基于多尺度超聲成像的缺陷識別與量化分析

摘 要 基于超聲波能量衰減、傳播路徑等規(guī)律對管體賦存缺陷的形狀、材質(zhì)、構(gòu)型進(jìn)行研究。利用回波信號特征開展多尺度超聲成像機(jī)理分析，提取缺陷的靈敏維度特征，可快速實(shí)現(xiàn)缺陷識別與定量檢測，提高超聲自動檢測精度，降低誤判率。

關(guān)鍵詞 超聲成像 海底管道 特征識別 定量檢測

中圖分類號 TP274+.53"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B"" 文章編號 1000-3932（2024）05-0929-06

超聲成像的基本原理是利用超聲波在不同物質(zhì)之間的介質(zhì)特性差異及其在物質(zhì)內(nèi)部的傳播特性產(chǎn)生掃查圖像，實(shí)現(xiàn)檢測對象的定量無損評價。20世紀(jì)90年代，管道超聲自動成像檢測技術(shù)開始逐漸應(yīng)用于工程檢測領(lǐng)域。1998年，美國ASTM和API頒布了相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，并制訂了無損檢測領(lǐng)域的相關(guān)法律法規(guī)［1］。近年來，相控陣超聲成像憑借檢測孔徑柔性可變、檢測角度動態(tài)可調(diào)、攜帶信息豐富及成像表征友好等特性，被廣泛應(yīng)用于設(shè)備的缺陷檢測評價、質(zhì)量監(jiān)控及在役監(jiān)測等領(lǐng)域，在檢測效率、掃查范圍及靈敏度等方面技術(shù)優(yōu)勢凸出，極大地推動了超聲定量無損評價技術(shù)的發(fā)展［2］。目前相控陣超聲成像技術(shù)機(jī)理及工程應(yīng)用依然是檢驗(yàn)檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，隨著檢測理論的逐步完善，其成像表征方式將日趨多樣化。

1 超聲成像原理

超聲成像原理如圖1所示，通過設(shè)置閾值閘門完成A掃信號中管道內(nèi)壁回波識別與時刻標(biāo)記，閾值設(shè)置大小取決于超聲回波中的環(huán)境噪聲水平。設(shè)置時間閘門一、時間閘門二拾取時間閘門內(nèi)最大幅值確定管道外壁一次回波、二次回波的到達(dá)時間，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮完成特定時間內(nèi)回波信息存儲，利用相鄰回波時間差計算檢測點(diǎn)位的剩余壁厚。提取固定檢測線上相鄰檢測點(diǎn)內(nèi)壁回波和外壁回波的到達(dá)時間，以檢測點(diǎn)位置為橫坐標(biāo)，不同檢測點(diǎn)內(nèi)壁回波和外壁回波到達(dá)時間為縱坐標(biāo)，則可以得到固定檢測線上的B掃圖像；不同檢測點(diǎn)的剩余壁厚用不同顏色表示則可以得到整個管道平面的C掃圖像［3，4］。

2 超聲內(nèi)檢測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以漏磁、超聲及渦流等為代表的管道內(nèi)檢測技術(shù)，在管道內(nèi)外腐蝕、裂紋檢測方面提供了有效的解決方案，也是目前獲得管道完整性數(shù)據(jù)最好的手段之一［5］。由于起步較晚，國內(nèi)管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)主要依靠國外公司，服務(wù)費(fèi)用居高不下，同時管道信息被國外公司掌握，會造成管線信息泄漏，給國家和企業(yè)帶來安全隱患。

2012年起中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司相繼開展了漏磁內(nèi)檢測器、超聲內(nèi)檢測器的頂層設(shè)計及配套研制工作，致力于海底管道內(nèi)外檢測裝備開發(fā)、數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。2019年至今自主開發(fā)的超聲內(nèi)檢測系列設(shè)備在大變徑管道、含垢管道、長輸管道及混輸管道等復(fù)雜工況下各項指標(biāo)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)建成集設(shè)備運(yùn)維聯(lián)調(diào)、檢測作業(yè)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理分析和檢測/評估報告出具的自主可控產(chǎn)業(yè)鏈。

