Page 36 - 无损检测2024年第十期

丁春雄，等：

基于爬行机器人技术的管道内壁相控阵超声检测

小的财产损失 。 1 相控阵超声检测原理
[4]
随着使用年限增加，管道内外壁会受传输介质
常规超声检测使用单晶探头，将电信号转换为
和外力的冲击、腐蚀等因素的影响而加速老化，出现
机械波信号，使脉冲波沿特定方向传播。然而，这
泄漏、裂痕、磨损和变形等问题，因此必须定期对其
种单一折射角的声束受缺陷角度影响，可能引起缺
进行有效检测和维护。目前的管道无损检测技术包
陷漏检。相控阵超声技术通过控制压电晶片的激
括电测法、化学法、声波和超声波法、磁粉检测、渗
励时间，改变声束聚焦和偏转，从而检测工件中的
透检测、涡流检测、热成像法等 [5-12] 。 缺陷 [13-17] 。相控阵超声激发模式如图1所示。如果
笔者设计了一套管道超声爬行机器人检测系统， 每个阵元以相同方式驱动，其形成的球面波将产生
包括驱动机构、检测机构和控制系统，可实现管道超 行波脉冲。通过改变驱动脉冲的相对时间延时ΔT，
声检测数据采集和传输。系统采用环形阵列探头结 可以调整相控阵探头的声束角度，实现声束的整体

构和水囊耦合技术，对直径为159 mm、壁厚为4. 8 mm 偏转。同时，通过改变各个阵元的延时规则，相控阵
的弯头管道和直径为159 mm、壁厚为6 mm的直管进 探头也能产生聚焦声束。相控阵超声检测技术能够
行了试验测试，为管道压力容器的安全检测提供了重 实现声束的偏转和聚焦，相较于常规超声检测技术，
要技术支持。 检测更灵活、高效 [18] 。

图 1 相控阵超声激发模式示意
2 检测系统设计 基础上，以与管道内径比为1∶1的直径来设计内探
轮式探头，探头直径为 142 mm，型号为 5CC128-
2.1 水囊耦合环形阵列探头的设计
2. 1×20（中心频率为5 MHz，整圆阵列，128阵元，
使用相控阵超声技术检测压力管道内壁时，曲
相邻阵元中心间距为2. 1 mm，单个晶片阵元长度为
面结构和缺陷位置等因素可能导致声束畸变和伪像 20 mm），探头设计尺寸及其实物如图2所示。
产生，影响定位和定量分析的准确性。曲面结构与 为了减少声波能量在楔块-试样界面的损失，凝
常规探头难以实现完全贴合接触，可能引发声能反 胶或者填充液体的膜可替代固体楔块形成探头与试
射和扭曲，影响检测可靠性，因此，系统设计的关键 样之间的良好耦合。探头水囊部分采用具有高透声
问题包括优化探头设计和确保声波覆盖所有检测 性能的材料制作，具有一定的弹性，可以保证良好的
区域。 管径适配能力。探头内置于胶膜之中，出线处采用
基于以上问题，在检测直径为 159 mm管道的 了防水格兰头，故其有良好的密封性。探头在使用

图 2 探头设计尺寸及其实物
2
2024 年 第 46 卷 第 10 期
无损检测