Phased array ultrasonic inspection of pipeline inner walls based on crawling robot technology
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摘要:
压力管道检测是确保工业生产可靠性的关键,为了延长管道使用寿命并预防安全事故,必须定期进行有效检测和维护。然而,由于管道内部空间狭小且传输介质有害,难以实施人工检测。传统的抽样检测和挖掘法存在稳定性、效率和准确性低的问题。开发了一种基于爬行机器人技术的管道内部相控阵超声扫描检测系统,解决了现有设备体积大、成本高、移动不畅和耦合不佳的问题。设计了一种环形相控阵探头,结合胶膜水囊耦合装置,进行了实际工业管道中的探头性能测试。结果表明,设计的探头灵敏度高,在厚壁管道检测中具有良好的信噪比,能够准确检测缺陷的位置和大小；设计的系统提高了管道检测的效率和准确性,满足了工业生产的可靠性要求。
Abstract:Pressure pipeline testing is crucial for ensuring the reliability of industrial production, requiring high standards of safety, convenience, and efficiency. To extend pipeline service life and prevent safety accidents, regular and effective testing and maintenance are necessary. However, due to the confined space inside pipelines and the harmful nature of the transmitted medium, manual testing was difficult. Traditional sampling testing and excavation methods have issues with stability, efficiency, and accuracy. This paper developed an ultrasonic phased array scanning testing system for the internal testing of pipelines based on crawling robot technology, addressing problems such as large equipment size, high cost, poor mobility, and inadequate coupling. A ring-shaped phased array probe, combined with a membrane water bag coupling device, was designed and tested in actual industrial pipelines. Results showed that this probe had high sensitivity, good signal-to-noise ratio in thick-walled pipes, and can accurately detect the location and size of defects. This system improved the efficiency and accuracy of pipeline inspection, meeting the high demands of industrial production.
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Keywords:
- pressure pipeline /
- pipeline robot /
- ring array probe /
- phased array ultrasonic