圖2為壓電超聲內(nèi)檢測器樣機(jī)示意圖，該檢測器適用于12英寸海底管道（外徑323.9 mm）。檢測器由4個檢測節(jié)構(gòu)成：電池節(jié)、里程姿態(tài)節(jié)、電子艙和探頭節(jié)。節(jié)與節(jié)之間采用萬向節(jié)相連，保證檢測器曲率半徑為3D（D為管道外徑）的彎頭的通過性能。4個檢測節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)完全水密封，能適應(yīng)海底管道內(nèi)的高溫高壓環(huán)境［6，7］。

本研究中的數(shù)據(jù)分析將以上述樣機(jī)結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)展開，檢測器各檢測節(jié)功能如下：

a. 電池節(jié)。電池節(jié)由直流電池組構(gòu)成，用于為整臺設(shè)備提供能量，直接決定了設(shè)備單次檢測最大時長。為了保證電池組的檢測作業(yè)時間，設(shè)備設(shè)計有外部電源供電接口，當(dāng)進(jìn)行調(diào)試作業(yè)或者數(shù)據(jù)下載時，可以切換為外部電源供電模式，以提高電池組的使用壽命。

b. 里程姿態(tài)節(jié)。里程姿態(tài)節(jié)由里程記錄模塊和姿態(tài)測量模塊構(gòu)成。里程記錄模塊每3.3 mm產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號，經(jīng)3路里程觸發(fā)脈沖優(yōu)選生成系統(tǒng)同步控制脈沖，控制超聲電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)超聲波即時激勵。姿態(tài)測量模塊由陀螺儀、旋轉(zhuǎn)編碼器等零部件構(gòu)成，用于測量檢測器運(yùn)行過程中的傾角、航向角、旋轉(zhuǎn)角信息，輔助判斷檢測出缺陷的周向位置。

c. 電子艙。電子艙是整臺設(shè)備的控制中心，主要用于超聲波循環(huán)激勵、接收、壓縮存儲，由于超聲檢測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)高于其他內(nèi)檢測技術(shù)，因此高效的數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)壓縮處理算法是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。根據(jù)目前電子器件的信號處理能力，檢測器每秒可以對128個探頭通道的數(shù)據(jù)量進(jìn)行1 000次采集，一次采集需要耗時1 ms，內(nèi)檢測器實(shí)際能夠滿足最大3.3 m/s的運(yùn)行速度。

d. 探頭節(jié)。檢測器的探頭節(jié)由8個檢測臂組成，檢測臂是由聚氨酯材料加工成型的柔性結(jié)構(gòu)，各檢測臂間采用彈簧片連接，用于保證探頭架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。每個檢測臂上安裝有16個測厚探頭，整個探頭節(jié)共安裝有128個探頭，檢測臂與管道軸向呈一定角度分布，實(shí)現(xiàn)管道圓周方向全覆蓋。檢測器可測壁厚范圍為3～30 mm，當(dāng)進(jìn)行最薄壁厚為3 mm的管道檢測時，檢測臂依然能夠保證5%的過盈量，因此探頭架在壁厚變化時也能穩(wěn)定地貼合在管道內(nèi)壁上，確保檢測數(shù)據(jù)的可靠性［8，9］。

