本發(fā)明屬于工業(yè)超聲無損檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種環(huán)焊縫相控陣超聲無損檢測自動動態(tài)聚焦的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對石油和天然氣等能源產(chǎn)品需求迅速增加。東部沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，能源需求高，但是儲量少；西部城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，但是能源儲量高，因此，需要將西部地區(qū)的資源和東部沿海地區(qū)的市場結(jié)合起來。相對于其他運(yùn)輸方式，管道運(yùn)輸具有運(yùn)輸不僅不受氣候因素影響，而且成本低、運(yùn)量大、安全、經(jīng)濟(jì)，所以已成為油氣運(yùn)輸?shù)闹饕侄危诂F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中占有相當(dāng)重要的位置，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)和人類生活的大動脈。焊接連接是管道工程中最重要而且應(yīng)用最廣泛的連接方式，尤其是環(huán)形焊接的方式。在國內(nèi)外各種大型管道工程項(xiàng)目中，管道敷設(shè)工作絕大部分依靠環(huán)形焊接工藝來完成。但是，在采用焊接實(shí)現(xiàn)連接和鋪設(shè)的管道中，焊接過程中不可避免會產(chǎn)生各種缺陷，管線在服役或超期服役過程中運(yùn)行在高溫、高壓和腐蝕的環(huán)境下以及承受疲勞和沖擊等惡劣工況條件下，將極大地加速焊縫缺陷的發(fā)展，引發(fā)管線使用性能的惡化失效，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，環(huán)焊縫作為管道線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，是決定管線建成后能否安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。管道的環(huán)焊縫焊接缺陷通常采用無損檢測技術(shù)進(jìn)行檢測。目前常用的無損檢測方法有超聲檢測、射線檢測、滲透檢測、磁粉檢測和渦流檢測。對于管道的環(huán)焊縫缺陷的檢測，主要采用超聲檢測技術(shù)。超聲相控陣檢測技術(shù)作為一種先進(jìn)的超聲無損檢測技術(shù)，具有檢測速度快，缺陷定位準(zhǔn)確，檢測靈敏度高等特點(diǎn)顯著優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)焊縫焊接缺陷的檢測上具有無可比擬的優(yōu)勢。超聲相控陣檢測系統(tǒng)使用陣列換能器，可以選擇發(fā)射/接收信號的陣元以及控制各陣元的時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)相對延遲，可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達(dá)到對波束的聚焦和偏轉(zhuǎn)等相控效果，實(shí)現(xiàn)對各種焊縫坡口的全覆蓋掃查，形成清晰的圖像，完成對環(huán)焊縫缺陷的精確定量檢測。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)焊縫相控陣超聲無損檢測自動動態(tài)聚焦方法，采用本專利的方法完成對任意形狀焊縫坡口上任意聚焦點(diǎn)的最優(yōu)聲路規(guī)劃。根據(jù)焊縫的坡口形式及壁厚，將焊縫掃查區(qū)域在高度方向上劃分若干區(qū)域，確定每個(gè)區(qū)域的聚焦點(diǎn)，基于光線示蹤法來規(guī)劃每個(gè)掃查區(qū)域的聲路路徑，以保證每個(gè)被測區(qū)域的坡口面與檢測聲束盡量垂直，進(jìn)而得到最優(yōu)的聲束偏轉(zhuǎn)角度和發(fā)射/接收陣元的序號，通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)焊縫坡口的掃查及最優(yōu)的成像效果，是環(huán)焊縫缺陷自動檢測系統(tǒng)中不可或缺的技術(shù)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