1 前言

我国国土广袤，油气资源分布不均匀，因此，在油气运输时，必须采用长距离、大范围的管道运输，由于实际生产中，无法实现一根管道运输油气的形式[1]。因此，需将多段管道通过焊接的方式进行连接。焊接作为一种以加热、高温或者高压的方式接合金属的制造工艺，焊接件的质量取决于焊接工艺和焊接手段，一旦焊接过程中出现位裂纹、未焊透、气孔等缺陷，将会严重影响焊接件的使用寿命，严重时会造成巨大的经济损失和人员伤亡。

因此，作为整个管道系统性能最为薄弱环节的焊缝，其质量直接关系到整个系统的安全运行。但目前的传统检测方法在检测效率方面，都难以满足日益变化的检测需求[2]；随着超声无损评价的兴起，焊缝对定量超声无损检测方法具有强烈的需求，而考虑到焊缝的具体特点，相控阵超声因其声束柔性可控，检测精度高等特点成为了焊缝定量无损检测的最为有效手段之一。

2 油气管道焊缝缺陷基本情况

焊缝中的缺陷是影响油气管道焊缝质量的主要因素，下面介绍几种油气管道焊缝中的常见缺陷类型：

(1)裂纹：裂纹是一种常见的比较严重的面积型缺陷，它是由于在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏形成新界面并产生缝隙。裂纹可能出现在工件的表面，也可能出现在工件的内部。

图1油气管道焊缝裂纹缺陷

(2)气孔：气孔是一种点状缺陷。它的形成主要是由于在冷却焊接材料的过程中，气体未能及时排出，从而在焊缝中产生较为明显的孔穴。

图2油气管道焊缝气孔缺陷

(3)未焊透：未焊透是指被焊金属没有彻底熔入到焊缝的根部。未焊透缺陷会导致焊缝的有效截面积锐减，造成应力集中，从而降低了整体的强度和使用寿命，同时未焊透容易诱发其他的缺陷，例如裂纹缺陷等。

图3油气管道焊缝未焊透缺陷

(4)未熔合：未熔合是指焊道与焊道之间未彻底熔入一起。根据未熔合发生的部位可以分为坡口未熔合、根部未熔合等。

图4油气管道焊缝未融合缺陷

3 相控阵超声检测基础

目前超声检测正在往无损检测评价的方向持续发展，而相控阵以其声束可控、成像多样性等多种独特优势，成为了当下超声检测研究的热点。

根据惠更斯原理，相控阵超声声场空间内某一点的声压是所有相控阵换能器阵列单元在该点产生的声压叠加的结果，这里的叠加包括幅值和相位的叠加。在相控阵超声波束的合成与控制中，我们通过控制相控阵换能器阵元发射频率与相位差，利用波的干涉原理来实现波束的聚焦与偏转[3]。如图5所示，通过改变部分阵元组的脉冲激励顺序或者延迟时间，使声场中某些位置的振动得到加强或者减弱，实现相控阵超声波束的偏转与聚焦，改变相控阵换能器发射的波束覆盖范围。

图5相控阵超声的偏转聚焦

4 面向油气管道焊缝的相控阵超声检测

4.1 油气管道焊缝相控阵超声检测基础

若采用单一探头对油气管道焊缝进行相控阵超声检测，由于超声波束的扩散角以及声波在被检件内部散射的缘故，容易引起超声回波信号较弱，导致漏检现象。而单纯的通过提高激励电压的方式来增强超声回波信号，容易导致噪声信号与有用信号混杂，无法观测检测检测结果。

根据以上背景应运而生的相控阵超声检测，是根据油气管道的壁厚、坡口类型以及焊接填充次数将焊缝分成多个区域，采用独立聚焦探头对各个区域进行检测，并通过拉取时间门和幅度门来获取指定范围的超声回波信号[4]；在此基础上，采用颜色映射机制表示对应的超声回波信号的位置信息，用坐标表示幅值信息。

图6相控阵超声扫查原理示意图

4.2 相控阵超声检测结果的颜色表征

在检测前，人为地将焊缝划分为几个分区区域，针对各个分区区域的评价标准不同。其次，通过拉取时间门和波幅门内的信息来实现表征相对位置信息和幅值信息。波幅门信息为时间门和波幅门共同划定时间范围内回波幅值的指定值，它表征了缺陷区域内是否存在缺陷以及缺陷的当量大小[5]。这一信息使用颜色来表示，具体描述如下：幅值低于10%的信号一般为噪声信号，直接忽略，认为幅值为0；幅值在10%-40%之间的，用绿色块表示；幅值在40%-80%之间的，用红色块表示，并计入带状图内的幅值曲线；幅值超过80%的信号用黄色块表示，并计入带状图内的幅值曲线。通过利用人眼对不同颜色的敏感性不同，设置了相应的颜色，可以方便检测人员识别检测区域内是否有回波幅值超过指定的阈值。图7所示为不同位置、幅值下时间门和波幅门信息的示意图，图8所示为检测过程中某一分区带状图。