3 超聲內(nèi)檢測缺陷識別與量化分析

實(shí)際管道往往自然腐蝕缺陷居多，缺陷形貌更為復(fù)雜，缺陷區(qū)域不同位置腐蝕深度不一，超聲波聲束一部分經(jīng)管壁內(nèi)表面直接反射回探頭，另外部分則經(jīng)缺陷表面反射并透射進(jìn)入管壁，經(jīng)多次反射后分別被探頭接收，容易產(chǎn)生多次反射波混淆導(dǎo)致對管道剩余壁厚的誤判［10～12］。同時自然腐蝕缺陷中往往存在垢層或者腐蝕產(chǎn)物，由于垢層表面凹凸不平，超聲波傳播至垢層處大部分能量會被散射，無法繼續(xù)穿透垢層到達(dá)管道外壁，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷漏檢或者尺寸量化偏差。基于超聲波能量衰減、傳播路徑等規(guī)律對管體賦存缺陷的形狀、材質(zhì)和構(gòu)型進(jìn)行研究，利用回波信號特征開展多尺度超聲成像機(jī)理分析，提取缺陷的靈敏維度特征，實(shí)現(xiàn)缺陷的精細(xì)識別分析。

3.1 A掃波形成像機(jī)理

A掃波形是超聲回波信息的本質(zhì)表征，其中包含回波到達(dá)時間、回波幅值、回波類型及回波反射次數(shù)等關(guān)鍵信息，提取不同點(diǎn)位回波信號特征量可以生成豐富的B掃、C掃圖譜，輔助缺陷區(qū)域精細(xì)識別分析，不同腐蝕深度缺陷的A掃回波信號如圖3所示。

圖3中的始脈沖波是超聲內(nèi)檢測器的發(fā)射波，該發(fā)射波經(jīng)管道內(nèi)壁反射回探頭所用時間為t，發(fā)射波透射穿入管道內(nèi)壁經(jīng)管道外壁反射回探頭所用時間為t，則管道壁厚為（t-t）×V鋼/2，其中V鋼為超聲縱波在鋼管中的傳播速度。其中1號回波為探頭在管道正常壁厚位置測得，2號、3號回波分別為探頭在缺陷不同深度位置測得，隨著缺陷深度的增加，缺陷表面回波到達(dá)探頭時間會逐漸延后，其中t～t～t～t～t時間區(qū)間依次對應(yīng)深度為0%～25%～50%～75%～100%管道壁厚的缺陷表面回波到達(dá)時間（適用于V=4V，其中V為常溫常壓下超聲縱波在水中的傳播速度）。因此在缺陷檢測過程中，在缺陷深度不均勻位置，傳統(tǒng)基于幅值檢測的閘門設(shè)置方法會漏掉局部深度較大的缺陷點(diǎn)，特別是當(dāng)缺陷尺寸小于探頭尺寸時，還會發(fā)生缺陷漏檢現(xiàn)象。隨著缺陷區(qū)域腐蝕深度的增加和深度不均勻程度的加劇，A掃描波形中會出現(xiàn)回波富集區(qū)域，充分挖掘回波富集區(qū)域的回波信號特征，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷區(qū)域精細(xì)識別與準(zhǔn)確量化。

實(shí)際油氣管道中有常見的體積型金屬損失類缺陷，也有裂紋、夾層面積型缺陷，還有夾渣、材質(zhì)異常、結(jié)構(gòu)異常等微觀、宏觀類缺陷，不同的閘門設(shè)置方法對不同類型缺陷的檢出效果不同，應(yīng)根據(jù)具體檢測環(huán)境和檢測目的進(jìn)行適應(yīng)性閘門設(shè)置。

3.2 B掃描圖譜成像機(jī)理

A掃描波形受賦存缺陷材質(zhì)、形狀、大小的影響較大，難以適應(yīng)復(fù)雜缺陷的有效識別與定量檢測，無法滿足在線檢測的成像實(shí)時性要求。B掃描圖譜是通過將固定檢測線上各檢測點(diǎn)的A掃描波形中時間特征、幅值特征提取出來，以不同的視角呈現(xiàn)缺陷不同維度的靈敏度特征，具有快速、區(qū)域成像能力，如圖4所示。