：步驟一：確定楔塊參數(shù)，探頭參數(shù)以及楔塊與環(huán)焊縫中心線的相對幾何位置，選取內(nèi)管壁為X軸，環(huán)焊縫中心線為Y軸，建立直角坐標(biāo)系；步驟二：對于坡口的任意分區(qū)，選擇分區(qū)中心點(diǎn)為坡口檢測聲束入射點(diǎn)，基于光線示蹤法來初步規(guī)劃每個(gè)掃查區(qū)域的聲路路徑，反推出相控陣發(fā)射/接收中心陣元的X坐標(biāo)及超聲波在楔塊內(nèi)的入射角度及管壁內(nèi)的折射角度；步驟三：以保證每個(gè)被測區(qū)域的坡口面與檢測聲束盡量垂直，發(fā)射/接收中心陣元坐標(biāo)在可用中心陣元的分布區(qū)域，盡可能少的反射次數(shù)作為約束條件，優(yōu)化每個(gè)掃查區(qū)域的聲束路徑；步驟四：根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到每個(gè)掃查區(qū)域所對應(yīng)相控陣發(fā)射/接收中心陣元坐標(biāo)和激勵陣元數(shù)量，確定需要進(jìn)行聚焦發(fā)射的陣元序列號；步驟五：根據(jù)費(fèi)馬定理，計(jì)算每個(gè)陣元到分區(qū)中心點(diǎn)的延時(shí)量，完成對環(huán)焊縫缺陷的動態(tài)聚焦檢測；步驟一中所述的楔塊為梯形，楔塊的參數(shù)包括上邊長為d1，下邊長為d4，高為d3，傾角為θ，楔塊的聲速為cwedge，探頭在楔塊上的安裝位置為d2，楔塊邊緣與焊縫中心線的距離為d5；探頭參數(shù)包括探頭晶片長度為a，晶片寬度為b，晶片邊距為c，探頭寬度為d，探頭晶片總體數(shù)量；選取內(nèi)管壁為X軸，環(huán)焊縫中心線為Y軸，建立直角坐標(biāo)系；步驟二中所述對于坡口的任意分區(qū)，即每個(gè)環(huán)焊縫坡口的檢測采用區(qū)域劃分法分區(qū)檢測，根據(jù)坡口形式及壁厚，焊縫掃查區(qū)域在坡口高度方向上劃為若干層，每個(gè)分層的高度一般為2～3mm，由一組具有特定偏角和深度聚焦的聲束進(jìn)行檢測；選擇分區(qū)中心點(diǎn)為坡口檢測聲束入射點(diǎn)，坐標(biāo)為(x,y)，以該點(diǎn)作為原點(diǎn)，基于光線示蹤法可以得到掃查該區(qū)域聲束的中心線，根據(jù)幾何關(guān)系來反推相控陣發(fā)射/接收中心陣元的坐標(biāo)；根據(jù)不同的的坡口傾角φ，可以推導(dǎo)出不同的相控陣發(fā)射/接收中心陣元的X坐標(biāo)，由于中心陣元X和Y的坐標(biāo)關(guān)系是確定的，為了簡化分析，只用推導(dǎo)出中心陣元X的坐標(biāo)就能完成對該區(qū)域聲路路徑的優(yōu)化；假設(shè)聚焦位置為(x,y)，管道壁厚為h，推導(dǎo)得到的相控陣中心陣元的X坐標(biāo)表達(dá)式如下：(1)當(dāng)0<φ<75°時(shí)，通過反射法來檢測該區(qū)域，相控陣發(fā)射中心陣元X坐標(biāo)xTc和接收中心陣元X坐標(biāo)xRc相同，中心陣元坐標(biāo)和聲束入射、折射角度表達(dá)式為：xin＝x+(y+h)cot(π/2-φ)xRc=xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>γ＝φβ=arcsin(sinγ·cwedgecsteel)]]>式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，β是聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γ是聲束在管壁內(nèi)折射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度，如圖3所示；(2)當(dāng)75°≤φ<90°時(shí)，通過串接法來檢測該區(qū)域，相控陣發(fā)射中心陣元X坐標(biāo)xTc，接收中心陣元X坐標(biāo)xRc和聲束入射、折射角度表達(dá)式為：xin＝x+ycot(φ-α)+h·ncot(φ-α),n＝1,3,5…xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>xout＝x+(h·n-y)cot(φ+α-π/2),n＝1,3,5…xRc=d3+xoutcotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