一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法及系统

摘要

本发明公开了一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法及系统，属于无损检测技术领域，主要包括相控阵声场模型建立、声束覆盖与模拟试块、检测工艺制定与结果分析。通过计算机仿真软件建立了B型套筒搭接焊缝截面模型并模拟声束全覆盖检测，能直观显示超声波束在焊缝中的覆盖状态，有效指导B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测工艺设计，采用相控阵超声“三角区域分析法”对缺陷图谱进行评判，解决了B型套筒搭接焊缝缺陷评定的盲目性，可以使油气输送管道用B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测图谱评定准确，提高检测效率，实现对复杂焊缝构件损伤进行精确检测。

权利要求

1.一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1）绘制不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

步骤2）对B型套筒的检测面进行扇形扫查声束覆盖模拟，得到不同位置焊缝的聚焦位置和探头所在的位置；

步骤3）使用模拟试块进行检测，使得焊缝截面检测区域的任意位置均被声束覆盖，得到相控阵超声图谱，基于相控阵超声图谱获取检测工艺的扫查工艺参数；所述的扫查工艺参数为三角区域各端点的角度；

步骤4）利用三角区域分析法进行缺陷判别；所述的缺陷判别具体为：当相控阵超声探头保持与焊缝水平位置不变时，会有相同或相近的角度覆盖结构三角形A、B、C端点，相控阵o o超声扇形扫查图谱的37声束方向上会发现端点A的反射波，在扇形扫查图谱的52.5声束方o向上会发现端点C的反射波，在扇形扫查图谱的65.5声束方向上会发现端点B的反射波，观察ABC三角形区域内是否存在异常信号，判断该区域是否存在缺陷；当三角区域内存在异常信号时，则此时的焊缝搭接角位置存在缺陷；若三角区域内没有异常信号时，则此时的焊缝搭接角无缺陷。

2.根据权利要求1所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，步骤1）所述B型套筒搭接焊缝结构图根据以下参数进行绘制：测量待检焊缝的结构、B型套筒的壁厚、搭接焊缝的垂直厚度、搭接焊缝的水平宽度。

3.根据权利要求1所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，步骤1）所述的B型套筒搭接焊缝截面模型是由若干个压电晶片组成的一维或二维阵列模型；每个压电晶片为一个阵元。

4.根据权利要求3所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，所述阵列模型中安装有控制单元，用于控制每个阵元的超声发射和接收。

5.根据权利要求3所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，每个阵元上均设有超声发射电路和超声接收电路。

6.根据权利要求1所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，其特征在于，步骤2）所述的检测面包括套筒侧检测面和管体侧检测面。

7.一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统，其特征在于，包括：

模型建立单元，基于不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

模拟检测单元，基于B型套筒搭接焊缝截面模型，进行相控阵超声模拟检测，得到相控阵超声图谱；

分析处理单元，基于相控阵超声图谱，利用三角区域分析法进行缺陷判别，所述三角区域分析法为：当相控阵超声探头保持与焊缝水平位置不变时，会有相同或相近的角度覆盖o结构三角形A、B、C端点，相控阵超声扇形扫查图谱的37声束方向上会发现端点A的反射波，o o在扇形扫查图谱的52.5声束方向上会发现端点C的反射波，在扇形扫查图谱的65.5声束方向上会发现端点B的反射波，观察ABC三角形区域内是否存在异常信号，判断该区域是否存在缺陷。

8.根据权利要求7所述的B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统，其特征在于，B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统还包括控制单元；模型建立单元包括相控阵超声换能器，相控阵超声换能器由若干个压电晶片组成一维或二维阵列组成；控制单元分别与若干个压电晶片电连接。

说明书

一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于无损检测技术领域，涉及一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法及系统。

