超声相控阵技术的工业管道焊缝缺陷定量检测及评定方法

摘要：工业管道在能源和化工等领域起着特别关键的作用，其焊缝质量直接关联到整个系统能否安全运行，焊缝中存在的气孔、夹渣、未焊透以及裂纹等缺陷，要是没得到精准量化评估，可能在长期运行时因应力集中慢慢扩展，进而引发泄漏甚至爆炸之类的事故，传统超声检测技术有着检测角度固定和缺陷定位精度低等局限，很难满足现代工业对于管道焊缝检测的高要求，超声相控阵技术凭借波束可控性、成像直观性和定量精度高等优势，成为工业管道焊缝质量评估的重要方式。

关键词：超声相控阵技术；工业管道；焊缝缺陷；定量检测；评定方法

Abstract: Industrial pipelines play a pivotal role in energy and chemical sectors, where weld quality directly determines system safety. Defects like porosity, slag inclusion, incomplete penetration, and cracks in welds—if not precisely quantified—may gradually propagate through stress concentration during prolonged operation, potentially causing leaks or even explosions. Traditional ultrasonic testing, constrained by fixed angles and low defect localization accuracy, struggles to meet modern industrial demands. Ultrasonic phased array technology, with its controllable beam, intuitive imaging, and high quantitative precision, has become a critical method for assessing pipeline weld quality.

Keywords: phased array ultrasonic technology; industrial pipeline; weld defect; quantitative detection; evaluation method

超声相控阵技术依靠声束可控性、多角度扫描以及高分辨率成像能力，在工业管道焊缝缺陷定量检测中展现出显著优势。本文对超声相控阵技术的工业管道焊缝缺陷定量检测及评定方法进行分析，从而确保相关工作顺利开展。

1超声相控阵技术原理

超声相控阵技术是从雷达电磁波相控阵原理发展来的，它的核心要点是依靠电子系统精准控制换能器阵列中多个独立压电晶片的激发时序。每个晶片单元按照特定规则进行排列，当电子系统施加具有不同延迟时间的激励信号时，各个晶片发射的超声波会在空间中叠加从而形成新的波阵面，这种叠加并不是简单的相加过程，而是借助相位调控来实现声波的干涉效应，进而让声束能量在特定方向实现聚焦或者偏转。在发射过程中，通过调整各个晶片发射时间的先后顺序，能够动态改变声束的传播方向以及聚焦位置，不用机械移动探头就可以覆盖复杂焊缝结构的不同区域，接收回波时，系统会对各个晶片接收的信号开展延时补偿以及合成处理，使来自缺陷的反射信号同相叠加得以增强。同时，抑制背景噪声，该技术利用声波的空间相干性，用电子扫描取代传统的机械扫描方式，不仅实现了声束的灵活控制，还能够生成高分辨率的二维或三维成像，为焊缝缺陷的几何特征量化提供更丰富的声学信息基础^[1]。

2超声相控阵技术的工业管道焊缝缺陷定量检测前的准备工作

2.1仪器设备选型

超声相控阵技术在用于工业管道焊缝缺陷定量检测时，仪器设备选型需要综合考虑检测对象特性，像管道材质、壁厚以及焊缝类型等方面，相控阵超声检测仪要具备高分辨率、多通道以及灵活的波束控制能力，从而能够精准聚焦与扫描来清晰呈现焊缝内部结构。探头选择要匹配管道曲率，以保证良好耦合，同时频率范围要合适从而兼顾穿透力与分辨率，对于复杂焊缝可能需要采用多阵元探头，以此实现多角度检测。此外，配套的扫描装置要稳定可靠，能够精确控制探头移动确保检测覆盖全面且位置准确，软件系统应具备强大的数据处理与分析功能，可以对检测数据进行实时处理、成像与存储，便于后续进行缺陷定量评估。合适的仪器设备选型是获取准确检测结果的基础，直接影响检测的可靠性与有效性^[2]。超声相控阵检测系统选型要点如表1。

表1 超声相控阵检测系统选型要点

2.2参数设置

在进行参数设置时，要充分依据管道材质具备的声学特性来开展，这些声学特性包含但不限于声速以及衰减系数等内容。要通过对这些声学特性展开详细分析和全面考量来设定最为合适的声速参数，如此才能确保后续检测等操作和管道材质实际声学情况相匹配，聚焦深度参数不能随便确定，需要结合焊缝厚度以及具体位置来考虑，因为它们会对声束聚焦效果产生影响，要精确调整让声束聚焦在检测关键区域从而保证检测准确可靠。扫描步进参数设置十分关键，设置过大有可能遗漏缺陷进而影响检测准确性，设置过小虽然能够提高检测全面性但会降低效率且浪费时间和资源，所以必须精准合理地进行设置。参数设置示例如表2所示。

表2：参数设置示例

2.3检测面处理

在开展超声相控阵技术对工业管道焊缝缺陷定量检测之前，检测面处理属于极为关键的准备工作，检测面必须保持清洁以及平整的状态，这属于确保检测信号精准无误的基础，一旦检测面存在油污、锈迹还有氧化皮等杂质，就会阻碍超声波正常传播，让反射信号出现减弱或者失真问题，进而影响缺陷的准确识别与定量操作。因此，需要采用合适方法对检测面进行清理工作，例如使用砂纸打磨除掉锈迹、用有机溶剂擦拭去除油污等。同时，检测面对粗糙度也有一定规范要求，过于粗糙会使超声波出现散射情况，导致检测灵敏度有所降低，过于光滑则有可能造成耦合不良的现象发生，所以要依据管道材质和检测实际要求，将检测面处理到恰当合适的粗糙度。此外，对于一些具有特殊形状的检测面，像曲面以及沟槽等类型，还需要进行恰当适度的修整加工，让其便于探头放置以及耦合剂涂抹操作，确保探头和检测面之间能够形成良好的声耦合，以便为后续准确检测焊缝缺陷提供可靠的条件保障^[3]。

