吕成秀，刘胜斌，陈英杰，汪 超，张志明

（渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210061）

0 引言

一种超声相控阵检测系统，是根据石油管行业的需求而开发较成熟的大型产品。其检测能力满足DEC-OGP-S-PL-003-2020-1《国家管网集团设计与工程建设准则》的要求。该检测系统共19 个探头，包括两套纵向超声相控阵检测系统（即4 个32晶元相控阵探头）独立检测焊缝区和焊缝邻近5 mm 的内部和外部纵向缺陷；一套X 形（或两套K 形）超声相控阵检测系统（即4个32 晶元相控阵探头）和一套相控阵轮式探头（即2 个32 晶元相控阵探头和1 个常规超声波探头组合）检测焊缝和焊缝邻近5 mm 横向缺陷检测；另外由一套串列式超声相控阵检测系统（即由4 个32 晶元相控阵探头组合使用）主要针对对钢管焊缝中部缺陷进行检测。该检测系统调校快速便捷、准确度高、误报率低、检测速度快（最高检测速度可达20 m/min）、管端盲区小（管端焊缝盲区为50 mm，母材盲区为80 mm）。

1 检测原理

1.1 超声相控阵技术

检测原理是通过控制相控阵探头中每个晶元的激励（或接收）脉冲的时间差，来改变由各晶元发射（或接收）声波到达（或来自）工件内部的相位关系，实现聚焦点和声束角度的变化。由于超声相控阵探头中的每个晶元的时间差可实现动态变化，所以超声相控阵检测技术利用多晶元声束角度可控和可动态聚焦两大特点，进行多角度扇扫，迅速找到主声束角度，通过主声束角度实现钢管超声相控阵检测能够快速、便捷进行仪器调整、调校。超声相控阵阵元一般扫查范围覆盖很多个角度，检测过程中通常扇扫角度为35°～75°，中心角为55°，楔块角度可选择35°，钢中折射角为53°。

1.2 压电晶片超声波

超声波的检查原理是采用频率高于20 kHz 的超声波，通过不同的波形对工件进行检测，工件的内部的不连续性导致检测的波速不一致，通过显示在检测平面上的位置不同而评判工件的内部质量的一种检测方法。超声波探头必须与被测材料尽量靠近，并且在探头和被测材料之间要有耦合剂作为介质。检测期间，所有探头处在离工件外表面同一距离，超声波的耦合由耦合剂来完成。为了使超声波很好地进入钢材，声波必须两次通过耦合界面，检测是主要通过纵波或横波波形来完成。钢管超声波检测主要是通过纵波或横波，检测钢管内部裂纹、气孔、未焊透、分层、面积等。

2 超声相控阵检测系统

2.1 检测范围

超声相控阵检测系统是用来检测大口径直缝埋弧焊焊管的超声相控阵的，主要检测范围满足API Spec 5L《管线钢管规范》（第46版）、GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》等标准要求。其中，钢管材料等级为A 级～X120，外径508～1422 mm，钢管的壁厚和长度分别为8.0～42.0 mm、8.0～12.5 m。

2.2 对比样管人工缺陷分布

选用规格直径1422 mm×32.1 mm 的钢管，按照DEC-OGPS-PL-003-2020-1 标准要求制作对比样管[1-2]，对比样管应具有8 个N5 刻槽、1 个位于焊缝中间部位的Φ1.6 mm 竖通孔，8 个焊缝坡口面上Ф3.0 mm 平底孔，4 个位于焊缝两侧25 mm 范围内Φ6.060+0.25mm 平底孔。图1 为对比样管人工缺陷分布示意。

图1 对比样管人工缺陷分布示意

2.2 检测方法

超声相控阵检测系统是按照在钢管焊缝及母材上，纵向缺陷、横伤向缺陷、焊缝中间部位缺陷、母材缺陷的发现能力进行的探头排列检测系统（图2）。该系统以检测直缝埋弧焊管焊缝缺陷和焊缝两侧25 mm 的母材缺陷为目的，配备19 个探头，包括：两套纵向超声相控阵检测系统Level 1 和Level 2（即4 个32 晶元相控阵探头）独立检测焊缝区和焊缝邻近5 mm 的内部和外部纵向缺陷；一套X 形（或两套K 形）超声相控阵检测系统Level 5和Level 6（即4 个32 晶元相控阵探头）和一套相控阵轮式探头Level 3（即2 个32 晶元相控阵探头和1 个常规超声波探头）检测焊缝和焊缝邻近5 mm 横向缺陷；一套串列式超声相控阵检测系统Level 4（即4 个16 晶元相控阵探头）检测焊缝中部缺陷；一套分层超声波检测系统Level 7（即4 个常规超声波探头）主要检测钢管直焊缝两侧25 mm 范围内的母材分层缺陷。每个探头的相互距离可根据钢管壁厚及管径进行调整。