背景技术

[0002] 在20世纪70年代初期，最先使用环形套筒维修油气管道，主要修复方式有A型和B型两种，结构如图1所示。套筒修复技术不仅能够抑制管道缺陷位置金属继续膨胀，同时还能消除应力集中。A型套筒(图1a)的修复方式与复合套筒的修复方式类似，只是环绕包围管道，没有密封作用，而B型套筒(图1b)修复方式可以在修复管道服役过程中出现泄漏，还能保持管道内部压力，是一种重要的、应用广泛的陆上管道缺陷修复方法。B型套筒作为管道维修永久修复方式，具有适应场景广、不用停输放空、可带压焊接、对输气生产影响小的显著优点。B型套筒环绕包围管道既具有补强作用又具有密封作用，所以在油气管道修复中得到广泛应用。B型套筒是将两片半瓦状部分钢管焊接合在一起，具有两条纵向焊缝和两条环向焊缝，纵向焊缝为一般对接焊缝，环向焊缝为搭接角焊缝。

[0003] 由于B型套筒结构特点，使其在焊接修复技术中成为应用较为广泛的一种，通常被用于修复在役运行管道的诸如裂纹、凹坑、腐蚀等缺陷。但是B型套筒在安装过程中存在较大残余应力，容易在焊缝或热影响区部位产生焊接裂纹、夹渣、气孔等缺陷。因此，对于这些焊接缺陷进行无损检测是非常必要的。为了保障管道的修复质量，将对B型套筒焊接过程中产生的缺陷进行有效地检测。B型套筒的焊缝有对接焊缝和搭接焊缝，对接焊缝的检测技术比较成熟，容易实施，此处不再赘述。B型套筒搭接焊缝检测，可以采用传统超声检测，也可采用相控阵超声检测，传统超声检测需要多角探头、多检测面，费时费力，检测结果可靠性差，而相控阵超声检测必须采用计算机仿真软件进行模拟仿真优化检测工艺。纵向焊缝的对接焊缝进行超声或射线检测没有技术上难度，而环向焊缝的搭接角焊缝不论是超声检测还是射线检测均有很大难度。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术中，B型套筒的环向焊缝搭接角焊缝难以检测的缺点，提供一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法及系统。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0006] 一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤1)绘制不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

[0008] 步骤2)对B型套筒的检测面进行扇形扫查声束覆盖模拟，得到不同位置焊缝的聚焦位置和探头所在的位置；

[0009] 步骤3)使用模拟试块进行检测，使得焊缝截面检测区域的任意位置均被声束覆盖，得到相控阵超声图谱，基于相控阵超声图谱获取检测工艺的扫查工艺参数；

[0010] 步骤4)利用三角区域分析法进行缺陷判别。

[0011] 优选地，步骤1)所述B型套筒搭接焊缝结构图根据以下参数进行绘制：测量待检焊缝的结构、B型套筒的壁厚、搭接焊缝的垂直厚度、搭接焊缝的水平宽度。

[0012] 优选地，步骤1)所述的B型套筒搭接焊缝截面模型是由若干个压电晶片组成的一维或二维阵列模型；每个压电晶片为一个阵元。

[0013] 优选地，所述阵列模型中安装有控制单元，用于控制每个阵元的超声发射和接收。

[0014] 优选地，所述每个阵元上均设有超声发射电路和超声接收电路。

[0015] 优选地，步骤2)所述的检测面包括套筒侧检测面和管体侧检测面。

[0016] 优选地，步骤3)所述的扫查工艺参数为三角区域各端点的角度。

[0017] 优选地，步骤4)所述的缺陷判别具体为：当三角区域内存在异常信号时，则此时的焊缝搭接角位置存在缺陷；若三角区域内没有异常信号时，则此时的焊缝搭接角无缺陷。

[0018] 一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统，包括：

[0019] 模型建立单元，基于不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

[0020] 模拟检测单元，基于B型套筒搭接焊缝截面模型，进行相控阵超声模拟检测，得到相控阵超声图谱；

[0021] 分析处理单元，基于相控阵超声图谱，利用三角区域分析法进行缺陷判别。

[0022] 优选地，B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统还包括控制单元；模型建立单元包括相控阵超声换能器，相控阵超声换能器由若干个压电晶片组成一维或二维阵列组成；控制单元分别与若干个压电晶片电连接。

