王维斌 冯展军 艾慕阳 王琨
中石油管道研究中心 河北廊坊 065000
摘要：
本文探讨了利用相控阵方法控制纵波探头阵列提高超声导波激励能量的方法。并针对实际中不同的可达检测范围，提出了可用的探头阵列布置方式。为提高超声信号的接收灵敏度，引入了数字聚焦方法，并给出了利用数字聚焦进行图像重建的基本公式。实验证明利用该公式进行图像重建是可行的，能够对缺陷的位置和形貌等参数做出较为准确的反演。
关键字：超声导波 相控阵 储罐底板 图像重建
Storage Tank Floor Defect Inline Inspection
with Ultrasonic Guided Wave Technique
Weibin Wang, Zhanjun Feng,Muyang Ai,Kun Wang
Petrochina Pipeline R&D Center, Langfang, Hebei, 065000
Abstract:
In this report, we discussed the method that utilizes the control method of phased array. An arrayed longitudinal wave probe is controlled to enhance the excitation energy. Viable probe layouts are presented according to different size of inspection area. In order to improve the sensitivity of receiving signals, digital focusing method is adopted and the equation for image reconstruction is presented. The experiment shows that it is viable using this equation. It helps to locate the defect position and determine its size.
Keywords: Ultrasonic Guided Wave, Phased Array, Storage Tank Floor, Image Reconstruction
0 引言
随着工业的发展和经济的进步，能源的消耗日渐增加，石油用量急剧增长。采油、炼油以及相关的化工生产也不断扩大规模，石油储罐作为油品储运过程中不可或缺的设备，其数量和容量也在不断增加，随着上述行业的发展得到了越来越广泛的应用。
由于石油储罐的使用条件以及环境条件中不利因素的影响，石油储罐容易发生腐蚀穿孔，裂纹扩展甚至局部破裂等较为严重的损伤，造成存储介质泄露，导致环境污染、经济财产损失，严重的甚至引发严重事故，造成人员伤亡。
因此保证石油储罐的安全、正常运行，定期开展对储罐的在役无损检测是一项必要和重要的工作。储罐的检测主要是针对底板和侧壁的腐蚀及其他损伤的检测，目前使用较多的为超声检测方法。由于底板和侧壁的二维尺度都很大，具有典型的板状结构，因此应用超声导波对储罐损伤进行检测是较为合适的检测方法，也是当前的研究热点之一[1,2 ]。
使用超声导波对石油储罐的底板或侧壁进行检测的主要难点如下：检测导波需要覆盖板状结构中很长的距离范围，而且由于石油储罐的结构特点，导波在传播过程中会遇到多道搭接焊缝或者对接焊缝，这些焊缝不仅会混淆缺陷的识别，同时也大大增加了超声能量的衰减。此外，由于石油储罐的工作条件，在对侧壁检测时，其界面条件是一侧是油，一侧是空气，钢和油的分界面会造成超声导波能量的散失；对底板检测时，界面条件是一侧是油，一侧是固态地基，两侧的界面条件都会造成导波能量的散失。
由上述分析可知，应用超声导波进行石油储罐的检测时，导波的衰减和畸变较为严重。因此除了选择合适的导波模态之外，还应该提高导波的激励能量和系统的接收灵敏度；另外，有效的检测信号识别、处理方法也是必不可少的。
实验证明，在较大频厚积条件下，在板状结构中侧壁激励的纵波是一种比较有效的检测方式[3]。本文以此为基础，主要研究了采用相控阵方法[4]提高板中导波的激励能量，利用数字聚焦技术提高系统的接收灵敏度，以及对被检区域的图像重建等问题，以期能够解决石油储罐超声导波检测中存在的一些问题。
1 探头阵列的布置形式
由于石油储罐所需的检测范围较大，为提高导波激励的能量，可以选用多个超声探头构成探头阵列，按照相控阵的控制原理，以一定的时序激励各个探头，控制各探头的合成波阵面，满足聚焦或者偏转等需求。
如图1所示，根据不同的检测范围，被检材料的衰减情况，以及缺陷特征等参数，将探头阵列进行分组；确定探头的布置方式，每组的探头数以及该组探头的功能（发射、接收、或者自发自收等）。在不损失检测灵敏度的前提下，实现对检测范围的有效覆盖，兼顾检测效率。
图1（a）所示为单个探头即可覆盖检测范围的情况，此时将探头阵列均布，以提高检测效率。图1（b）所示为通过单侧聚焦，探头阵列能覆盖检测范围的情况，此时将探头布置在一侧，通过分段聚焦进行检测。图1（c）所示为单侧聚焦时仅能覆盖一半检测范围的情况，此时需要两组探头配合，一组发射一组接收，才能实现对全范围的检测。图1（d）所示为当前激励条件只能覆盖局部的情况，如果需要实现对未覆盖区域的检测，需降低检测分辨率和灵敏度才能实现。
