球罐焊縫TOFD+相控陣自動化檢測系統的開發和應用

王成睿 彭國平 張在東 姜再佳

（廣州特種承壓設備檢測研究院 廣州 510663）

球罐在石油、化工等行業被大量應用，由于球罐容積通常較大，且存儲的介質種類繁多，一旦發生安全事故，將會造成巨大損失[1]。

超聲和射線是當前檢測球罐焊縫內部缺陷的2種主要檢測技術，射線檢測技術由于檢測成本高、操作困難、輻射危害大等缺點，在目前的承壓設備檢測中的應用逐漸減少[2]。近年來，隨著超聲成像檢測技術的不斷發展，很多快速掃查成像技術不斷涌現。最主流的焊縫快速自動化掃查成像方法包括TOFD和PA[3]。

本文將TOFD和相控陣技術集成在一起，從自動掃查車各模塊的設計制作著手，實現焊縫的快速自動掃查。該方法有效彌補了TOFD技術表面盲區和相控陣技術缺陷定量困難的不足，且檢測靈敏度和缺陷檢出率比常規方法都有很大的提高。本研究成果還可以實現球罐在線檢驗，為企業節省了檢驗中的高空腳手架架設、跳板鋪設、停車開罐等一系列措施帶來的經濟損失。

1 技術原理

1.1 相控陣檢測技術

數量眾多且獨立的小壓電晶片（陣元）按照一定規律構成了相控陣超聲探頭。圖1中各小壓電晶片發射出特定波形、波幅和相位延遲的信號，各信號之間相互作用，最終達到聚焦和聲束偏轉等效果。相控陣檢測的顯示結果，是利用回波到達各壓電晶片存在時間差，然后采用延時補償的方法對接收信號進行處理，使得某一方向上的回波增強，其余方向上的信號減弱[4]。

圖1 相控陣檢測聲束聚焦及聲束偏轉原理

1.2 衍射時差技術

波在傳播過程中碰到障礙物，繞過障礙物并且傳播方向發生改變，便產生了衍射波[5]。衍射和反射現象通常會同時發生，并且衍射信號通常會比反射信號弱，且指向性不明顯。圖2中超聲波作用在缺陷上時，缺陷的上端點和下端點都會產生衍射波，通過衍射波的相位變化和聲速距離計算，可以較準確地得出缺陷深度、長度和自身高度等信息。

圖2 TOFD技術原理

相控陣超聲檢測具有靈活多變的特點，實際檢測中可以自由的變換聲束角度和聚焦深度，對缺陷的性質判斷較為準確，但在缺陷自身高度定量及缺陷相對于焊縫中心線的偏離距離檢測尚有不足。TOFD檢測精度高，回波不受缺陷的方向影響，對缺陷深度、高度的定量非常精確，但存在表面盲區的影響。在實際檢測中將兩者相結合可有效實現技術互補。

2 關鍵技術介紹

2.1 爬行器左右輪差速模式原理

通過爬行器兩側車輪差速運行，可讓TOFD和相控陣掃查裝置沿球罐環焊縫線性運行，完成對球罐焊縫TOFD和相控陣的檢測。圖3中當掃查裝置兩側車輪位于球罐環焊縫上下兩側時，此時上下兩側車輪所處的圓弧外徑并不相同，可根據上側輪所在小圓弧Ru與下側輪所在大圓弧Rd的半徑之比計算出修正比值C（C=Ru/Rd），通過控制爬行器兩側車輪的獨立驅動電機，使兩側行進輪的線速度比值（v1/v2）也為C，即可保證兩側行進輪的角速度相同，從而實現掃查裝置沿球罐環焊縫線性運行。

圖3 環向焊縫運動軌跡數學模型

2.2 無線圖像傳輸及無線控制

爬行器的控制分為有線控制模式和無線控制模式，由于球罐結構尺寸比較大，無線控制模式更方便檢測操作者移動，使操作控制更機動靈活，便于操作者操控以及對罐體表面焊縫進行宏觀檢查。