[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0024] 本发明公开了一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，主要包括相控阵声场模型建立、声束覆盖与模拟试块、检测工艺制定与结果分析。通过计算机仿真软件建立了B型套筒搭接焊缝截面模型并模拟声束全覆盖检测，能直观显示超声波束在焊缝中的覆盖状态，有效指导B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测工艺设计，采用相控阵超声“三角区域分析法”对缺陷图谱进行评判，解决了B型套筒搭接焊缝缺陷评定的盲目性，可以使油气输送管道用B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测图谱评定准确，提高检测效率，实现对复杂焊缝构件损伤进行精确检测。

[0025] 本发明还公开了一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统，是基于上述方法建立的，模型建立单元，基于不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；模拟检测单元，基于B型套筒搭接焊缝截面模型，进行相控阵超声模拟检测，得到相控阵超声图谱；分析处理单元，基于相控阵超声图谱，利用三角区域分析法进行缺陷判别。本发明系统设计简单，易于实现精确检测B型套筒复杂搭接焊缝构件损伤的目的。

附图说明

[0026] 图1为A型和B型套筒结构示意图，(a)A型套筒；(b)B型套筒；

[0027] 图2为本发明的相控阵声场模拟检测原理图；

[0028] 图3为相控阵发射声束示意图，(a)发射声束偏转示意图；(b)发射声束聚焦示意图。

[0029] 图4为相控阵接收过程示意图；

[0030] 图5传统超声检测与相控阵超声检测原理图，(a)传统超声检测；(b)相控阵超声检测；

[0031] 图6为本发明方法分别从套筒侧和管道侧检测声束覆盖模拟图，(a)从套筒侧检测模拟声束覆盖；(b)从管道侧检测模拟声束覆盖；

[0032] 图7为本发明方法中的模拟试块示意图，(a)模拟试块主视图；(b)模拟试块俯视图；

[0033] 图8为利用本发明方法在不同位置的相控阵超声检测缺陷图谱，(a)搭接焊缝缺陷图谱；(b)带端角搭接焊缝缺陷图谱。

[0034] 其中：1‑套筒；2‑管道体；3‑纵向对接焊缝；4‑环向搭接焊缝；5‑钢管；6‑B型套筒；7‑位置。

具体实施方式

[0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0036] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0037] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0038] B型套筒的整体结构如图1b所示，包括套筒1、管道体2、纵向对接焊缝3和环向对接焊缝4。

[0039] 实施例1

[0040] 一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

[0041] 步骤1)绘制不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

[0042] 所述B型套筒搭接焊缝结构图根据以下参数进行绘制：测量待检焊缝的结构、B型套筒的壁厚、搭接焊缝的垂直厚度、搭接焊缝的水平宽度。

[0043] 步骤2)对B型套筒的检测面进行扇形扫查声束覆盖模拟，得到不同位置焊缝的聚焦位置和探头所在的位置；

[0044] 步骤3)使用模拟试块进行检测，使得焊缝截面检测区域的任意位置均被声束覆盖，得到相控阵超声图谱，基于相控阵超声图谱获取检测工艺的扫查工艺参数；

[0045] 步骤4)利用三角区域分析法进行缺陷判别。

[0046] 当三角区域内存在异常信号时，则此时的焊缝搭接角位置存在缺陷；若三角区域内没有异常信号时，则此时的焊缝搭接角无缺陷。

[0047] 实施例2

[0048] 除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

[0049] 所述的B型套筒搭接焊缝截面模型是由若干个压电晶片组成的一维或二维阵列模型；每个压电晶片为一个阵元。阵列模型中安装有控制单元，用于控制每个阵元的超声发射和接收。所述每个阵元上均设有超声发射电路和超声接收电路。

[0050] 实施例3

[0051] 除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

[0052] 步骤2)所述的检测面包括套筒侧检测面和管体侧检测面。步骤3)所述的扫查工艺参数为三角区域各端点的角度。

[0053] 实施例4

[0054] 试验对象为一块B型套筒搭接角焊缝模拟试块。模拟试块的规格、组合形式、焊缝形态等与被检工件相同。模拟试块是截取一块长度20mm的B型套筒搭接角焊缝，分别加工7个Ф2横通孔，横通孔1#、2#、3#、4#、5#、6#分别在坡口面上，位置为1/3AC、1/2AC、2/3AC、2/3BC、1/2BC、1/3BC模拟不同位置坡口未熔合或裂纹缺陷，横通孔7#在焊缝内部模拟焊缝内部缺陷，如图7所示。通过对模拟试块上人工缺陷的检测与声束覆盖，就可以检测到B型套筒搭接焊缝产生的各种焊接缺陷，从而验证了B型套筒搭接焊缝中各种缺陷检出率。

