本发明专利技术公开了一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，该复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S1和S3、两列轴向斜探头阵列S2和S4，以及两列周向斜探头阵列S5和S6。探头阵列按径向探头阵列S1→轴向斜探头阵列S2→径向探头阵列S3→轴向斜探头阵列S4→周向斜探头阵列S5→周向斜探头阵列S6的方式分布；每列探头均匀排列分布；探头数目由被检测管道内径确定。该发明专利技术还公布了根据传感器空间分布方位及每个传感器接收到的信号定量缺陷三维参数的方法。该发明专利技术中的装置和方法可以有效检测管道壁上各种不同种类的缺陷，特别是能够在一次性通过管道时检测出微小缺陷并提供量化信息。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，属于无损检测
该阵列能检测管道壁几乎所有种类的缺陷，并提供缺陷量化参数信息；特别适合管道壁小缺陷(裂纹等)的检测与三维量化信息的获取。
技术介绍
管道缺陷超声内检测技术不同于管道超声外检测技术，它利用放置在管道内部的超声传感器阵列，又称智能猪，在一次性通过管道时，扫描检测管道中的缺陷，并提供缺陷的量化参数信息。这种方法的优点是能适应埋地管道和海底管道等不方便在外部进行缺陷检测的场合，检测效率高，能检出的缺陷种类多，特别是可以检测出管道壁中的缺陷，所以近年来在国际上发展迅速。管道超声内检测技术是管道工业发达国家竞相研制的高新技术。由于其技术复杂，涉及学科繁多，所以目前仅有少数几家国外公司掌握，如美国GE公司与Tuboscope公司、加拿大Enbridge公司、德国AG公司与Foerster公司、日本钢管株式会社(NKK)、英国PI公司与GUL公司等(汪永康，刘杰，刘明，杜邵先，鲍元飞.石油管道内缺陷无损检测技术的研究现状.腐蚀与防护，2014，9(35)：929-934)。然而，现有工业应用中的管道超声内检测智能猪大多是采用径向入射方式进行管道缺陷检测，从原理上限制了这种内检测方法只能检测出比较大的腐蚀类缺陷，还无法检出管道壁中裂纹等小缺陷，漏检现象严重。国内管道超声内检测方面的研究尚处于起步阶段。胜利石油管理局在国家“863”计划资助下，与上海交通大学等单位开展了“海底管线内爬行器及其检测技术”的研究工作，研发了一套Φ325mm海底管线超声检测系统工程样机及其标定试验系统。目前这套机构主要用于检测壁厚变化类缺陷。另外，国内清华大学、天津大学、浙江大学、南京理工大学、中国石油大学、大连理工大学及上海大学等院校均有管道超声内检测研究成果的报导。(周燕，董怀荣，周志刚，谢慧.油气管道内检测技术的发展.石油机械.2011，3(39)：74-77)。目前，利用超声波进行管道缺陷内检测的技术均存在检出缺陷种类少，不能有效检测小缺陷的问题，更无法给出小缺陷的量化参数信息。本专利技术可以有效解决这一问题，并给出缺陷量化参数信息，能有效实现不同种类小缺陷的检出，克服了现有技术和设备存在的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对国内外现有技术的不足，提供一种能检测管道不同种类缺陷，包括裂纹等小缺陷的复合超声传感器阵列的设计方法及缺陷定量方法，实现管道中不同种类缺陷的检测和量化。本专利技术的技术方案包括如下步骤：一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；所述复合超声传感器阵列结构设计方法：步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S1和S3、两列轴向斜探头阵列S2和S4，以及两列周向斜探头阵列S5和S6。传感器以S1→S2→S3→S4→S5→S6分布，形成S1-S3；S2-S4；S5-S6三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S2-S4和S5-S6在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S2-S4和S5-S6的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离hi，其中i＝1,2,3，分别代表S1-S3，S2-S4，S5-S6三种入射模式阵列；步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离hi，得到传感器检测弧长li的计算公式；步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长li，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式Ni；超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置Cin，其中i＝1,2,3，分别代表S1-S3，S2-S4，S5-S6三种入射模式阵列；n＝1,2,3…Ni，表示同种入射模式传感器阵列中传感器对应编号；步骤2.3，声束入射点空间位置确定：根据传感器阵列在管道中的位置、传感器空间位置Cin和声束入射角α，确定其在管道内壁上对应声束入射点Pin；缺陷定量方法：步骤3.1，根据S2-S4的声束入射角α、缺陷回波存在的时间t、阵列移动距离L和声束在管壁内的传播路径，得出缺陷的高l高；其中，v＝2B(tany-tanx)+w；步骤3.2，根据S1-S3中传感器接收到的缺陷回波存在时间t′、阵列移动距离L′、晶片直径d以及声束角可以得到缺陷的长l长；步骤3.3，根据S1-S3中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l宽；步骤3.4，生成缺陷可视化网格图像。进一步，所述步骤3.4的具体过程为：在管壁中建立虚拟网格，网格形状为扇形立方体。其厚度取为阵列轴向移动一个步长时，同一传感器在对应的两声束入射点能检测出的最小壁厚值，一个步长是指阵列匀速移动时传感器阵列中所有传感器发射和接收一次超声波对应的轴向移动距离；长度取为沿管道轴线方向移动的一个步长；扇形角度取为360°/Ni，其中Ni是同一种声波发射模式中两列传感器的个数；然后，将计算得到的缺陷量化参数信息l高、l长及l宽用色彩填充到划分好的网格中，生成缺陷的可视化网格图像。