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相控阵超声检测是近年来兴起且应用较多的无损检测技术,其主要优势是检测图像直观、检测速度快,发现缺陷的能力强、精度高[1-4]。该技术在制造业中的应用尤为广泛,常用来取代常规超声检测和射线检测等方式[5-6]。文章主要围绕以下3个方面进行介绍：① 针对中厚板上下表面盲区的相控阵超声检测；② 针对中厚板中间部位缺陷的检测,按照相关标准要求进行检测灵敏度的探讨；③ 针对厚板,采用不同频率探头进行纵波检测和横波检测灵敏度、上下表面盲区纵波检测及板材边部盲区横波检测的对比等试验。试验结果表明,相控阵超声检测技术能够100%覆盖钢板中心部位所有缺陷,检测准确度高,误报率低,重复性好；厚度检测钢板上下表面盲区不大于1.5 mm,板边最小盲区不大于3 mm,且检测速度快,成本低。
1. 相控阵超声技术检测原理
相控阵超声成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励（或接收）脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以该技术的特性主要体现在声束角度可控和可动态聚焦两方面。
2. 相控阵超声检测技术的试验及分析
由于相控阵超声检测技术与常规超声检测技术相比具有诸多优势,且在制造业中相控阵超声检测应用案例也越来越多。目前,在电力、石化、石油、航天航空、军工等行业的压力容器焊接检测中已经大量采用相控阵超声检测技术,运用其特点提高了检测效率及质量控制。但该检测技术在压力容器原材料板材中的应用还较少,文章将以中厚板相控阵超声检测技术为例进行试验并分析。
2.1 试验一
试验主要针对中厚板上下表面盲区的相控阵超声检测进行分析。
2.1.1 试验标样
试件尺寸 （长×宽×厚,下同）为300 mm×200 mm×4 mm,在试件中刻有6处平底孔人工缺陷,尺寸（直径×深度）分别为：ϕ5 mm×3 mm,ϕ5 mm×2 mm,ϕ5 mm×1 mm,ϕ3 mm×3 mm,ϕ3 mm×2 mm,ϕ3 mm×1 mm。
2.1.2 检测参数
试验一检测参数设置如表1所示。
Table 1. 试验一检测参数项目 参数 项目 参数 项目 参数 频带/MHz 7.5 参考声速/（m · s-1） 5 900 范围/mm 16 增益/dB 13 发射电压/V 50 脉冲宽度/ns 80 数字增益/dB 18 重复频率/kHz 5 检波类型 全检波 阵元孔径 8 间隔数 1 耦合介质 水 扫查方式 扇扫 角度/（°） 0 聚焦距离/mm 30 2.1.3 试验方法
将试件置于水中,将探头放置在距离工件表面22 mm处,在x,y轴方向来回扫查,保证100%覆盖试件,且至少有10%的重叠。
2.1.4 试验结果
在检测系统中以钢板底面回波作为耦合监视,确保检测的有效性。在无缺陷区域,示波屏上显示水/钢界面波和钢板底面回波及多次底面回波,该显示由相控阵探头的5号晶元0°角进行控制,耦合监视波形如图1所示。
对该试件中6处不同孔径和不同深度的平底孔人工缺陷的检测波形如图2所示。由图2可见,对300 mm×200 mm×4 mm标样进行相控阵超声水浸C扫检测,所制作的直径为3 mm和5 mm,深度分别为1,3,5 mm的平底孔均能有效检出,且信噪比均在15 dB以上,满足设备性能及钢板检测标准要求。即,该检测系统配合稳定的机械扫查装置,可实现该规格试件的批量自动化检测,能够保证钢板上下表面盲区在1 mm。
2.2 试验二
试验主要针对中厚板中间部位缺陷,按照相关标准要求进行检测灵敏度的分析。
2.2.1 试验标样
试件尺寸为250 mm×150 mm×7 mm,在试件中刻有6处平底孔人工缺陷,直径分别为5,3,2 mm,深度分别为3/4T,2/4T,1/4T（T为钢板厚度）,即深度分别为5.25,3.50,1.75 mm,试验二标样外观如图3所示。
2.2.2 检测参数
试验二检测参数设置如表2所示。
Table 2. 试验二检测参数项目 参数 项目 参数 项目 参数 频带/MHz 7.5 参考声速/（m · s-1） 5 900 范围/mm 16 增益/dB 23 发射电压/V 50 脉冲宽度/ns 70 数字增益/dB 18 重复频率/kHz 5 检波类型 全检波 阵元孔径 8 间隔数 1 耦合介质 水 扫查方式 扇扫 角度/（°） 0 聚焦距离/mm 16 2.2.3 试验方法
将试件置于水中,将探头放置在工件上方,在x,y轴方向来回扫查,保证100%覆盖试件,且至少有10%的重叠。
2.2.4 试验结果
在检测系统中以钢板底面回波作为耦合监视,确保检测的有效性。在无缺陷区域,示波屏上显示水/钢界面波和钢板底面回波及多次底面回波,该显示由相控阵探头的28号晶元0°角进行控制,耦合监视波形如图4所示。