[0055] 实施例5

[0056] 一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

[0057] 步骤(1)绘制B型套筒搭接焊缝结构图。现场测量待检焊缝结构，B型套筒壁厚，搭接焊缝垂直厚度，搭接焊缝水平宽度，并依据此尺寸绘制不同位置的焊缝结构。

[0058] 步骤(2)声束全覆盖模拟仿真。采用模拟仿真软件完成相控阵超声声束覆盖模拟，用来确定检测不同位置焊缝采用的聚焦法则和探头所在位置。

[0059] 步骤(3)制定检测工艺。通过模拟仿真软件的声束覆盖模拟，可以看出在此工艺下，可实现被检测焊缝的全覆盖。

[0060] 步骤(4)依据模拟仿真软件完成扫查工艺参数设计。如B型套筒壁厚40mm，套筒与钢管间隙3mm，缝垂直厚度40mm，焊缝水平宽度40mm，依据模拟仿真软件得到扫查工艺参数如表1。

[0061] 表1 B型套筒搭接焊缝扫查工艺参与数

[0062]

[0063]

[0064] (5)缺陷判别。采用“三角区域分析法”进行缺陷判别。

[0065] 一种B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统，包括：

[0066] 模型建立单元，基于不同位置的B型套筒搭接焊缝结构图，建立B型套筒搭接焊缝截面模型；

[0067] 模拟检测单元，基于B型套筒搭接焊缝截面模型，进行相控阵超声模拟检测，得到相控阵超声图谱；

[0068] 分析处理单元，基于相控阵超声图谱，利用三角区域分析法进行缺陷判别。

[0069] B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测系统还包括控制单元；模型建立单元包括相控阵超声换能器，相控阵超声换能器由若干个压电晶片组成一维或二维阵列组成；控制单元分别与若干个压电晶片电连接。

[0070] 本发明系统的工作原理如下：

[0071] 相控阵超声换能器设计基于惠更斯原理，换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称为一个阵元，一般是由多个阵元组成的一维或二维阵列，每个阵元有自己独立的发射和接收电路，通过计算机控制超声系统来控制各个单元的超声发射和接收，实现对合成声束的偏转和聚焦控制，其原理如图2所示。

[0072] 相控阵发射分为相控聚焦与相控偏转。多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器，分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。如图3(a)所示，阵列换能器各阵元的激励时序是两端阵元先激励，逐渐向中间阵元加大延迟，使得合成的波阵面指向一个曲率中心，即发射相控聚焦，如图3(b)所示，阵列换能器各阵元的激励时序是等间隔增加发射延迟，使得合成波阵面具有一个指向角，就形成了发射声束相控偏转效果。

[0073] 相控阵接收换能器发射的超声波，遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，而其它方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。相控阵接收的原理如图4所示。

[0074] 应用例1

[0075] B型套筒修复一般是在不停输状态下进行的，对于环向焊缝的搭接角焊缝，管线管体壁厚加上B型套筒厚度进行双壁单影透照，一是透照壁厚太大，一是搭接焊缝结构形式特点，进行射线检测发现缺陷的可能性较小。常规超声检测如图5(a)所示，检测B型套筒6搭接角焊缝应在3个不同的位置7，每个位置7采用3种不同角度进行，检测费时效率低，且缺陷检出率较低。相控阵超声检测如图5(b)所示，在一个位置上即可实现检测，检测B型套筒6搭接角焊缝可以在B型套筒6上进行或在钢管5的管体上进行，建议优先选择在B型套筒6上进行。若在钢管5管体进行检测，由于B型套筒6修复是在不停输进行的，管道中还在输送天然气，对于超声波有一定的吸收，影响检测灵敏度。