2.4检测时机选择

超声相控阵技术用于工业管道焊缝缺陷定量检测时检测时机选择不能忽视，焊接完成之后不能马上开展检测工作，因为此时焊缝区域温度比较高且材料内部组织处于不稳定状态。同时，还存在着较大的残余应力，这些因素都会对超声波的传播和反射造成干扰，从而导致检测结果出现不准确的情况。应等待焊缝冷却到室温让材料内部组织稳定之后再进行检测，同时还需要考虑管道的运行状态，要是管道正在运行且内部有介质流动，就可能会产生振动和噪声进而影响检测信号的接收与分析，所以最好在管道停止运行且介质排空并稳定一段时间之后，进行检测。另外，对于一些有特殊要求的管道，比如：经过热处理或冷加工的管道，要依据其工艺特点和材料性能变化，选择合适的检测时机，以此确保能够准确检测出焊缝中的缺陷并开展定量分析^[4]。

3超声相控阵技术的工业管道焊缝缺陷定量检测及评定方法

3.1缺陷尺寸测量

超声相控阵技术依靠多阵元电子聚焦和声束偏转的方式，达成对工业管道焊缝缺陷三维尺寸的测量工作，其核心原理是利用阵列换能器各晶片发射的超声波，在空间叠加形成特定角度的聚焦声束。通过接收回波信号的时间差以及幅度分布情况，能够精确提取缺陷的长度、深度以及高度信息，和传统超声检测相比较而言，相控阵技术借助多角度扫查与全聚焦成像算法，可覆盖焊缝的全厚度范围，这能减少因声束扩散而导致出现的测量误差问题。此外，该技术可以通过动态调整聚焦深度，来适应不同壁厚管道的检测实际需求，尤其对于复杂几何结构比如弯头、三通焊缝缺陷尺寸量化，具有非常显著的优势特点，缺陷尺寸的精确测量能够为后续的质量评估与维修决策，提供量化方面的依据支撑，这是保障管道安全稳定运行的一个关键重要环节^[5]。

3.2缺陷类型识别

超声相控阵技术依靠分析缺陷回波的波形特征和空间分布情况，能够实现对焊缝缺陷类型的精准识别操作。不同类型的缺陷，例如：裂纹、气孔、夹渣、未熔合等，由于几何形态和材料特性存在差异，在超声信号中会表现出独特的回波模式特征，比如裂纹一般会呈现尖锐的端点回波以及多次反射信号，气孔会表现为点状低幅回波，夹渣会因非金属夹杂物致使回波幅度波动较大，未熔合缺陷会因界面反射特性产生特定角度的回波信号，相控阵技术借助多视角成像和波形分析手段，可以结合缺陷的形态、位置以及回波特征来综合判断缺陷类型。结合机器学习算法对缺陷信号开展模式识别工作，能够进一步提升缺陷分类的准确性和自动化水平，进而为缺陷成因分析和处理措施制定提供科学依据。常见焊缝缺陷的超声相控阵回波特征如表2所示。

表3 常见焊缝缺陷的超声相控阵回波特征

3.3结合断裂力学评估

超声相控阵技术所提供的缺陷尺寸和类型信息，为断裂力学评估带去了关键输入参数。通过测量缺陷真实几何尺寸像长度深度高度等，结合材料力学性能数据例如屈服强度断裂韧性等，还有应力分布模型来计算缺陷应力强度因子或者疲劳寿命，就拿表面裂纹或者埋藏裂纹来说，可依据缺陷尺寸和管道运行压力评估其扩展趋势与临界尺寸。对于体积型缺陷像气孔夹渣等，能够分析其对管道承载能力的削弱程度，断裂力学评估不但能量化缺陷对管道安全性的影响，还能为维修周期制定、剩余寿命预测以及在役监测策略提供理论支持。相控阵技术和断裂力学的深度融合，推动管道缺陷检测从“定性判断”往“定量评估”转变，显著提升工业管道安全管理的科学性与精准性^[6]。

结论：

综上所述，超声相控阵技术凭借灵活声束控制、丰富成像模式和精确的定量能力成为工业管道焊缝缺陷检测核心技术。通过优化检测工艺、完善定量方法以及规范评定标准，能够有效提高缺陷检出率和评定准确性。未来，伴随技术不断发展，超声相控阵技术会更智能化、自动化，为工业管道检测带来更大便利和效益。

参考文献：

[1]张磊.超声相控阵技术在石油化工领域中的应用进展[J].化工设计通讯,2020,46(08):48+59.

[2]黄海霞.超声相控阵在异种钢焊缝检测中的应用[J].机电信息,2020,(15):90-91+93.

[3]郭兴霖.超声相控阵检测技术在工业结构健康监测中的应用[J].中国高新科技,2019,(09):93-95.

[4]朱国斌.超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用[J].河南科技,2019,(04):76-78.

[5]靳世久,杨晓霞,陈世利,黄玉秋,郭薇.超声相控阵检测技术的发展及应用[J].电子测量与仪器学报,2014,28(09):925-934.

[6]刘晓睿,刘斯以,吴斌斌.超声相控阵技术在工业上的应用[J].硅谷,2012,5(17):125-127.