海底石油管線(xiàn)的相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

劉景

摘 要：相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)起源于上世紀(jì)的60年代末期，這種技術(shù)最早是被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用要晚于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著近些年來(lái)科學(xué)技術(shù)的日新月異，各種先進(jìn)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，促使相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。而將相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到海底石油管線(xiàn)的檢測(cè)之中，特別是檢測(cè)焊縫有著明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，本文首先將概述相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)內(nèi)涵，然后分析相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的基本工作原理，最后詳細(xì)闡述在海底石油管線(xiàn)應(yīng)用相控陣技術(shù)的試驗(yàn)情況，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)單位和工作人員提供有用的參考。

關(guān)鍵詞：相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)；海底石油管線(xiàn)；內(nèi)涵概述；基本原則

相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)最是源于醫(yī)學(xué)超聲，這種技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展之后，現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)晶片的激發(fā)時(shí)間進(jìn)行改變，使超聲波的波束出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和聚焦，有著扇形掃查以及線(xiàn)性?huà)卟榈容^為獨(dú)特的工作模式，相比傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)的速度更快，靈敏度也要更高。隨著對(duì)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，這種技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了工業(yè)的眾多領(lǐng)域之中，已經(jīng)成為了無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域之中重點(diǎn)技術(shù)。因此，將該技術(shù)應(yīng)用到海底石油管線(xiàn)的檢測(cè)之中，相信也能夠取得令人矚目的成績(jī)。

一、相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)概述內(nèi)涵

相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的誕生，與醫(yī)學(xué)超聲波有著直接的聯(lián)系，這種技術(shù)一經(jīng)誕生，就被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域并屬于一種保密技術(shù)。最初這種技術(shù)在使用時(shí)，每激發(fā)一個(gè)脈沖都要使用全部的晶片，而通過(guò)很多晶片的激發(fā)小的波陣面后，經(jīng)過(guò)疊加就會(huì)成為波陣面，波陣面就可以清晰的反應(yīng)出各種事物的實(shí)際情況。而經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的發(fā)展后，時(shí)基電路得到了很大的改進(jìn)，隨之誕生了一種更高級(jí)的電子控制陣列，它能夠產(chǎn)生10種不同的接收聚焦法則，這屬于相控陣技術(shù)在歷史上的重大設(shè)計(jì)創(chuàng)新[1]。它可以通過(guò)對(duì)換能器陣列中的各個(gè)陣元接受或者是激勵(lì)的時(shí)間延遲，就能夠有效的改變陣元發(fā)射或者是接受的聲波到達(dá)物體內(nèi)某個(gè)點(diǎn)的相位關(guān)系，這樣就能夠使聲束方位和聚焦點(diǎn)出現(xiàn)變化，從而能夠完成聲成像技術(shù)。而到了20世紀(jì)，德國(guó)的西門(mén)子公司基于相控陣技術(shù)，又開(kāi)發(fā)出了三維成像系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制作出了三維掃描儀，這種儀器能夠利用常規(guī)超聲波換能器生成圖像，這種圖像在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著十分顯著的作用。[2]

二、相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的基本工作原理

相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理則是基于惠更斯-菲涅耳（huygens）原理，這種技術(shù)可以說(shuō)是對(duì)傳統(tǒng)的單晶片超聲檢測(cè)的特殊應(yīng)用，而huygens原理的定義就是：一個(gè)行進(jìn)波陣面上的每一個(gè)點(diǎn)，都能夠被視為新的次波源。所以，如果我們能夠切實(shí)的掌握任意時(shí)刻的波陣面位置，那么就能夠有效的繪制出接下來(lái)波陣面的位置。但是，還需要對(duì)主波的波陣面充分的率，才能夠更好的應(yīng)用其他的超聲處理措施，比如焦點(diǎn)計(jì)算、近場(chǎng)區(qū)計(jì)算以及發(fā)散性等計(jì)算。

由于相控陣探頭能夠?qū)τ邢嗤煺剐巫兊膲弘姴牧鲜┘酉嗤碾妷海欢涮筋^面是由很多的小晶片所組成的，而不是單一的晶片。而這些晶片都是通過(guò)同種類(lèi)型的連接導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行連接，將全部的晶片統(tǒng)一的安裝到背襯上面。因此，全部晶片都會(huì)被同樣的電壓所激發(fā)，全部的晶片就會(huì)統(tǒng)一的形變伸展，這樣的效果就相當(dāng)于在激勵(lì)相同尺寸的單一晶片，而多個(gè)晶片會(huì)在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，被施加電壓所激發(fā)，因?yàn)榫某叽绮⒉皇呛艽螅恳粋€(gè)獨(dú)立的晶片所發(fā)射的超聲波等能夠形成一種獨(dú)立的曲 面型的波陣面，那么全部的晶片在同一的時(shí)間里被激發(fā)，則可以形成更大的波陣面[3]。

