界角之間；
[00511 步驟1.4,考慮到超聲傳感器之間聲場相互影響最小，同時傳感器的聲束入射面有 盡可能大的重疊面積，得到傳感器水程提離距離lu，其中i = l，2,3,分別代表31-33,32-54， S5-S6三種入射模式陣列；
[0052] 步驟1.5,根據(jù)傳感器的聲束角免和水程提離距離lu，得到傳感器檢測弧長h的計 算公式；
[0053]步驟1.6,根據(jù)管道內(nèi)半徑R，管道壁厚B，傳感器檢測弧長h，得到傳感器陣列中傳 感器數(shù)量的確定公式Ni;
[0054] 超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法：
[0055] 步驟2.1，坐標系的建立:在復合傳感器陣列上建立一套固定直角坐標系，這套坐 標系相對于管道是移動的，坐標原點選在復合陣列的最后端面中心，Z軸與傳感器陣列軸線 重合，Χ0Υ面為垂直于陣列軸線的截面；
[0056] 步驟2.2，超聲傳感器空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列幾何結(jié)構(gòu)，確定每個傳感器 的空間位置C in，其中i = 1，2，3，分別代表5143，S2-S4，S5-S 6三種入射模式陣列;η = 1，2，3… Ni，表不同種入射模式傳感器陣列中傳感器對應(yīng)編號；
[0057]步驟2.3,聲束入射點空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列在管道中的位置、傳感器空 間位置Cin和聲束入射角α，確定其在管道內(nèi)壁上對應(yīng)聲束入射點Pin;
[0058] 缺陷定量方法：
[0059] 步驟3.1，根據(jù)S2_S4的聲束入射角α、缺陷回波存在的時間t、陣列移動距離L和聲束 在管壁內(nèi)的傳播路徑，得出缺陷的高1高；

[0063] 步驟3.2,根據(jù)Si-Ss中傳感器接收到的缺陷回波存在時間V、陣列移動距離1/、晶 片直徑d以及聲束角φ，可以得到缺陷的長1長；
[0064] Ζ長='// 一 rf - tan φ
[0065] 步驟3.3,根據(jù)Si-Ss中對同一缺陷的探頭個數(shù)q、晶片直徑d、聲束角爭以及探頭空 間位置，得出缺陷的寬1寬；
[0067] 步驟3.4,生成缺陷可視化網(wǎng)格圖像。在管壁中建立虛擬網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為扇形立 方體。其厚度取為陣列軸向移動一個步長時，同一傳感器在對應(yīng)的兩聲束入射點能檢測出 的最小壁厚值，一個步長是指陣列勻速移動時傳感器陣列中所有傳感器發(fā)射和接收一次超 聲波對應(yīng)的軸向移動距離;長度取為沿管道軸線方向移動的一個步長;扇形角度取為360° / K，其中K是同一種聲波發(fā)射模式中兩列傳感器的個數(shù);然后，將計算得到的缺陷量化參數(shù) 信息1高、1長及1寬用色彩填充到劃分好的網(wǎng)格中，生成缺陷的可視化網(wǎng)格圖像。
[0068] 選用脈沖超聲直探頭作為復合陣列傳感器，晶片直徑為Φ 10_，中心頻率為5MHz。 管道內(nèi)徑為192mm，壁厚為14mm，以水為耦合介質(zhì)。設(shè)定SrSs的水程提離距離為14mm，計算得 到S 2-S4傳感器水程提離距離h2為16mm，此時，Si-S^SrSdPSs-Ss中單一傳感器的聲束所能 覆蓋的弧長分別為19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每種入射方式超聲傳感器各需要60個，分兩 列均勻布設(shè)。
[0069] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體描述。
[0070] 1)復合傳感器陣列結(jié)構(gòu)
[0071] 考慮到實際檢測要求，即復合超聲傳感器陣列既要能完全覆蓋對應(yīng)的管道內(nèi)表 面，又要使傳感器數(shù)量盡可能少，選擇脈沖超聲直探頭作為陣列傳感器。
