基于相控陣超聲的管道環(huán)形焊縫分區(qū)檢測系統(tǒng)的研發(fā).pdf

1、管道在各個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，而焊接是管道鋪設(shè)應(yīng)用的基礎(chǔ)工藝。因此，在管道中勢必存在大量的焊縫。然而，焊縫是整個管道系統(tǒng)性能最為薄弱的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全運行，因而必須對其進(jìn)行質(zhì)量檢測和評價。目前，盡管無損檢測方法很多，但超聲無損檢測技術(shù)因其攜帶信息豐富、穿透能力強(qiáng)、分辨率高、對人體無害和易與信息技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點，已經(jīng)成為焊縫無損檢測的重要手段。但隨著管道應(yīng)用的日益增長，加之管道“上天入地”式的鋪設(shè)方式，傳統(tǒng)手工檢測方法無

2、論是檢測效率，還是檢測的可達(dá)性，都難以滿足目前管道的發(fā)展需求;另一方面，隨著超聲無損評價的興起，焊縫對定量超聲無損檢測方法具有強(qiáng)烈的需求，而考慮到焊縫的具體特點，分區(qū)檢測應(yīng)該是焊縫定量超聲無損檢測的有效手段，但由于傳統(tǒng)采用多探頭實施的分區(qū)檢測方法，其無論是在應(yīng)用適應(yīng)能力，還是在檢測性能方面，都面臨諸多挑戰(zhàn)。基于以上背景，本論文在國家自然科學(xué)基金項目“圓柱類部件高性能自動化相控陣超聲成像檢測理論與技術(shù)的研究”(No.51675480)資助

3、下，提出開展基于相控陣超聲的管道焊縫分區(qū)檢測系統(tǒng)的研發(fā)。在系統(tǒng)了解管道焊縫分區(qū)檢測和相控陣超聲成像機(jī)理以及相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，建立相控陣超聲成像理論基礎(chǔ)，確定管道焊縫相控陣超聲分區(qū)檢測系統(tǒng)總體方案，完成面向高分辨率分區(qū)檢測的相控陣聲束合成與控制、焊縫多模式超聲成像及其結(jié)果表征等關(guān)鍵技術(shù)的研究，研發(fā)出一套基于相控陣超聲的管道焊縫分區(qū)檢測系統(tǒng)，為管道環(huán)形焊縫的定量超聲無損檢測奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。本文主要的研究內(nèi)容與創(chuàng)新點在

4、于:
　　第一章論述管道物料輸運的意義及開展環(huán)形焊縫無損檢測的重要性，系統(tǒng)總結(jié)管道無損檢測相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，分析管道環(huán)形焊縫超聲無損檢測所面臨的問題，明確以基于相控陣超聲的焊縫分區(qū)檢測為本文的研究目標(biāo)，并推進(jìn)其向定量化和自動化方向發(fā)展，為后續(xù)的研究指明方向。
　　第二章根據(jù)波動方程及點源的聲場分布，在采用瑞利積分推導(dǎo)單個矩形活塞式陣元聲場理論表達(dá)式的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)相控陣活塞式超聲換能器的波束合成與控制。同時，完成

5、基于相控陣超聲的管道環(huán)形焊縫分區(qū)檢測系統(tǒng)總體方案的設(shè)計，并進(jìn)行功能模塊的劃分，明確有待解決的關(guān)鍵技術(shù)。
　　第三章開展相控陣超聲分區(qū)檢測聲場理論研究。利用角譜法分別實現(xiàn)均勻介質(zhì)內(nèi)及疊層介質(zhì)內(nèi)相控陣超聲聚焦聲場的理論計算，并明確不同相控陣換能器幾何參數(shù)對聚焦聲場的影響。同時，以焊縫各分區(qū)區(qū)域內(nèi)聲場聚焦位置為起始點，根據(jù)管道壁厚及焊縫與相控陣換能器之間的相對位置，利用費馬定理反演確定相控陣換能器中參與發(fā)射和接收的陣元序列，從而建立焊縫

6、分區(qū)檢測聲場的聚焦法則，實現(xiàn)檢測波束的合成與控制。
　　第四章開展管道環(huán)形焊縫相控陣超聲分區(qū)檢測成像的研究。在實現(xiàn)機(jī)械掃查運動和探頭耦合水控制的基礎(chǔ)上，將雙門帶狀圖、B掃查成像和TOFD成像有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)焊縫復(fù)合式超聲成像，其中雙門帶狀圖表征各個分區(qū)內(nèi)回波的位置和幅值，B掃查成像表征焊縫橫截面缺陷的分布情況，而TOFD成像主要用于凸顯檢測焊縫中心區(qū)域的小型缺陷，從而達(dá)到全面、準(zhǔn)確和定量表征焊縫缺陷的目的。
　　第五章采用分布