三、海底石油管線(xiàn)應(yīng)用相控陣技術(shù)的試驗(yàn)情況

（一）試驗(yàn)材料和涉筆

為了確認(rèn)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)在檢查海底石油管道中，能否取得與全自 動(dòng)超聲波相同或者是接近的檢測(cè)能力，特別選擇選擇海上石油管道焊縫已經(jīng)經(jīng)過(guò)全自動(dòng)超聲波進(jìn)行檢測(cè)過(guò)的部位，再使用手持相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)，如果手持相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果與全自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果相符或者差別不大，那么就能夠確認(rèn)手持相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備可以應(yīng)用與檢測(cè)海上石油管道之中[4]。

本次實(shí)驗(yàn)中選擇的試驗(yàn)管道的管徑為305毫米，管壁的厚度為13毫米，在試驗(yàn)管道共設(shè)計(jì)了上下對(duì)稱(chēng)的八個(gè)缺陷，在其中間部位則又增加了一個(gè)通槽，全部的人工缺陷為十七個(gè)。缺陷的具體情況如下：根部槽缺陷，起始位置為0毫米，長(zhǎng)度15毫米，深度11.7毫米；填充區(qū)1平底孔缺陷，起始位置為25毫米，深度10毫米；填充區(qū)2平底孔缺陷，起始位置為40毫米，深度7毫米；填充區(qū)3平底孔缺陷，起始位置為55毫米，深度4毫米；填充區(qū)4平底孔缺陷，起始位置為70毫米，深度1.4毫米；體積通道1平底孔缺陷，起始位置為85毫米，深度8毫米；體積通道2平底孔缺陷，起始位置為100毫米，深度4毫米；蓋帽槽缺陷，起始位置為125毫米，長(zhǎng)度15毫米；通槽缺陷，起始位置為195毫米，長(zhǎng)度5毫米；蓋帽槽缺陷，起始位置為255毫米，長(zhǎng)度15毫米；體積通道2平底孔缺陷，起始位置為295毫米，深度4毫米；體積通道1平底孔缺陷，起始位置為310毫米，深度8毫米；填充區(qū)4平底孔缺陷，起始位置為325毫米，深度1.4毫米；填充區(qū)3平底孔缺陷，起始位置為340毫米，深度4毫米；填充區(qū)2平底孔缺陷，起始位置為355毫米，深度7毫米；填充區(qū)1平底孔缺陷，起始位置為370毫米，深度10毫米；根部槽缺陷，起始位置為380毫米，長(zhǎng)度15毫米，深度11.7毫米。

（二）試驗(yàn)裝置和方法

對(duì)焊縫兩側(cè)的雙PA探頭通過(guò)非平行掃查技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，掃查的角度則分別是40度到70度。在對(duì)管道的聲速、靈敏度以及楔塊延遲進(jìn)行校準(zhǔn)后，還要制作深度要超過(guò)2倍以上板厚的TCG曲線(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)使用ESBTOOL軟件對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行模擬和設(shè)置，保證相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)缚p及其熱影響區(qū)完全覆蓋，結(jié)合模擬計(jì)算的記過(guò)，設(shè)置合適的檢測(cè)行走參考線(xiàn)，然后開(kāi)始試驗(yàn)。

（三）試驗(yàn)結(jié)果與分析

從表1中我們可以得出：手持相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果與全自動(dòng)超聲波的檢測(cè)結(jié)果完全相同，檢測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá)100%。這說(shuō)明手持相控陣超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確率很高。并且，相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)缺陷的誤差很小，而這些微小的缺陷基本上可以忽略不計(jì)，這說(shuō)明相控陣超聲波檢測(cè)完全能夠滿(mǎn)足海底石油管線(xiàn)的檢測(cè)工作[5]。

表1 全自動(dòng)超聲波校準(zhǔn)試驗(yàn)管道后的人工人工缺陷

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)海底石油管道的焊接部位開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)的方法也有了很大的進(jìn)步，自從進(jìn)入新世紀(jì)，海洋石油工程公司就引進(jìn)了全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)也是公司的核心檢測(cè)技術(shù)，對(duì)各個(gè)相關(guān)項(xiàng)目的檢出率和精確度都有著很好的保證。而隨著相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，相比全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)有著更為明顯的優(yōu)勢(shì)，所以為了能夠確認(rèn)該技術(shù)的準(zhǔn)確性，能否有效的取代全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)始了本次實(shí)驗(yàn)，而本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)100%，是一種準(zhǔn)確率和效率都很高技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭偉， 楊嘯， 王玉偉. 海底石油管線(xiàn)的相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)， 2017（1）：44-46.

[2]彭偉， 尤衛(wèi)宏， 張俊杰，等. 海底石油管線(xiàn)焊縫全自動(dòng)超聲波檢測(cè)與射線(xiàn)檢測(cè)的技術(shù)比較[J]. 焊接技術(shù)， 2017（4）：83-86.

[3]陳永剛， 王猛， 逄培榕，等. 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在海底管線(xiàn)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)造船， 2017（a01）：444-448.

[4]蔣承君， 姚歡， 熊慶人，等. 管道對(duì)接環(huán)焊縫的相控陣檢測(cè)技術(shù)[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 2017（2）：62-64.

[5]張振鵬， 陳文峰， 張淑艷. 正態(tài)分布法在已建海底輸油管道總傳熱系數(shù)校核中的應(yīng)用[J]. 石油和化工設(shè)備， 2017， 20（11）：50-52.