[0072]本發(fā)明中三種不同入射方式陣列上所有傳感器一次性通過管道時，每種陣列聲束 均能夠覆蓋對應(yīng)的整個管道內(nèi)表面，并且有一定的聲束覆蓋重疊率。本發(fā)明中三種不同入 射方式陣列具有互補性，每種入射方式中任一傳感器均能與其它兩種入射方式中的兩個傳 感器照射在管道內(nèi)表面的同一點上，通過聲束發(fā)射時序來控制聲束聲場間的干擾。本發(fā)明 根據(jù)傳感器發(fā)射時序和不同傳感器接收到的缺陷回波，計算得到缺陷長度、高度和寬度三 個量化參數(shù)信息，進而對缺陷進行定量描述。
[0073] 2)超聲傳感器在管道中水程提離距離確定方法
[0074]管道中采用水作為超聲檢測親合介質(zhì)，從避免S2-S4的聲場被S1-S3本身干擾的角 度出發(fā)，同時考慮到兩種傳感器的入射聲場的覆蓋率，計算得到超聲傳感器在管道中水程 提離距離。圖2中，1是51-&中的傳感器;2是S 2-S4中的傳感器;a是兩傳感器圓心間距;B是管 道壁厚;hi為Si_S3的水程距離;h 2為S2-S4的水程提離距離。已知超聲傳感器的聲束角為免，晶 片直徑為d，為了防止S2-S4的入射聲束被S1-S3干擾，hi和h2之間的關(guān)系如下：
[0076]當傳感器參數(shù)和兩傳感器圓心間距離a已知時，再根據(jù)預先設(shè)定的Si-Ss的水程提 離距離hi，就可以由（1)式解算出S2-S4的水程提離距離h2的選擇范圍。
[0077]由于S5-S6的聲束路徑上無遮擋干擾，故其水程提離距離即為傳感器晶片圓心至聲 束入射點的直線距離h3。
[0078] 3)單個傳感器檢測弧長的確定方法
[0079] 三種不同入射方式傳感器聲束所能覆蓋的管道內(nèi)表面弧長為：
[0081] 其中，R為管道內(nèi)半徑，d為傳感器晶片直徑，為超聲傳感器聲束角，hi為超聲傳感 器的水程提離距離。
[0082] 4)復合陣列中傳感器數(shù)目的確定方法
[0083]單一入射模式陣列覆蓋整個管道檢測區(qū)域所需的傳感器的個數(shù)是：
[0085]其中，R為管道內(nèi)半徑，li為聲束覆蓋的表面弧長。
[0086] 5)坐標系的建立
[0087]在復合傳感器陣列上建立一套固定直角坐標系，這套坐標系相對于管道是移動 的，坐標原點選在復合陣列的后端面中心，Z軸與傳感器陣列軸線重合，Χ0Υ面為垂直于陣列 軸線的截面。其中，傳感器陣列基座外半徑為r;管道內(nèi)半徑為R。用傳感器晶片圓心C in代表 傳感器幾何中心位置，Ριη點代表傳感器照射在管道內(nèi)表面上的點。
[0088] 6)超聲傳感器空間位置確定
[0089] 令S6中的某一傳感器陣列基座孔經(jīng)過Y軸，Si-Ss，S2-SjPS5-S 6中傳感器編號順序 如圖3所示，根據(jù)所建立的空間直角坐標系，以及圖1、圖4、圖5、圖6所示的幾何結(jié)構(gòu)，每個傳 感器的空間位置(^的坐標表示如下（其中，η為傳感器編號；γ表示所標兩傳感器陣列基座 孔中心的偏角;a，e，f，j，ρ表不所標探頭圓心間距離(見圖1); b和c分別為S2-S4和S5-S6中傳 感器伸出探頭基座的長度(見圖5和圖6) ;g為AB兩點間的距離(見圖6)):
[0090] 當η彡 30 時：
[0104] 7)聲束入射點空間位置確定
[0105] 傳感器在管道內(nèi)壁上對應(yīng)的聲束照射點坐標為
[0106] 當η彡 30 時：
[0120] 8)缺陷量化參數(shù)確定方法
[0121] 根據(jù)傳感器在直角坐標系中的位置坐標、陣列移動速度及陣列上聲束入射點的位 置，再結(jié)合傳感器接收到的回波信息，解算出缺陷的三維空間分布量化參數(shù)1高、1長和1寬。根 據(jù)復合傳感器陣列按照檢測方向前進時，同一缺陷回波從出現(xiàn)到消失時間t以及陣列前進 速度，可得t時間內(nèi)陣列所移動的距離L，結(jié)合聲束在管壁中的傳播路徑(見圖7)，缺陷的高 1高可由如下方程組解出：
[0124] 根據(jù)Si-Ss中同一缺陷回波從出現(xiàn)到消失時間V，測得陣列在該時間內(nèi)所移動的距 離1/，再根據(jù)晶片直徑d和聲束角識，可以得到缺陷的長1長；
[0125] t !： = // - d - 2hx tan φ .(5).
