海底石油管线的相控阵检测技术应用

刘景

摘 要：相控阵超声波检测技术起源于上世纪的60年代末期，这种技术最早是被应用到医学领域，在工业领域的应用要晚于医学领域。随着近些年来科学技术的日新月异，各种先进技术的不断涌现，促使相控阵超声波检测技术得到了快速的发展。而将相控阵超声波检测技术应用到海底石油管线的检测之中，特别是检测焊缝有着明显的优势。因此，本文首先将概述相控阵超声波检测技术内涵，然后分析相控阵超声波检测技术的基本工作原理，最后详细阐述在海底石油管线应用相控阵技术的试验情况，希望能够为相关单位和工作人员提供有用的参考。

关键词：相控阵超声波检测技术；海底石油管线；内涵概述；基本原则

相控阵超声波检测技术最是源于医学超声，这种技术经过多年的发展之后，现如今被广泛应用的无损检测技术，这种技术能够通过对晶片的激发时间进行改变，使超声波的波束出现偏转和聚焦，有着扇形扫查以及线性扫查等较为独特的工作模式，相比传统的超声检测技术，其检测的速度更快，灵敏度也要更高。随着对相控阵超声波检测技术研究的不断深入，这种技术已经被广泛的应用到了工业的众多领域之中，已经成为了无损检测领域之中重点技术。因此，将该技术应用到海底石油管线的检测之中，相信也能够取得令人瞩目的成绩。

一、相控阵超声波检测技术概述内涵

相控阵超声波检测技术的诞生，与医学超声波有着直接的联系，这种技术一经诞生，就被应用于军事领域并属于一种保密技术。最初这种技术在使用时，每激发一个脉冲都要使用全部的晶片，而通过很多晶片的激发小的波阵面后，经过叠加就会成为波阵面，波阵面就可以清晰的反应出各种事物的实际情况。而经过了一段时间的发展后，时基电路得到了很大的改进，随之诞生了一种更高级的电子控制阵列，它能够产生10种不同的接收聚焦法则，这属于相控阵技术在历史上的重大设计创新[1]。它可以通过对换能器阵列中的各个阵元接受或者是激励的时间延迟，就能够有效的改变阵元发射或者是接受的声波到达物体内某个点的相位关系，这样就能够使声束方位和聚焦点出现变化，从而能够完成声成像技术。而到了20世纪，德国的西门子公司基于相控阵技术，又开发出了三维成像系统，并以此系统为基础，制作出了三维扫描仪，这种仪器能够利用常规超声波换能器生成图像，这种图像在医学领域有着十分显著的作用。[2]

二、相控阵超声波检测技术的基本工作原理

相控阵超声波检测技术的检测原理则是基于惠更斯-菲涅耳（huygens）原理，这种技术可以说是对传统的单晶片超声检测的特殊应用，而huygens原理的定义就是：一个行进波阵面上的每一个点，都能够被视为新的次波源。所以，如果我们能够切实的掌握任意时刻的波阵面位置，那么就能够有效的绘制出接下来波阵面的位置。但是，还需要对主波的波阵面充分的率，才能够更好的应用其他的超声处理措施，比如焦点计算、近场区计算以及发散性等计算。

由于相控阵探头能够对有相同伸展形变的压电材料施加相同的电压，然而其探頭面是由很多的小晶片所组成的，而不是单一的晶片。而这些晶片都是通过同种类型的连接导线进行连接，将全部的晶片统一的安装到背衬上面。因此，全部晶片都会被同样的电压所激发，全部的晶片就会统一的形变伸展，这样的效果就相当于在激励相同尺寸的单一晶片，而多个晶片会在同一个时间点，被施加电压所激发，因为晶片的尺寸并不是很大，而每一个独立的晶片所发射的超声波等能够形成一种独立的曲 面型的波阵面，那么全部的晶片在同一的时间里被激发，则可以形成更大的波阵面[3]。

三、海底石油管线应用相控阵技术的试验情况

（一）试验材料和涉笔

为了确认相控阵超声波检测技术在检查海底石油管道中，能否取得与全自 动超声波相同或者是接近的检测能力，特别选择选择海上石油管道焊缝已经经过全自动超声波进行检测过的部位，再使用手持相控阵超声波检测设备进行手动检测，如果手持相控阵超声波检测设备的检测结果与全自动超声波检测结果相符或者差别不大，那么就能够确认手持相控阵超声波检测设备可以应用与检测海上石油管道之中[4]。

