基于超聲相控陣的壓力管道tofd檢測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲相控陣和T0FD檢測技術(shù)相結(jié) 合的自動檢測方法以及裝置，適用于壓力管道內(nèi)部的缺陷檢測。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著應用行業(yè)與領(lǐng)域的擴展，管道面臨越來越復雜、惡劣的服役工況，而管道輸送 介質(zhì)高度危害、儲存能量高，安全形勢不容樂觀。國內(nèi)外多次發(fā)生管道因腐蝕或破裂產(chǎn)生的 惡性事故，造成人們生命和財產(chǎn)的巨大損失。壓力事故原因主要有腐蝕、焊接和材料缺陷、 設(shè)備故障、違章操作和外力破壞等。其中腐蝕、焊接和材料缺陷破裂引起的事故占據(jù)很大的 比例。因此在用的壓力管道每隔一定周期應進行定期檢驗，以檢測壓力管道的腐蝕、裂紋等 缺陷，將事故消除在萌芽狀態(tài)。但壓力管道定期檢驗具有不完全同于鍋爐和壓力容器的技 術(shù)與方法。很多管道為埋地敷設(shè)，很多管道為管溝敷設(shè)，外檢測困難。如何實現(xiàn)壓力管道不 搭腳手架、不拆保溫層、不開挖地面的定期檢測，是量多面廣的壓力管道實行定期檢驗的關(guān) 鍵。
[0003] 國外在管道內(nèi)檢測方面的研宄開展較早，經(jīng)過幾十年的不斷研宄，一些國家研制 出的管道檢測器，在檢測精度、定位精度、數(shù)據(jù)處理等方面都達到較高水平，并滿足實際需 求。但是國外的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的研宄和成果處于嚴格保密的狀態(tài)，我國在該方面的研宄起 步較晚，與國外先進水平有較大差距，并且由于技術(shù)壟斷等方面的因素，國外多數(shù)采用提供 技術(shù)服務的方式進行銷售，而且檢測服務的費用非常高。管道內(nèi)檢測是埋地、海底、架空管 道實施檢測的首選方法，通過管道機器人能進入人所不及、復雜多變的非結(jié)構(gòu)化管道環(huán)境 中，通過攜帶的無損檢測裝置和作業(yè)裝置，完成管道的檢測、清掃和維護等任務，降低人工 作業(yè)的危險性，減輕人的勞動強度，具有十分重要的意義。
[0004] 對于管道機器人來說，最關(guān)鍵的技術(shù)主要是：管道的無損檢測技術(shù)以及運動能力、 自主導航能力。常用的管道無損檢測技術(shù)包括：針對鐵磁性材料的漏磁通檢測法、超聲波 檢測法、基于激光、紅外等光源的成像和視頻技術(shù)。其中超聲法和漏磁法得到了較廣泛的應 用。漏磁式管道內(nèi)檢測技術(shù)其基本原理是利用永久磁鐵磁化管道內(nèi)壁，管道腐蝕處將有磁 場泄露，傳感器檢測漏磁信號，并對信號進行處理得到管道腐蝕情況。然而漏磁檢測存在著 對被測管道的限制（壁厚不能太厚），抗干擾能力差和空間分辨力低等缺點，且僅適用于材 料近表面和表面的檢測。超聲波管道內(nèi)檢測主要利用超聲探傷原理，通過輸送介質(zhì)從管道 內(nèi)向管道壁發(fā)射超聲波，根據(jù)回波的時間、大小，檢測出探頭與管道內(nèi)壁的距離、管道剩余 壁厚、管道腐蝕缺陷情況等。超聲波法檢測精度高，可得到定量的檢測結(jié)果，可直接分辨內(nèi) 外腐蝕；不同的管道材質(zhì)對檢測結(jié)果基本無影響。綜合分析，漏磁法和超聲法各有優(yōu)缺點， 但對于輸送液體管道而言，超聲波檢測技術(shù)將有廣闊的應用前景。管道內(nèi)檢測超聲波檢測 技術(shù)主要有內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測和多陣元常規(guī)超聲檢測等；上述方法均采用常規(guī)的超聲 直探頭，不能形成周向的自動電子掃描。
[0005] 超聲相控陣和T0FD檢測技術(shù)是上世紀七十年代提出的數(shù)字超聲檢測技術(shù)。超聲 相控陣主要特點是采用按一定規(guī)律排列的多晶片探頭，各晶片的激勵（振幅和延時）均由 計算機控制，能產(chǎn)生聚焦波束實現(xiàn)對工件的掃描，并能實現(xiàn)檢測結(jié)果的成像。相控陣技術(shù)可 以通過軟件設(shè)定，在不移動探頭的情況下，僅通過改變軟件設(shè)置就可以快速改變聲束的偏 轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)對工件截面的掃查；可以通過聚焦功能提高檢測分辨力、靈敏度和信噪比；相 控陣儀器能夠記錄和保存檢測過程的所有信息數(shù)據(jù)，還可以從不同投影方向生成s、B、C、D 等多種圖形。TOFD即衍射時差法超聲檢測技術(shù)是通過利用從工件內(nèi)部缺陷（如裂紋）的 "端角"或"端點"處發(fā)出的衍射波來檢測缺陷的一種超聲檢測方法。當超聲波遇到諸如裂 紋等的缺陷時，將在缺陷尖端產(chǎn)生衍射波，通過探頭探測到不同聲程和位置的衍射波，進而 可以得到缺陷的高度和深度。