Page 150 - 《应用声学》2023年第1期
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1 (√ 2 2 )
0 引言 ∆t i = v d + x − 2d f x i cos(θ + π/2) − d f ,
i
f
(1)
作为最普遍、最经济、最安全的运输方式，管
其中，i 为从聚焦反方向最外侧阵元开始计数的阵
道运输在中国能源储运方式中占据了极为重要的
元序号；∆t i 为第 i 个阵元的激励信号延迟时间 (s)；
地位。截至 2020 年底，中国油气管道总里程达到
d f 为聚焦深度 (m)；x i 为阵元相对位置 (m)；θ 为聚
16.5 × 10 km，至 2025 年，我国长输管道总里程预
4
焦偏转角弧度(rad)；v 为超声波波速(m/s)。压电相
计将超过 24 × 10 km。管道运输已成为保障我国
4
控阵探头激励偏转聚焦的超声波，超声波在传播路
能源安全的生命线 [1] 。然而我国陆上油气管道中约
径上遇到气孔、夹渣等缺陷时会产生反射波，利用
有一半处于老化的阶段，管道老化腐蚀问题，已严重
探头接收这些异质界面产生的反射波，再根据延时
制约我国油气管道的运输安全 [2] 。针对老化腐蚀的
叠加成像算法得到能够显示缺陷的扇扫成像。
管道，主要有两种修复方式：传统修复方式和在役焊
接修复方式。传统修复方式需要对管道进行停输停
ဗॎᝈཝᎋ ݓኔ
压处理，不仅会带来经济损失，还会造成环境的污 ኮ᥋
染。而B型套筒修复技术作为有效的在役焊接修复
方式，可以有效克服这两个问题，因此正逐渐成为主
要的修复方式 [3−6] 。在B型套筒修复技术实施的过
程中，需要大量地采用环形角焊缝焊接将套筒与管
道焊接固定 [7] ，而在焊接的过程当中，环形角焊缝 (a) Bیݓኔፇ
区域内常常会产生气孔、夹渣等缺陷，这些缺陷的 ᄱ
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存在会影响修复质量，甚至产生泄漏隐患 [8−9] 。因
此，需要通过有效的检测手段对角焊缝内部缺陷进 ᝈཝᎋ
ݓኔ
行定量分析。
相控阵超声检测技术由于其检测速度快、信噪
比高、可检深度大、缺陷定位准确、便于工程应用 ኮ᥋
的优点，目前正愈发广泛地应用于管道焊缝的检测
(b) ᝈཝᎋᄱᡔܦೝவข
中 [10−12] 。然而，现有的检测方法仅能实现对缺陷
的有效定位，在缺陷的定量方面仍然有较大局限。 图 1 B 型套筒角焊缝内部缺陷相控阵超声检测
由于 B 型套筒角焊缝结构的特殊性，对于以气孔、 Fig. 1 Phased array ultrasonic testing for internal
夹渣为代表的径向剖面内呈圆形的孔型缺陷的相 defects of type-B sleeve fillet welds
控阵超声检测，缺陷的定量一直是一个难题 [13−17] 。
采用相控阵超声对 B 型套筒角焊缝结构进行
本文通过数值模拟与实验相结合，研究采用相控阵
检测时，声波的传播与缺陷的成像主要是沿着管道
超声无损检测对 B 型套筒角焊缝内气孔、夹渣等孔 的径向切面，想要获得缺陷的周向位置和大小信息
型缺陷扇扫时，通过检测信号中的不同特征可以有
只需要通过不同周向角度下扇扫结果的合成。因此
效判定缺陷的大小。
只需要建立二维的数值模拟模型，就可以充分地模
拟 B 型套筒角焊缝相控阵超声检测，同时还可以极
1 数值模拟
大地减小计算量，提高计算效率。因此，根据图1(b)
1.1 B型套筒角焊缝数值模拟方法 中角焊缝相控阵超声检测方法的示意图，建立图 2
在 B 型套筒角焊缝结构 (如图 1(a) 所示) 的相 所示的二维 B型套筒角焊缝数值模拟基本模型 [19] 。
控阵超声检测中，通常将斜入射相控阵探头置于套 本研究所采用的 B 型套筒及焊缝的材料为 X70 管
筒外壁 (如图 1(b) 所示) 对角焊缝区域的缺陷进行 线钢，因此将数值模拟的材料参数设置与 X70 管线
扇扫检测。根据延时聚焦法则 [18] ： 钢一致，其材料弹性模量为210 GPa，泊松比为 0.3，