图2 探头布置

2.2.1 纵向伤检测

钢管焊缝纵向缺陷检测主要是由两组超声相控阵检测探头和管体外表面通过具有导向性的射流来耦合，由流动水作为检测时的耦合剂。两组相控阵探头分别与焊缝垂直布置，Level 1和Level 2 纵向相控阵探头，其中Level 1 检测钢管外表面和外焊焊缝坡口面上缺陷，Level 2 检测钢管内表面和内焊焊缝坡口面上缺陷，探头之间的距离可以根据钢管的直径和壁厚进行单独调整，来实现检测钢管焊缝的内外伤（Level 1 和Leve 2 的检测范围可以根据项目的要求进行调整）。同时利用超声相控阵技术聚焦法则特征对每组探头主声束的角度、探头激发晶片数量等参数进行调整，达到超声相控阵检测声束最优化，在此过程中无需任何机械调整。相控阵探头可以分为一个或多个发射和接收单元，用于焊缝内外部缺陷和坡口缺陷的检测。

纵向伤检测主要是利用相控阵检测技术聚焦法则和多晶片特征，将每组纵向相控阵探头分为两组发射和接收单元，其中一组发射和接收单元主要检测焊缝上内（或外）部缺陷（即样管上边部N5刻槽、中部N5 刻槽和直径1.6 mm 竖通孔），另一组发射和接收单元主要检测焊缝上坡口缺陷（即样管上焊缝75%或25%深度的平底孔）。纵向伤检测采用频率3 MHz、32 晶片（晶片尺寸为14 mm×14 mm），外壳尺寸为直径40 mm 的探头（W3GPA32）。

2.2.2 横向伤检测

横向伤检测主要有K 式检测和轮式检测两种，在实际检测过程中它们均独立使用。

（1）K 式检测。横向伤的K 式检测实际是由两组K 式合并形成“等腰梯形”的结构布局，探头均分布在焊缝两侧（图2 中Level 5 和Level 6 横向相控阵探头）。通常该相控阵探头应分别与焊缝成45°夹角放置，检测入射角度的选取通过软件在扇扫图上设置，根据检测缺陷部位的特征，一般选取45°±3°作为最佳焊缝横向缺陷检测（即样管上横向N5 刻槽和Φ1.6 mm 竖通孔）角度，如图8 超声相控阵横向伤检测主声束设置原理图。为了方便后续部件的更换及设备的维护保养，横向伤检测采用的相控阵探头、探头固定器、检测耦合方式等于纵向伤检测保存一致。

（2）轮式检测。横向伤的轮式检测是由一个滚轮与钢管外焊缝直接接触，滚轮里前后安装等高的两个相控阵探头和一个常规纵波探头，两个相控阵探头通过自发自收的方式进行检测横向缺陷（即样管上横向N5 刻槽和Φ1.6 mm 竖通孔），一个常规纵波探头主要是在检测时作为滚轮与钢管外焊缝接触的监视功能，主要由油脂装在滚轮里面作为检测耦合剂。

2.2.3 串列式检测

串列式检测是由超声相控阵检测探头和管体外表面通过具有导向性半水浸法耦合检测，由4 个相控阵探头组成，探头与焊缝垂直布置。利用相控阵检测技术聚焦法则和多晶片特征，将串列式相控阵每组探头分为两组发射和接收单元，分别检测内外焊缝中间部位缺陷（即样管上焊缝42%和58%深度的平底孔）。串列式检测采用频率3 MHz、16 晶片，晶片组尺寸为8 mm×9 mm，外壳尺寸为直径24 mm 的探头（B5NC15PA16）。

在串列式检测中，根据水平位置与缺陷埋藏深度、探头入射角的关系，计算出声波发射探头距离焊缝的水平距离，移动手轮，将探头移动至对应位置，调整声波接收探头与发射探头的间距，使对应出现缺陷回波，此时通过相控阵扇扫功能，选取合适角度范围（一般40°～70°），此时会形成一个在此角度范围内的扇扫图，通过移动光标选取最佳的主入射角度作为串列检测角度。

3 结束语

超声相控阵检测系统的核心技术优势是性能稳定、相控阵多晶元多角度扇扫等，具有焊缝激光跟踪和检测耦合监视功能，可以避免钢管漏检和误检。主要体现在以下3 个方面。

（1）超声相控阵检测设备是精密无损检测系统，采用多通道配备19 个探头（包括14 个32 晶元相控阵探头和5 个常规超声波探头），可满足DEC-OGP-S-PL-003-2020-1 的要求。

（2）超声相控阵检测技术能进行多角度扇扫，迅速找到主声束角度，通过主声束角度实现钢管超声相控阵检测能够快速、便捷进行仪器调整、调校。

（3）采用先进成熟的超声相控阵检测技术和设备，模块化设计、多角度扇扫工艺，探架固定（每个探架单独起落），钢管运动和检测系统固定的检测方式，保证该系统结构合理，性能安全可靠，操作方便简捷。