进一步，所述步骤3.4的具体过程为：选用脉冲超声直探头作为复合阵列传感器，晶片直径为Φ10mm，中心频率为5MHz。管道内径为192mm，壁厚为14mm，以水为耦合介质。设定S1-S3的水程提离距离为14mm，计算得到S2-S4传感器水程提离距离h2为16mm，此时，S1-S3，S2-S4和S5-S6中单一传感器的声束所能覆盖的弧长分别为19.5mm，20.6mm，18.9mm，故每种入射方式超声传感器各需要60个，分两列均匀布设。本专利技术具有以下技术效果：1)利用超声波进行管道缺陷内检测的技术均存在检出缺陷种类少，不能有效检测小缺陷的问题，更无法给出小缺陷的量化参数信息，本专利技术可以有效并给出缺陷量化参数信息，能有效实现不同种类小缺陷的检出，克服了现有技术和设备存在的不足。此外，该专利技术还公布了根据传感器空间分布方位及每个传感器接收到的信号定量缺陷三维参数的方法，特别是能够在一次性通过管道时检测出微小缺陷并提供量化信息。2)该专利技术采用径向、轴向斜置和周向斜置传感器阵列相结合的复合阵列结构，阵列按径向探头阵列(S1)→轴向斜探头阵列(S2)→径向探头阵列(S3)→轴向斜探头阵列(S4)→周向斜探头阵列(S5)→周向斜探头阵列(S6)的方式分布，可兼顾一次性扫查面积与缺陷检出率这一矛盾，并且由斜置超声传感器对裂纹等小缺陷进行检测。同时，本专利技术还给出了阵列结构参数与缺陷量化参数的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，其特征在于，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；所述复合超声传感器阵列结构设计方法：步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S1和S3、两列轴向斜探头阵列S2和S4，以及两列周向斜探头阵列S5和S6。传感器以S1→S2→S3→S4→S5→S6分布，形成S1‑S3；S2‑S4；S5‑S6三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S2‑S4和S5‑S6在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S2‑S4和S5‑S6的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离hi，其中i＝1,2,3，分别代表S1‑S3，S2‑S4，S5‑S6三种入射模式阵列；步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离hi，得到传感器检测弧长li的计算公式；步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长li，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式Ni；超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置Cin，其中i＝1,2,3，分别代表S1‑S3，S2‑S4，S5‑S6三种入射模式阵列；n＝1,2,3…Ni，表示同种入射模式传感器阵列中传感器对应编号；步骤2.3，声束入射点空间位置确定：根据传感器阵列在管道中的位置、传感器空间位置Cin和声束入射角α，确定其在管道内壁上对应声束入射点Pin；缺陷定量方法：步骤3.1，根据S2‑S4的声束入射角α、缺陷回波存在的时间t、阵列移动距离L和声束在管壁内的传播路径，得出缺陷的高l高；其中，步骤3.2，根据S1‑S3中传感器接收到的缺陷回波存在时间t′、阵列移动距离L′、晶片直径d以及声束角可以得到缺陷的长l长；步骤3.3，根据S1‑S3中对同一缺陷的探头个数q、晶片直径d、声束角以及探头空间位置，得出缺陷的宽l宽；步骤3.4，生成缺陷可视化网格图像。...
【技术特征摘要】
1.一种管道缺陷超声内检测复合传感器阵列及缺陷定量方法，其特征在于，包括复合超声传感器阵列结构设计方法、超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法和缺陷定量方法三部分；所述复合超声传感器阵列结构设计方法：步骤1.1，将脉冲超声传感器作为阵列检测单元，以单个传感器在管道壁中的传播特性作为阵列设计依据之一；步骤1.2，复合传感器阵列包括沿管道内表面均匀分布的两列直探头阵列S1和S3、两列轴向斜探头阵列S2和S4，以及两列周向斜探头阵列S5和S6。传感器以S1→S2→S3→S4→S5→S6分布，形成S1-S3；S2-S4；S5-S6三种声束入射模式阵列，各模式阵列的检测区域均能完全覆盖管壁；步骤1.3，传感器阵列的检测区域覆盖管道内表面、外表面及管道壁，为了使S2-S4和S5-S6在整个管道检测区域中遇到缺陷时有较大的回波声压，并且回波干扰尽可能小，S2-S4和S5-S6的声束入射角α设计在第一临界角与第二临界角之间；步骤1.4，考虑到超声传感器之间声场相互影响最小，同时传感器的声束入射面有尽可能大的重叠面积，得到传感器水程提离距离hi，其中i＝1,2,3，分别代表S1-S3，S2-S4，S5-S6三种入射模式阵列；步骤1.5，根据传感器的声束角和水程提离距离hi，得到传感器检测弧长li的计算公式；步骤1.6，根据管道内半径R，管道壁厚B，传感器检测弧长li，得到传感器阵列中传感器数量的确定公式Ni；超声传感器及声束入射点坐标位置确定方法：步骤2.1，坐标系的建立：在复合传感器阵列上建立一套固定直角坐标系，这套坐标系相对于管道是移动的，坐标原点选在复合阵列的最后端面中心，Z轴与传感器阵列轴线重合，XOY面为垂直于阵列轴线的截面；步骤2.2，超声传感器空间位置确定：根据传感器阵列几何结构，确定每个传感器的空间位置Cin，其中i＝1,2,3，分别代表S1-S3，S2-S4，S5-S6三种入射模式阵列；n＝1,2,3…Ni，...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋寿鹏，倪英杰，李迎雪，刘明宇，杨永，申静静，徐伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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