基于相控阵技术的压力管道检验

1 前言

当前，压力管道运行工况日趋严苛，常规检测手段已无法适应当代工业对检测效能与精确度的需求。基于此，开展无损检测技术的系统研究与实践应用，可显著提升检测过程的科学性和缺陷判定的时效性。针对压力管道无损检测方法的专项研究，既具备重要的学术价值，又能推动行业技术规范体系的构建，从而全面提升检验技术水平。建立系统化的无损检测标准框架，将为压力管道安全评估提供可靠的技术支撑，并有效促进该领域技术的创新突破与推广应用。

2 相控阵检测系统构成

2.1 超声发射与接收单元

超声发射与接收单元负责产生激励相控阵探头的高压电脉冲信号，并接收探头返回的微弱超声回波信号。发射部分通常由脉冲发生器组成，能够产生具有一定幅度、宽度和重复频率的高压脉冲，以激励相控阵探头的阵元发射超声波。接收部分则包括前置放大器、主放大器和信号采集模块等。前置放大器用于对探头接收到的微弱信号进行初步放大，减少信号传输过程中的噪声干扰；主放大器进一步对信号进行放大，使其达到适合采集和处理的幅度范围；信号采集模块将放大后的模拟信号转换为数字信号，以便后续进行数字信号处理和分析。

2.2 控制系统

控制系统是相控阵检测系统的核心控制部分，它负责协调和控制整个检测过程。控制系统通过计算机软件实现，操作人员可以在软件界面上设置各种检测参数，如探头类型、阵元数量、声束偏转角度、聚焦深度、扫描方式、检测灵敏度等。软件根据操作人员设置的参数，生成相应的控制指令，控制超声发射与接收单元的工作，以及相控阵探头的扫查动作（如果采用自动扫查装置）。

2.3 数据处理与显示单元

数据处理与显示单元对采集到的超声回波数据进行各种处理和分析，以提取有用的缺陷信息，并将检测结果以直观的方式显示出来。数据处理算法包括信号滤波、增益补偿、缺陷特征提取、成像算法等。信号滤波用于去除噪声干扰，提高信号的信噪比；增益补偿根据超声波在管道中的传播衰减特性，对不同深度处的回波信号进行增益调整，使整个检测范围内的信号幅度保持相对一致；缺陷特征提取算法通过对回波信号的幅度、相位、频率等特征进行分析，提取出能够表征缺陷类型、大小和位置的特征参数；成像算法则将处理后的超声回波数据转换为直观的图像，如常见的 A扫描图像（显示单个超声脉冲回波信号随时间的变化）、B 扫描图像（显示沿超声传播方向的截面图像）、C 扫描图像（显示垂直于超声传播方向的平面图像）以及全聚焦成像（TFM）图像等，帮助检测人员更清晰地观察和分析管道中的缺陷情况。检测结果可以在计算机显示器上实时显示，也可以通过打印机输出或存储到计算机硬盘中，以便后续查阅和分析。

3 相控阵技术对压力管道缺陷的检测能力分析

3.1 缺陷类型及特点

压力管道在服役过程中可能产生的缺陷类型多种多样，常见的缺陷类型包括裂纹（如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等）、腐蚀缺陷（均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀等）、未焊透、未熔合以及壁厚减薄等。裂纹属于面积型缺陷，具有尖锐的尖端，对管道的强度和安全性危害极大，裂纹的扩展可能导致管道突然破裂；腐蚀缺陷会使管道壁厚减薄，降低管道的承载能力，严重时也可能引发管道泄漏或破裂事故；未焊透和未熔合是焊接过程中产生的缺陷，会影响焊缝的连接强度；壁厚减薄可能是由于内部介质的冲刷、腐蚀或外部机械损伤等原因引起的，会导致管道局部强度不足。不同类型的缺陷具有不同的几何形状、尺寸和声学特性，这对相控阵技术的检测能力提出了不同的挑战。

3.2 检测能力分析

3.2.1 裂纹检测

相控阵技术对裂纹缺陷具有较高的检测灵敏度。由于裂纹具有尖锐的尖端，当相控阵声束照射到裂纹时，会在裂纹尖端产生强烈的反射和散射信号。通过合理设置声束的偏转角度和聚焦深度，可以从不同方向对裂纹进行检测，获取裂纹的长度、深度和走向等信息。例如，采用线性相控阵探头对管道环焊缝中的裂纹进行检测时，可以通过调整声束偏转角度，使声束垂直入射到裂纹平面，从而获得最大的裂纹回波信号幅度。同时，结合全聚焦成像（TFM）等先进的成像技术，可以清晰地显示裂纹的形状和位置，为裂纹的评估和修复提供准确依据。

3.2.2 腐蚀缺陷检测

对于腐蚀缺陷，相控阵技术可以通过检测管道壁厚的变化来判断腐蚀的程度和范围。当管道发生腐蚀导致壁厚减薄时，超声回波信号的传播时间和幅度会发生相应变化。通过分析不同位置处超声回波信号的这些变化，并利用相关的算法进行计算，可以精确测量出管道壁厚的减薄量，从而确定腐蚀缺陷的大小和分布情况。相控阵技术还可以通过对腐蚀区域进行多角度扫描，获取更全面的腐蚀信息，提高对腐蚀缺陷检测的准确性和可靠性。例如，采用环形相控阵探头对管道外壁的腐蚀缺陷进行检测时，可以实现对管道周向的全方位扫描，快速发现大面积的腐蚀区域，并准确测量腐蚀部位的壁厚。

3.2.3 未焊透和未熔合检测

未焊透和未熔合缺陷通常位于焊缝内部，相控阵技术能够利用其声束聚焦和多角度扫描的特性对这些缺陷进行有效检测。通过调整声束的聚焦位置，使其聚焦在焊缝内部的不同深度处，同时结合声束的偏转，从不同角度对焊缝进行扫查，可以检测到未焊透和未熔合缺陷的存在，并确定其位置和尺寸。相控阵检测系统采集到的超声回波信号经过数据处理和成像后，可以清晰地显示出未焊透和未熔合缺陷的形状和边界，帮助检测人员准确判断缺陷的性质和严重程度。

4 结束语

压力管道广泛应用于石油、化工、电力等行业，长期服役中易因介质腐蚀、冲刷及环境因素产生裂纹、壁厚减薄等缺陷，若未及时检测可能引发泄漏、破裂等事故。传统检测方法中，射线检测对面积型缺陷灵敏度低且有辐射风险，常规超声检测依赖机械调整探头角度，难以适配管道复杂结构。相控阵技术通过多阵元独立控制，可灵活调控声束参数，实现多角度、多深度扫查，为压力管道无损检测提供了更优技术路径，其理论研究对提升管道检验可靠性具有重要意义。

参考文献：

[1]李娟娟.无损检测技术在压力管道检验中的运用研究[J].中国厨卫,2023, 22(4):249-251.

[2]王亮亮.无损检测技术在压力管道检验中的综合应用研究[J].户外装备, 2023:277.