無線控制模式以安卓端手機軟件作為客戶端，負責與控制工業平板電腦服務端通訊，獲取視頻圖像和發送控制指令。手機端圖像有效傳輸距離、控制數據有效傳輸距離均超過30 m，可以實現實時查看、控制。數據傳輸鏈路及手機無線控制見圖4。

圖4 數據傳輸示意圖及手機無線控制

2.3 板卡數據無線傳輸

本文的超聲檢測采集端為前置板卡，前置板卡外觀見圖5（a）。板卡和掃查架探頭集成在一起，板卡軟件接收數據時，板卡數據處理模塊先通過有線傳輸的方式將數據發送給板卡的無線模塊，無線模塊將數據傳輸給上位機的板卡軟件，無線傳輸實現原理圖見圖5（b）。該方法有效避免了因常規機器數據線過長導致的信號不穩定及衰減，檢驗人員通過觀察筆記本電腦軟件界面就可以實現TOFD及相控陣數據的觀察評判。

圖5 板卡及板卡無線傳輸原理圖

3 現場檢測應用及結果分析

采用本文研制的超聲相控陣+ TOFD智能爬行檢測系統，對某石化企業1臺在用球罐進行現場檢測試驗。球罐相關信息見表1，球罐檢測現場見圖6。

圖6 自動化檢測系統檢測現場

表1 球罐相關信息

3.1 檢測參數設置

無線板卡系統基本設置。選擇無線網絡即可，無線網絡可選擇筆記本電腦自帶無線網絡和無線路由器網絡。

板卡軟件參數設置。檢測工件為平板對接焊縫，母材厚度為33 mm，材料為壓力容器鋼Q370R，工件橫波聲速為3 240 m/s，縱波聲速為5 890 m/s。確定聲束覆蓋后，將探頭楔塊按模擬圖示標識參數布置探頭，將相控陣探頭放置在掃查架前臂夾持位置，探頭端面距離焊縫中心線60 mm。將TOFD探頭放置在掃查架后臂夾持位置，兩探頭端面距離88 mm。前后臂夾持位置相距103 mm，由于先掃查的為2個相控陣通道，所以2個相控陣通道的掃查偏置設置為103，TOFD通道掃查偏置設置為0。

差速設置。球罐半徑SR=6200 mm，環焊縫半徑R0=4386 mm（周長27545 mm)，輸入軟件得出兩邊輪速度為19.9 mm/s和19.2 mm/s。

3.2 檢測掃查過程

設置車載無線超聲相控陣板卡參數、計算爬行器差速后，先將爬行器吸附在球罐的下半球，調整好探頭與工件表面耦合，啟動電動耦合裝置給探頭供水耦合；確認耦合沒問題后控制爬行器運動至環向焊縫，掃查車兩端探頭對準焊縫居中，啟動差速模式對環焊縫進行掃查，掃查完畢保存超聲檢測數據。

3.3 性能參數比對

現場差速掃查過程的2個不同位置見圖7。從圖7可以看出在掃查過程中兩端探頭并未偏離焊縫，表明差速設置滿足爬行器的現場檢測要求。

圖7 爬行器沿球罐焊縫掃查

本文研發的超聲成像檢測系統掃查檢測結果見圖8。從現場采集回來的數據能看到焊縫底部的結構回波，也能發現焊縫中存在的細小缺陷。利用便攜機對同一位置焊縫的檢測數據見圖9，從2個檢測數據對比可以看出檢測信號信噪比相當，均可滿足檢測要求。

圖8 超聲成像系統檢測結果

圖9 便攜式儀器檢測結果

4 結束語

針對在役球罐等大型設備的焊縫檢測，本文研發的超聲成像檢測系統采用爬行器差速、遠程手機端控制技術及前端采集數據無線傳輸等關鍵技術，有效解決了球罐等大型設備焊縫自動檢測的難題。該技術具有較高的檢測靈敏度，可以節省常規檢測中大量的腳手架搭設成本，降低檢驗人員登高風險，具有很好的推廣應用前景。