圖4a為管道內(nèi)缺陷軸向B掃描圖譜，內(nèi)缺陷表面回波到達(dá)時間相對管道正常壁厚位置產(chǎn)生明顯延后，因此在圖4b管道圓周方向B掃描圖譜中內(nèi)缺陷位置會相應(yīng)出現(xiàn)管道內(nèi)徑增大的現(xiàn)象。而外缺陷位置管壁內(nèi)表面回波不會有明顯變化，其管壁外表面回波到達(dá)時間相對正常管壁位置則會產(chǎn)生明顯提前。當(dāng)探頭途經(jīng)管體凹陷變形位置時，由于探頭提離值變小，管壁內(nèi)、外表面回波到達(dá)時間相對管道正常位置均會明顯提前，如圖4c、d所示。當(dāng)超聲波聲束傳播途中遇到雜質(zhì)時，聲束在到達(dá)管壁前即返回探頭，此時回波到達(dá)時間將早于管壁內(nèi)表面回波到達(dá)時間，在B掃描圖譜上呈現(xiàn)為零星的“漂浮”在管道內(nèi)壁面以上的孤立噪點(diǎn)，如圖4a所示。因此B掃描成像在超聲在線實(shí)時檢測方面具有明顯優(yōu)勢，能夠快速拾取異常回波信息，輔助缺陷剖面特征精細(xì)分析。

3.3 C掃描圖譜成像機(jī)理

B掃描圖譜呈現(xiàn)的是管壁剖面特征變化，C掃描圖譜則是整個管道平面上的特征變化表征，可以較為清晰地展現(xiàn)缺陷形狀、缺陷位置及附件類型等信息，輔助管道腐蝕機(jī)理分析。例如，當(dāng)缺陷主要分布在管道底部時，管體金屬傾向于水溶性離子腐蝕或垢沉積腐蝕；當(dāng)缺陷分布與管道起伏位置密切相關(guān)時，管體腐蝕則傾向于沖蝕；當(dāng)管體缺陷表面形狀為圓形、剖面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則的錐形時，更傾向于細(xì)菌腐蝕。

C掃描圖譜有豐富的變換形式，圖5用不同顏色代表管體不同位置的剩余壁厚，可以得到管體壁厚彩色圖，缺陷部位壁厚因腐蝕減薄會呈現(xiàn)出異于管體正常壁厚的顏色，因此缺陷表面輪廓可以相對清晰地呈現(xiàn)出來。實(shí)際管體缺陷中一般都存在腐蝕產(chǎn)物，或者當(dāng)管體僅僅發(fā)生變形而壁厚未發(fā)生變化時，壁厚彩色圖會誤判或漏檢管體異常信息，此時應(yīng)引入以探頭與管道內(nèi)壁面提離值為刻度的彩色圖，用于識別管體變形缺陷、量化缺陷腐蝕深度、評估管道垢沉積度等。此外，管體缺陷、材質(zhì)異常等位置由于表面不平整或者晶粒分布差異，會導(dǎo)致部分超聲波散射，基于超聲波能量衰減特性還可以生成以管壁回波幅度為刻度的彩色能量圖，用于輔助管體聲能異常區(qū)域識別。

4 結(jié)束語

管道內(nèi)檢測技術(shù)是目前獲取管道完整性評價數(shù)據(jù)最有效的途徑。超聲檢測缺陷檢測精度較高，在管道剩余強(qiáng)度評價方面具有先天優(yōu)勢。筆者利用回波信號特征開展多尺度超聲成像機(jī)理分析，通過提取缺陷的靈敏維度特征實(shí)現(xiàn)缺陷識別與定量檢測，主要結(jié)論如下：

a. 綜合利用A掃波形、B掃圖像、C掃圖像進(jìn)行缺陷多維度分析，能夠有效實(shí)現(xiàn)內(nèi)外缺陷識別和缺陷精細(xì)分類，提高超聲檢測精度，輔助管道腐蝕機(jī)理分析；

b. 實(shí)際工業(yè)檢測環(huán)境復(fù)雜，建立超聲檢測管件、缺陷特征數(shù)據(jù)庫，基于機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)實(shí)現(xiàn)管件及缺陷實(shí)時在線檢測是后續(xù)重要的研究課題。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-12-10，修回日期：2024-07-15）