对该试件中6处不同孔径和不同深度的平底孔人工缺陷的检测波形如图5所示。由图5可见,对该标样进行相控阵超声水浸C扫描检测,所制作的直径为5,3,2 mm,深度为5.25,3.50,1.75 mm的平底孔均能有效检出,且信噪比均在15 dB以上,该相控阵超声检测灵敏度满足中厚板中间部位缺陷检测的设备性能及钢板检测标准要求。即,该检测系统配合稳定的机械扫查装置,可实现该规格试件的批量自动化检测。
2.3 试验三
试验主要是针对厚板采用不同频率探头进行纵波检测和横波检测灵敏度、上下表面盲区纵波检测及板材边部盲区横波检测的对比分析。
2.3.1 试验标样
试件尺寸为300 mm×400 mm×60 mm,在试件中刻有ϕ2 mm的平底孔,深度分别1.5,15.0,45.0,58.5 mm,60°V形槽深度为58.2 mm,长度为15 mm以及直径分别为1.2,2.0,1.6,2.0,3.0 mm的竖通孔,试验三标样结构示意如图6所示（槽及平底孔尺寸公差均为±0.05 mm）。
2.3.2 检测参数
试验三检测参数设置如表3所示。
Table 3. 试验三检测参数项目 参数 项目 参数 项目 参数 频带/MHz 5/7.5 参考声速/（m · s-1） 5 900 范围/mm 70 增益/dB 35 发射电压/V 50 脉冲宽度/ns 80 数字增益/dB 18 重复频率/kHz 5 检波类型 全检波 扫查方式 扇扫 角度/（°） 0 聚焦距离/mm 57 2.3.3 试验方法
将试件置于水中,将探头放置在距离工件表面24 mm处,在x,y轴方向来回扫查,保证100%覆盖试件,且至少有10%的重叠。
2.3.4 试验结果
（1） 在检测系统中以钢板底面回波作为耦合监视,确保检测的有效性。在无缺陷区域,示波屏上显示水/钢界面波和钢板底面回波及多次底面回波,耦合监视波形如图7所示,其中,5 MHz相控阵探头由28号晶元0°角进行控制,7.5 MHz探头由17号晶元0°角进行控制。
（2） 对该试件中深度分别为1.5,15.0,45.0,58.5 mm的ϕ2 mm平底孔进行纵波检测,不同频率相控阵探头的检测波形如图8所示。
图8中各分图的左图均表示5 MHz探头检测结果,右图表示7.5 MHz探头检测结果。如图8（a）所示,其中5 MHz探头由31号晶元在0°角上检测出,7.5 MHz探头由48号晶元在0°角上检测出,图8（b）~（d）类推。
（3）对该试件中深度为58.2 mm,长为15 mm,角度60°的V形槽采用不同频率的相控阵探头进行横波检测,检测波形如图9所示,其中5 MHz探头由24号晶元在15°角上检测出（左图）,7.5 MHz探头由16号晶元在9°角上检测出（右图）。
（4）对该试件中从上至下直径分别为1.2,2.0,1.6,2.0,3.0 mm的竖通孔,采用5 MHz探头对竖通孔进行一次横波和二次横波检测,得到的检测波形如图10所示,其中一次横波检测由12号晶元在0°角上检测出,二次横波检测由23号晶元在0°角上检测出。
（5）对该试件中离钢板板边3 mm处的ϕ1.6 mm竖通孔,利用5 MHz探头对其进行一次横波和二次横波检测,得到检测波形如图11所示,其中一次横波检测由15号晶元在0°角上检测出,二次横波检测由23号晶元在0°角上检测出。
综上,对于纵波检测区域,在60 mm板厚下,检测ϕ2 mm平底孔时,上下表面盲区均不大于1.5 mm,信噪比均不小于18 dB。在横波检测区域,对于60° V形槽,ϕ1.2,2.0,1.6,2.0,3.0 mm竖通孔,均能检测出,且钢板边部盲区不大于3 mm,分辨力不小于15 dB。即,漏报误报率均为0,缺陷检测重复性为100%,满足设备性能及钢板检测标准要求；该检测系统配合稳定的机械扫查装置,可实现该规格试件的批量自动化检测。
3. 结语
采用相控阵超声技术对中厚板材进行自动化检测,不仅可以满足各项检测技术指标,且相比于常规超声检测技术,具有以下优势：① 相控阵超声探头可随意控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度,无需人工调节或更换探头；② 相控阵超声探头中采用多晶片探头进行快速顺序激励,其辐射声场相当于单晶片探头机械式连续位移和转向,更加提高了检测的可靠性；③ 针对不同的检测对象,可通过系统软件进行对应设置,而无需对探头进行调试操作；④ 多晶片超声波束的聚焦,提高了检测信噪比,可满足更高的检测要求。
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