[0126] 根據(jù)Si-Ss中對同一缺陷的探頭個數(shù)q、晶片直徑d、聲束角爐以及探頭空間位置，得 出缺陷的寬1寬。
[0128] 9)生成缺陷可視化網(wǎng)格圖像。在管壁中建立虛擬網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為扇形立方體。其 厚度取為陣列軸向移動一個步長時，同一傳感器在對應(yīng)的兩聲束入射點能檢測出的最小壁 厚值，一個步長是指陣列勻速移動時傳感器陣列中所有傳感器發(fā)射和接收一次超聲波對應(yīng) 的軸向移動距離;長度取為沿管道軸線方向移動的一個步長;扇形角度取為360°/Ni，其中Ni 是同一種聲波發(fā)射模式中兩列傳感器的個數(shù)。然后，將計算得到的缺陷量化參數(shù)信息1高、1長 及1寬用色彩填充到劃分好的網(wǎng)格中，生成缺陷的可視化網(wǎng)格圖像。
[0129] 10)設(shè)計特例
[0130] 選用脈沖超聲直探頭作為復合陣列傳感器，晶片直徑為Φ 10_，中心頻率為5MHz。 管道內(nèi)徑為192mm，壁厚為14mm，以水為耦合介質(zhì)。設(shè)定Si-Ss的水程提離距離為14mm，計算得 至1JS2-S4傳感器水程提離距離h2為16mm，此時，中單一傳感器的聲束所能 覆蓋的弧長分別為19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每種入射方式超聲傳感器各需要60個，分兩 列均勻布設(shè)。復合陣列的探頭總數(shù)為180。傳感器安裝在外徑為Φ 167mm的傳感器基座上，復 合超聲傳感器陣列采用6列布置，每一列上有30個傳感器，每列上的傳感器均勻分布，每種 入射方式獨自成列，其中S1-S3，S2-S4和S5-S6各自兩列間傳感器位置偏角6°，并且以Sl-S2- S34S44S54S6方式布置。
[0131] 使用本發(fā)明對管道中的裂紋缺陷進行了檢測，其中，裂紋缺陷是按照美國石油管 道行業(yè)協(xié)會的標準加工的人工缺陷。特例中缺陷為在管道內(nèi)壁縱向裂紋和管道外壁橫向裂 紋，加工尺寸分別為10 X 1 X 3.6_3，10 X 0.5 X 6_3。通過對這兩個缺陷進行檢測，均能有效 檢測到缺陷的存在，使用本發(fā)明中的缺陷量化參數(shù)確定方法，對檢測所得數(shù)據(jù)進行超聲網(wǎng) 格成像，網(wǎng)格厚度為1mm，長度為1mm，扇形角度為6°，所成缺陷圖像分別如圖8、9和10所示。 其中，圖8為管道內(nèi)縱向裂紋所成圖像的管道橫截面圖與局部放大圖；圖9為管道外橫向裂 紋所成圖像的管道橫截面圖與局部放大圖；圖10為管道縱向截面圖，顯示兩個裂紋缺陷在 管道中的位置。
[0132] 綜上，本發(fā)明的一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法，該復 合傳感器陣列包括沿管道內(nèi)表面均勻分布的兩列直探頭陣列SjPS 3、兩列軸向斜探頭陣列 S#PS4,以及兩列周向斜探頭陣列S#PS6。探頭陣列按徑向探頭陣列SP軸向斜探頭陣列& -徑向探頭陣列S 3-軸向斜探頭陣列S4-周向斜探頭陣列S5-周向斜探頭陣列S6的方式分 布;每列探頭均勻排列分布;探頭數(shù)目由被檢測管道內(nèi)徑確定。該發(fā)明還公布了根據(jù)傳感器 空間分布方位及每個傳感器接收到的信號定量缺陷三維參數(shù)的方法。該發(fā)明中的裝置和方 法可以有效檢測管道壁上各種不同種類的缺陷，特別是能夠在一次性通過管道時檢測出微 小缺陷并提供量化信息。
[0133] 應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一 個獨立的技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施方式中的技術(shù)方 案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
[0134] 上文所列出的一系列的詳細說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實施方式的具體說 明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實施方式 或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法，其特征在于，包括復合 超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法和缺陷定量方 法Ξ部分； 所述復合超聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計方法： 步驟1.1，將脈沖超聲傳感器作為陣列檢測單元，W單個傳感器在管道壁中的傳播特性 作為陣列設(shè)計依據(jù)之一； 步驟1.2,復合傳感器陣列包括沿管道內(nèi)表面均勻分布的兩列直探頭陣列Si和S3、兩列 軸向斜探頭陣列S2和S4, W及兩列周向斜探頭陣列Ss和Ss。