[0076] 应用例2

[0077] 应用仿真软件建立B型套筒搭接角焊缝截面模型，根据检测工艺选定相应检测面并进行扇形扫查声束覆盖模拟，检测工艺设置应确保焊缝截面检测区域任意位置被声束覆盖。仿真软件可验证检测工艺的合理性，从而为检测B型套筒角焊缝提供理论性指导。

[0078] 从B型套筒侧扫查声束覆盖模拟图如图6(a)所示，从管道管体侧扫查声束覆盖示意图如图6(b)所示，由图6可以看出：探头扫查面为B型套筒侧时，声束通过一次反射和二次反射可以覆盖整个B型套筒搭接角焊缝可能产生各种缺陷，因此无检测盲区；探头扫查面为管道管体侧时，声束通过二次反射可以覆盖整个B型套筒搭接角焊缝可能产生各种缺陷，因此也无检测盲区，但是由于超声声束一次反射经过管道管体，管道管体内输送介质可能会对超声声束有一定吸收，降低检测灵敏度，因此推荐优先选取从B型套筒侧进行检测。

[0079] 在仿真的基础上，使用模拟试块进行检测，进一步确认相控阵超声对B型套筒搭接角焊缝各种缺陷检出率与准确性。

[0080] 应用例3

[0081] B型套筒在长输管道修复中具有不停输、安全、快速的特点，由于焊缝结构复杂，内应力和残余应力较大，容易产生焊接缺陷或裂纹。为了防止缺陷漏检，采用相控阵超声扇形扫描对B型套筒搭接焊缝断面进行检测，实现整个焊缝声束全覆盖检测，需要通过模拟仿真，进行检测工艺设计，提高检测效率并保障检测结果的可靠性。

[0082] 典型B型套筒搭接焊缝相控阵超声检测扇形扫查是用相同阵元和相同焦距通过一定角度范围扫查获得，其水平轴对应于投影距离(试件宽度)，垂直轴对应于深度。结合B型套筒搭接焊缝的结构特点，为了完成缺陷评判而提出一种相控阵超声图谱分析方法—相控阵超声“三角区域分析法”。其原理是依据被检焊缝固定位置的反射波来确定声束覆盖区域，从而判定该区域内是否存在缺陷。根据B型套筒搭接焊缝声束模拟仿真效果，被检焊缝随着位置变化，相控阵超声可实现多角度覆盖，进行相控阵超声声束覆盖模拟仿真时发现，当相控阵超声探头保持与焊缝水平位置不变时，会有相同或相近的角度覆盖结构三角形A、B、C端点(如图6)。依据模拟仿真软件得出采用此检测工艺检测时，相控阵超声扇形扫查图谱的37°声束方向上会发现端点A的反射波，在扇形扫查图谱的52.5°声束方向上会发现端点C的反射波，在扇形扫查图谱的65.5°声束方向上会发现端点B的反射波。即通过模拟仿真软件可以发现声束在37°～66°所覆盖的区域为需要检测的B型套筒搭接焊缝。由于B型套筒搭接焊缝产生的缺陷多出现在ABC三角形内，在实际检测过程中，主要观察ABC三角形区域内是否存在异常信号，即可判断该区域是否存在缺陷，该方法可命名为“三角区域分析法”。

[0083] 检测结果分析：检测对象为长输管道规格Ф1219×25.7mm、钢级X80、B型套筒壁厚40mm(如图1b所示)。相控阵超声试验采用频率为5MHz，32阵元，间距为0.5mm的探头；横波楔块倾角为35°，声速为2338m/s，最大偏转范围标称值为37°～66°。对于检测结果，采用“三角区域分析法”对扫查的扇形图谱进行分析，检测焊缝内部缺陷相控阵超声检测图谱，如图8所示，若在三角形端点出现“缺陷”，不应判定为焊缝缺陷，其实为端点反射波造成(如图
8b)。检测此类焊缝时，采用相控阵超声检测技术可直观地区别该位置是否存在焊接缺陷，从而大大提高检出率，这样就很好地解决了B型套筒搭接焊缝缺陷检测难以评判的问题。

[0084] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。