>γin＝φ-αβin=arcsin(sinγin·cwedgecsteel)]]>γout＝π-φ-αβout=arcsin(sinγour·csteelcwedge)]]>式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，βin為聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γin為聲束在管壁內(nèi)折射角度，xout是反射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，βout為聲束在楔塊內(nèi)的折射角度，γout是聲束在管壁內(nèi)入射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度。串接法檢測時(shí)，檢測區(qū)域位置和管壁厚度也會影響聲束的反射次數(shù)，如圖4所示；(3)當(dāng)φ＝90°時(shí)，通過直接法來檢測該區(qū)域，相控陣發(fā)射中心陣元X坐標(biāo)xTc和接收中心陣元X坐標(biāo)xRc相同，中心陣元坐標(biāo)和聲束入射、折射角度表達(dá)式為：xin＝(h-y)tanγxRc=xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>β=arcsin(sinγ·cwedgecsteel)]]>式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，β為聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γ是聲束在管壁內(nèi)折射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度，如圖5所示；(4)當(dāng)φ＝90°時(shí)，通過串接法來檢測該區(qū)域，相控陣發(fā)射中心陣元X坐標(biāo)xTc和接收中心陣元X坐標(biāo)xRc分別為：：xin＝(y+h·n)cot(α),n＝1,3,5…xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>xout＝(h·n-y)cot(α),n＝1,3,5…xRc=d3+xoutcotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>γin＝π/2-αβ=arcsin(sinγ·cwedgecsteel)]]>式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，βin為聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γin為聲束在管壁內(nèi)折射角度，xout是反射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，βout為聲束在楔塊內(nèi)的折射角度，γout是聲束在管壁內(nèi)入射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度。串接法檢測時(shí)，檢測區(qū)域位置和管壁厚度也會影響聲束的反射次數(shù)，如圖6所示；(5)當(dāng)90°<φ<180°時(shí)，通過直接法來檢測該區(qū)域，相控陣發(fā)射中心陣元X坐標(biāo)xTc和接收中心陣元X坐標(biāo)xRc相同：xin＝x+(h·n-y)tan(π-φ),n＝1,3,5…xRc=xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>γ＝π-φβ=arcsin(sinγ·cwedgecsteel)]]>式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，β為聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γ為聲束在管壁內(nèi)折射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度。