本次实验中选择的试验管道的管径为305毫米，管壁的厚度为13毫米，在试验管道共设计了上下对称的八个缺陷，在其中间部位则又增加了一个通槽，全部的人工缺陷为十七个。缺陷的具体情况如下：根部槽缺陷，起始位置为0毫米，长度15毫米，深度11.7毫米；填充区1平底孔缺陷，起始位置为25毫米，深度10毫米；填充区2平底孔缺陷，起始位置为40毫米，深度7毫米；填充区3平底孔缺陷，起始位置为55毫米，深度4毫米；填充区4平底孔缺陷，起始位置为70毫米，深度1.4毫米；体积通道1平底孔缺陷，起始位置为85毫米，深度8毫米；体积通道2平底孔缺陷，起始位置为100毫米，深度4毫米；盖帽槽缺陷，起始位置为125毫米，长度15毫米；通槽缺陷，起始位置为195毫米，长度5毫米；盖帽槽缺陷，起始位置为255毫米，长度15毫米；体积通道2平底孔缺陷，起始位置为295毫米，深度4毫米；体积通道1平底孔缺陷，起始位置为310毫米，深度8毫米；填充区4平底孔缺陷，起始位置为325毫米，深度1.4毫米；填充区3平底孔缺陷，起始位置为340毫米，深度4毫米；填充区2平底孔缺陷，起始位置为355毫米，深度7毫米；填充区1平底孔缺陷，起始位置为370毫米，深度10毫米；根部槽缺陷，起始位置为380毫米，长度15毫米，深度11.7毫米。

（二）试验装置和方法

对焊缝两侧的双PA探头通过非平行扫查技术进行检测，扫查的角度则分别是40度到70度。在对管道的声速、灵敏度以及楔块延迟进行校准后，还要制作深度要超过2倍以上板厚的TCG曲线。利用计算机使用ESBTOOL软件对相关的参数进行模拟和设置，保证相控阵超声波检测设备能够对焊缝及其热影响区完全覆盖，结合模拟计算的记过，设置合适的检测行走参考线，然后开始试验。

（三）试验结果与分析

从表1中我们可以得出：手持相控阵超声波检测设备的检测结果与全自动超声波的检测结果完全相同，检测的准确率高达100%。这说明手持相控阵超声波检测的准确率很高。并且，相控阵超声波检测设备检测缺陷的误差很小，而这些微小的缺陷基本上可以忽略不计，这说明相控阵超声波检测完全能够满足海底石油管线的检测工作[5]。

表1 全自动超声波校准试验管道后的人工人工缺陷

四、结束语

总而言之，随着现代计算机技术的迅猛发展，对海底石油管道的焊接部位开展无损检测的方法也有了很大的进步，自从进入新世纪，海洋石油工程公司就引进了全自动超声波检测技术，该技术也是公司的核心检测技术，对各个相关项目的检出率和精确度都有着很好的保证。而随着相控阵超声波检测技术的迅猛发展，相比全自动超声波检测技术有着更为明显的优势，所以为了能够确认该技术的准确性，能否有效的取代全自动超声波检测技术，开始了本次实验，而本次实验结果表明其检测准确率高达100%，是一种准确率和效率都很高技术。

参考文献：

[1]彭伟， 杨啸， 王玉伟. 海底石油管线的相控阵检测技术应用[J]. 焊接技术， 2017（1）：44-46.

[2]彭伟， 尤卫宏， 张俊杰，等. 海底石油管线焊缝全自动超声波检测与射线检测的技术比较[J]. 焊接技术， 2017（4）：83-86.

[3]陈永刚， 王猛， 逄培榕，等. 相控阵超声检测技术在海底管线中的应用[J]. 中国造船， 2017（a01）：444-448.

[4]蒋承君， 姚欢， 熊庆人，等. 管道对接环焊缝的相控阵检测技术[J]. 内蒙古石油化工， 2017（2）：62-64.

[5]张振鹏， 陈文峰， 张淑艳. 正态分布法在已建海底输油管道总传热系数校核中的应用[J]. 石油和化工设备， 2017， 20（11）：50-52.