TOFD檢測在工程應用中具有很多優(yōu)點；例如：缺陷檢出能力 強，定位精度高；檢測周期短，檢測效率高，安全，環(huán)保；檢測數(shù)據(jù)可進行成像處理，檢測結(jié) 果直觀并可數(shù)字化永久保存，實現(xiàn)全過程記錄。超聲相控陣和TOFD檢測技術(shù)在核電、建筑、 化工、石化、長輸管道等工業(yè)行業(yè)中獲得的容器和管道設(shè)備中已有應用實例。但將兩者結(jié) 合應用還沒有取得突破性的進展，國內(nèi)外部分儀器廠商雖然能同時進行超聲相控陣和TOFD 檢測的儀器設(shè)備，但兩者工作是獨立進行的。至今尚缺少將超聲相控陣和TOFD技術(shù)融合在 一起的方法，更沒有將超聲相控陣和TOFD技術(shù)結(jié)合一起應用于壓力管道內(nèi)檢測的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服上述【背景技術(shù)】中的不足，提供一種超聲相控陣和TOFD檢測 技術(shù)相結(jié)合的自動檢測方法以及系統(tǒng)，所述檢測方法以及系統(tǒng)可以用于壓力管道內(nèi)部的缺 陷檢測，而且具有抗干擾能力強，檢測速度快，結(jié)果準確，使用方便的技術(shù)特點。
[0007] 本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：基于超聲相控陣的壓力管道TOFD檢測裝置，其特征 在于：包括超聲檢測儀主機、機器人控制模塊、檢測內(nèi)部缺陷的兩個圓錐形相控陣探頭裝 置、包含集成相控陣模塊和TOFD模塊的儀器裝置、探頭夾持裝置、管道爬行機器人、同軸電 纜線、編碼器、扶正器、大角度定中器和金屬撓管；所述扶正器以及儀器裝置安裝在金屬撓 管上，金屬撓管的端部與管道爬行機器人連接，大角度定中器安裝在儀器裝置上，所述兩個 圓錐形相控陣探頭裝置對稱布置在儀器裝置上，圓錐形相控陣探頭裝置的軸線與壓力管 道的軸線重合，圓錐形相控陣探頭裝置的圓錐面上安裝有排列成環(huán)形相控陣陣列的若干個 壓電晶片，所述若干壓電晶片均與儀器裝置電連接，其中一個圓錐形相控陣探頭裝置上的 壓電晶片發(fā)射超聲波信號對壓力管道進行掃查，超聲波信號經(jīng)壓力管道反射后由另一個圓 錐形相控陣探頭裝置的壓電晶片接收；
[0008] 所述若干個壓電晶片的長度方向均沿著圓錐面的母線方向，并與壓力管道的管壁 呈一定夾角，并采用電子聚焦法則控制各個壓電晶片的發(fā)射次序，使得發(fā)射的超聲波在管 道圓周方向上聚焦。
[0009] 所述圓錐形相控陣探頭裝置通過探頭夾持裝置固定在儀器裝置上。
[0010] 所述儀器裝置與超聲檢測儀主機電連接，管道爬行機器人與機器人控制模塊電連 接。
[0011] 基于超聲相控陣的壓力管道TOFD檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：
[0012] 1)調(diào)整檢測位置；機器人控制模塊工作，使管道爬行機器人上下運動，調(diào)整圓錐 形相控陣探頭裝置的位置；
[0013] 2)發(fā)射超聲波；其中一個圓錐形相控陣探頭裝置根據(jù)電子聚焦法則，控制各壓電 晶片在周向按一定次序和時序發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)過耦合后進入壓力管道的管壁，并聚 焦于距離壓力管道內(nèi)壁面2/3t(t為壓力管道壁厚）的位置上；
[0014] 3)接收反射波；聚焦后的超聲波經(jīng)過壓力管道的外壁面反射產(chǎn)生超聲反射波，超 聲反射波經(jīng)過壓力管道的管壁和水后到達另一圓錐形相控陣探頭裝置的壓電晶片，另外， 發(fā)射的超聲波聲束的副瓣（直通波）沿壓力管道內(nèi)壁面直接到達另一圓錐形相控陣探頭裝 置的壓電晶片；該壓電晶片接收后產(chǎn)生電信號，回傳到超聲檢測儀主機進行檢測。如管道中 無缺陷，在儀器屏幕上只有直通波和外壁面反射超聲波的信號。如管道中存在缺陷，則在 直通波和外壁反射超聲波的信號之間，存在管道缺陷（如裂紋）的上下端點處發(fā)出的上下 衍射波的超聲信號，探頭探測到不同聲程和位置的衍射波，進而可以得到缺陷的自身高度 和深度。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 1、采用相控陣電子線周向掃描方式，可以避免機械周向掃查引起的探頭裝置振動 和液體擾動以及電纜線的纏繞問題，減少上述問題對檢測產(chǎn)生的干擾。而且電子線周向掃 描比機械周向掃查快上百倍，極大地提高檢測效率。
[0017] 2、圓盤相控陣探頭裝置周向聚焦采用電子聚焦技術(shù)，通過電子聚焦法則，其效果 相當于超聲波線聚焦，可解決鋼/水界面聲能損失和聲波衰減過多使回波太弱的問題。
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