2 数字聚焦及图像重建
数字聚焦的原理可简单表述如下：如图1（d）所示，将两组探头阵列按一定角度布置，二者均能对被检测区域形成有效的覆盖，每一个探头既可以作为发射器也可以作为接收器。两组探头阵列分别编号为1、2,二者探头数相同为m，并对其中的探头按照位置编号，依次为1,2,…,m。
根据目标探测区域的范围，超声探头的频率以及声波传播速度，可以估算从发射阵元到距此最远的目标点的传播时间t1，以及由该点产生的散射波到达距该点距离最远的接收探头所需要的时间t2，取二者的和再增加一定的延迟时间，作为各探头接收信号的采样时间，采样率根据要求的空间分辨率来定。
设k（k=1,2）组编号为i的探头发射，l(l=1,2)组编号为j的探头接收到的超声信号记为
。如果考虑全部组合，则可以获得4×m×m组数据。
所谓数字聚焦是指按照相位关系，根据目标聚焦点的不同，将采集完成的按照不同的延时参数进行叠加，以取得对目标点的聚焦接收效果。该方法是文献[5]中提出的虚拟合成聚焦方法的一种推广。根据文献[5]中的结论，此方法可以大为增加缺陷信号幅度，从而有效的提高检测灵敏度。
设探测区域内的某一目标聚焦点坐标为(x,y)，则该点的与声压成正比的函数P(x,y)可以用下式表示：
其中，
：是对离散采样后的信号；
： k组第i个发射探头几何特征和声场特性修正项；
： l组第j个接收探头几何特征和声场特性修正项；
：目标聚焦点的几何特征及声场特征修正项；
：k组第i个探头发射信号的最大幅值；
：k组第i个探头发射，l组第j个探头接收的相位修正项。
具体应用的每一修正项，均要通过对检测声场的实验分析和研究，才能最终确定有效的修正函数。
按照公式(1)即可获得检测区域内任意目标点的声压值，将各点的声压值按照对应坐标值分布成图像，即完成了基本的图像重建。
3 图像重建实验
为便于使用动态光弹设备分析声场，使用K9光学玻璃作为检测试件，尺寸为100mm×100mm×25mm,正中开有直径为30mm的通孔。使用超声阵列探头，采用侧壁耦合，探头频率为6.5MHz,阵元宽度为2mm,阵元数为22。如图2所示，图中画出了某阵元发射时声波的传播路径。实验中分别在四个侧面采集了发射/接收信号。
图3列出了四组从实验数据中选取的波形图，所示为发射阵列探头某阵元发射，接收阵列探头所有阵元接收的波形排列，图中横坐标为时间，纵坐标为阵元位置。从中可以看出，波形图的变化有一定的规律性，但是由于直达波、边角散射，界面波形转换等干扰波形存在，使得整个波形显得十分复杂，不能明显的分辨出圆孔的散射波。
图4为利用公式（1）对整个样品进行图像重建的结果。其中中央圆孔的像比较清晰，但是也增加了很多不存在的伪像，这主要是由于直达波的影响，当然公式（1）中各修正项的合理选择对成像的效果也有很大的影响。直达波的影响可以通过滤波手段去除，而各修正项的选择则需要比较系统的实验数据的支持。
4 结论
超声导波检测是石油储罐在役检测的主要手段，由于石油储罐的结构特点和工作条件的限制，超声导波在储罐检测过程中的衰减尤为严重。本文探讨了利用相控阵方法控制纵波探头阵列提高超声导波激励能量的方法。并针对实际中不同的可达检测范围，提出了可用的探头阵列布置方式。为提高超声信号的接收灵敏度，引入了数字聚焦方法，并给出了利用数字聚焦进行图像重建的基本公式。实验证明利用该公式进行图像重建是可行的，能够对缺陷的位置和形貌等参数做出较为准确的反演。但是应用此方法进行声成像时，在信号滤波，公式的简化和实用化方面还需要进一步的工作。
5参考文献
[1] X. Jun, L. Liu, “Flaw Testing of Tank Floor by Ultrasonic Guided Waves,” Non-destructive Testing (Chinese Journal), 01-2008.
[2] Y. Xu, F. Liu, “Advanced Integrity Inspection Techniques for Large Vertical Storage Tanks,” Non-destructive Testing (Chinese Journal), 08-2007.
[3] Greve, D. W., Zheng, P., and Oppenheim, I. J., “Excitation of longitudinal and Lamb waves in plates by edge-mounted transducers,” Proc. IEEE Ultrasonics Conference, New York, October 2007.
[4] W. Zhu and R.L. Rose, “Lamb Wave Generation and Reception with Time Delay Periodic Linear Arrays: A BEM simulation and experimental study,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control vol. 46, pp. 654-664, 1999.
[5] Y. Yang, Y. Chen, De. Fu, “A New Method of Phased-array Ultrasonic Used in NDT,” Sensor World, 2003(05), pp. 5-8.