傳感器WSl一S2一S3一S4一Ss一Ss 分布，形成S1-S3; S2-S4; Ss-SsS種聲束入射模式陣列，各模式陣列的檢測區(qū)域均能完全覆蓋 管壁； 步驟1.3,傳感器陣列的檢測區(qū)域覆蓋管道內(nèi)表面、外表面及管道壁，為了使S2-S4和S5- S6在整個管道檢測區(qū)域中遇到缺陷時有較大的回波聲壓，并且回波干擾盡可能小，S2-S4和 S5-S6的聲束入射角α設(shè)計在第一臨界角與第二臨界角之間； 步驟1.4,考慮到超聲傳感器之間聲場相互影響最小，同時傳感器的聲束入射面有盡可 能大的重疊面積，得到傳感器水程提離距離hi，其中i = 1，2，3，分別代表S1-S3，S2-S4，S5-S6 Ξ種入射模式陣列； 步驟1.5,根據(jù)傳感器的聲束角餐和水程提離距離hi,得到傳感器檢測弧長li的計算公 式； 步驟1.6,根據(jù)管道內(nèi)半徑R，管道壁厚B，傳感器檢測弧長li，得到傳感器陣列中傳感器 數(shù)量的確定公式Ni; 超聲傳感器及聲束入射點坐標位置確定方法： 步驟2.1，坐標系的建立：在復合傳感器陣列上建立一套固定直角坐標系，運套坐標系 相對于管道是移動的，坐標原點選在復合陣列的最后端面中屯、，Z軸與傳感器陣列軸線重 合，XOY面為垂直于陣列軸線的截面； 步驟2.2，超聲傳感器空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列幾何結(jié)構(gòu)，確定每個傳感器的空 間位置Cin，其中i = 1，2，3，分別代表S1-S3，S2-S4，Ss-SsS種入射模式陣列;η = 1，2，3-Ni，表 示同種入射模式傳感器陣列中傳感器對應(yīng)編號； 步驟2.3,聲束入射點空間位置確定:根據(jù)傳感器陣列在管道中的位置、傳感器空間位 置Cin和聲束入射角α，確定其在管道內(nèi)壁上對應(yīng)聲束入射點Pin; 缺陷定量方法： 步驟3.1，根據(jù)S2-S4的聲束入射角α、缺陷回波存在的時間t、陣列移動距離L和聲束在管 壁內(nèi)的傳播路徑，得出缺陷的高1高；步驟3.2,根據(jù)S1-S3中傳感器接收到的缺陷回波存在時間、陣列移動距離1/、晶片直 徑dW及聲束角巧，可W得到缺陷的長1長； Z /.-二 Γ - d - 2hi tan巧 步驟3.3,根據(jù)S廣S3中對同一缺陷的探頭個數(shù)q、晶片直徑d、聲束角巧W及探頭空間位 置，得出缺陷的寬1寬；步驟3.4,生成缺陷可視化網(wǎng)格圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法， 其特征在于，所述步驟3.4的具體過程為:在管壁中建立虛擬網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀為扇形立方體。 其厚度取為陣列軸向移動一個步長時，同一傳感器在對應(yīng)的兩聲束入射點能檢測出的最小 壁厚值，一個步長是指陣列勻速移動時傳感器陣列中所有傳感器發(fā)射和接收一次超聲波對 應(yīng)的軸向移動距離;長度取為沿管道軸線方向移動的一個步長;扇形角度取為360° /Ni，其 中Ni是同一種聲波發(fā)射模式中兩列傳感器的個數(shù);然后，將計算得到的缺陷量化參數(shù)信息 1高、1長及1寬用色彩填充到劃分好的網(wǎng)格中，生成缺陷的可視化網(wǎng)格圖像。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道缺陷超聲內(nèi)檢測復合傳感器陣列及缺陷定量方法， 其特征在于，選用脈沖超聲直探頭作為復合陣列傳感器，晶片直徑為Φ 10mm，中屯、頻率為 5MHz，管道內(nèi)徑為192mm，壁厚為14mm，W水為禪合介質(zhì)，設(shè)定S1-S3的水程提離距離為14mm， 計算得到S2-S4傳感器水程提離距離h2為16mm，此時，Si-S3，S2-S4和S5-S6中單一傳感器的聲 束所能覆蓋的弧長分別為19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每種入射方式超聲傳感器各需要60 個，分兩列均勻布設(shè)。
【文檔編號】G01N29/04GK106093196SQ201610395625
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610395625.1, CN 106093196 A, CN 106093196A, CN 201610395625, CN-A-106093196, CN106093196 A, CN106093196A, CN201610395625, CN201610395625.1
【發(fā)明人】宋壽鵬, 倪英杰, 李迎雪, 劉明宇, 楊永, 申靜靜, 徐偉
【申請人】江蘇大學