反射法檢測時(shí)，發(fā)射和接收的中心陣元相同，同時(shí)，檢測區(qū)域位置和管壁厚度也會影響聲束的反射次數(shù)，如圖7所示；步驟三中所述以保證每個(gè)被測區(qū)域的坡口面與檢測聲束盡量垂直，即被測區(qū)域的坡口面與聲束垂直，楔塊中的入射聲束聲軸與相控陣中心陣元盡可能垂直，使得聲束在楔塊的入射角度β與楔塊的傾角θ盡可能相等；發(fā)射/接收中心陣元坐標(biāo)在可用中心陣元的分布區(qū)域，即反推得到的發(fā)射/接收中心陣元的X坐標(biāo)要在可用中心陣元分布區(qū)域的X坐標(biāo)區(qū)間內(nèi)；盡可能少的反射次數(shù)，在滿足上面要求的情況下盡可能減少聲束在管道壁內(nèi)的反射，減少聲束能量的損耗；根據(jù)步驟二中所得的中心陣元坐標(biāo)以及檢測各分區(qū)時(shí)聲束的偏轉(zhuǎn)角，結(jié)合上面所述的約束條件，可以得到最優(yōu)聲路路徑規(guī)劃的優(yōu)化方程：minz＝uΔθ+vxin+wxouts.t.β∈(0,arcsin(cwedge/csteel))Δθ=β-θx1=(8b+c+d2)cosθ+d2+d1x2=(120b+c+d2)cosθ+d2+d1xTc,xRc∈[x1,x2],]]>式中，Δθ是楔塊中聲束入射角度和楔塊傾角的差值，[x1,x2]是探頭有效中心陣元X坐標(biāo)區(qū)間，z是目標(biāo)函數(shù)，滿足聲束反射次數(shù)最少且楔塊入射聲束與中心陣元盡可能垂直，u、v、w是目標(biāo)函數(shù)方程的系數(shù)，保證三個(gè)變量的最小值滿足最優(yōu)路徑規(guī)劃；步驟四中所述根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到每個(gè)掃查區(qū)域所對應(yīng)相控陣發(fā)射/接收中心陣元坐標(biāo)和激勵陣元數(shù)量，確定需要進(jìn)行聚焦發(fā)射的陣元序列號；根據(jù)步驟三建立的優(yōu)化方程，求解后得到符合要求的中心陣元坐標(biāo)，以及聲束需要偏轉(zhuǎn)的角度，換算后可以得到需要進(jìn)行聚焦發(fā)射的陣元序列號；步驟五中所述根據(jù)費(fèi)馬定理，計(jì)算每個(gè)陣元到分區(qū)中心點(diǎn)的延時(shí)量，完成對環(huán)焊縫缺陷的動態(tài)聚焦檢測。用步驟四中得到的聚焦發(fā)射的陣元序列以及其坐標(biāo)位置，根據(jù)費(fèi)馬定理，計(jì)算每個(gè)陣元到分區(qū)中心點(diǎn)的延時(shí)量，用各陣元中最大延時(shí)量為基準(zhǔn)，減去各陣元延時(shí)所得的結(jié)果作為延時(shí)偏移量：tio=max(ta)-tia,]]>式中，為延時(shí)偏移量，為絕對延時(shí)量。本發(fā)明有益效果是：本發(fā)明利用優(yōu)化模型，完成對任意焊縫坡口形狀中各分區(qū)檢測聲束的最優(yōu)路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)超聲相控陣的動態(tài)聚焦檢測，有益效果體現(xiàn)在：(1)對楔塊參數(shù)，探頭參數(shù)及楔塊與環(huán)焊縫相對位置等變量的參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)對多種楔塊和不同相對位置下情況下坡口檢測區(qū)域的聲路路徑規(guī)劃。(2)利用優(yōu)化模型，得出楔塊坡口每個(gè)分區(qū)的最優(yōu)聲路路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對環(huán)焊縫坡口的最優(yōu)檢測，提高檢測效率。(3)通過對聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的控制，實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫坡口的動態(tài)聚焦檢測，提升全自動環(huán)焊縫檢測的效率。附圖說明圖1是楔塊幾何參數(shù)和探頭裝配位置的示意圖；圖2是超聲相控陣換能器形狀示意圖；圖3是0<φ<75°時(shí)反射法聲路路徑示意圖；圖4是75°≤φ<90°時(shí)串接法聲路路徑示意圖；圖5是φ＝90°時(shí)直接法聲路路徑示意圖；圖6是φ＝90°時(shí)串接法聲路路徑示意圖；圖7是90°<φ<180°時(shí)直接法聲路路徑示意圖；圖8是0<φ<75°時(shí)最優(yōu)聲路路徑MATLAB仿真示意圖；圖9是環(huán)焊縫相控陣超聲無損檢測自動動態(tài)聚焦方法流程框圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖9所示，鑒于超聲波相控陣檢測過程中，聲束路徑規(guī)劃對檢測和成像效果有重要的影響，以光線示蹤法為基礎(chǔ)，本發(fā)明建立一個(gè)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)對任意環(huán)焊縫坡口每個(gè)分區(qū)的自動最優(yōu)路徑規(guī)劃，進(jìn)而得到每個(gè)分區(qū)相對應(yīng)的相控陣中心陣元序號和聲束偏轉(zhuǎn)角度，通過費(fèi)馬定理，計(jì)算每個(gè)陣元到分區(qū)中心點(diǎn)的延時(shí)量，實(shí)現(xiàn)對環(huán)焊縫缺陷的動態(tài)聚焦檢測。圖1所示是楔塊幾何形狀及探頭裝配位置的示意圖，楔塊的上邊長為d1，下邊長為d4，高為d3，探頭在楔塊上的安裝位置為d2，傾角為θ，楔塊的聲速為cwedge。圖2所示是超聲相控陣換能器的形狀，探頭晶片長度為a，晶片寬度為b，晶片邊距為c，探頭寬度為d，探頭晶片總體數(shù)量為N。如圖3所示，以0<φ<75°為例，楔塊與環(huán)焊縫坡口中心線的距離為d5，選取內(nèi)管壁為X軸，環(huán)焊縫中心線為Y軸，建立直角坐標(biāo)系。以坡口上某一分區(qū)中心點(diǎn)(x,y)為聚焦點(diǎn)，根據(jù)光線示蹤法作出聚焦點(diǎn)到相控陣中心陣元的聲路路徑，計(jì)算相對應(yīng)的相控陣中心陣元X坐標(biāo)xTc。為保證每個(gè)被測區(qū)域的坡口面與檢測聲束盡量垂直，發(fā)射/接收中心陣元坐標(biāo)在可用中心陣元的分布區(qū)域，盡可能少的反射次數(shù)作為約束條件，得到如下的優(yōu)化模型：minz＝uΔθ+vxin+wxouts.t.xin＝x+(y+h)cot(π/2-φ)xRc=xTc=d3+xincotβ+(d1+d5)tanθcotβ+tanθ]]>γ＝φβ=arcsin(sinγ·cwedgecsteel)]]>β∈(0,arcsin(cwedge/csteel))Δθ＝β-θx1＝(8b+c+d2)cosθ+d5+d1x2＝(120b+c+d2)cosθ+d5+d1xTc,xRc∈[x1,x2]式中，xin是入射聲束聲軸與管道上壁交點(diǎn)的X坐標(biāo)，β為聲束在楔塊內(nèi)的入射角度，γ為聲束在管壁內(nèi)折射角度，cwedge是聲波在楔塊的傳播速度，csteel是聲波在鋼管壁的傳播速度，Δθ是楔塊中聲束入射角度和楔塊傾角的差值，[x1,x2]是探頭有效中心陣元X坐標(biāo)區(qū)間，z是目標(biāo)函數(shù)，滿足聲束反射次數(shù)最少且楔塊入射聲束與中心陣元盡可能垂直，u、v、w是目標(biāo)函數(shù)方程的系數(shù)，保證三個(gè)變量的最小值滿足最優(yōu)路徑規(guī)劃。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到需要聚焦的相控證中心陣元序號及聲束偏轉(zhuǎn)角度，再利用費(fèi)馬定理，計(jì)算每個(gè)陣元的延遲時(shí)間，完成對環(huán)焊縫缺陷的動態(tài)聚焦檢測。根據(jù)上面的過程，給出各參數(shù)的具體值，分別為：楔塊上邊長楔塊的上邊長為d1＝28.5mm，下邊長為d4＝93mm，高為d3＝43mm，探頭在楔塊上的安裝位置為d2＝5.5mm，傾角為θ＝30°，楔塊的聲速為cwedge＝2336m/s。超聲相控陣換能器的晶片寬度為b＝1mm，晶片邊距為c＝2mm，晶片總體數(shù)量為64，一組陣元數(shù)量為16。楔塊與環(huán)焊縫坡口中心線的距離為d5＝15mm，管道壁厚為17.5mm，管道中的聲速為csteel＝3460m/s。以兩毫米的寬度對坡口進(jìn)行分區(qū)，坡口的傾角φ＝60°，以第三個(gè)分區(qū)為例，該分區(qū)中心點(diǎn)坐標(biāo)為(5,8.66)。根據(jù)以上參數(shù)，建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，用MATLAB仿真聲路路徑優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。計(jì)算得到相控陣發(fā)射陣元的序號為5～20，延時(shí)分別為1.117，1.053，0.987，0.919，0.850，0.778，0.706，0.631，0.556，0.479，0.401，0.323，0.243，0.163，0.081，0。當(dāng)前第1頁1 2 3