淺析深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化標(biāo)

張海洋，曾湘東，雷正，李小白，袁征

（1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司海南分公司；2.天津北海油人力資源咨詢服務(wù)有限公司海南分公司，海南 海口 570312）

深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的檢測(cè)是油氣勘探與開(kāi)發(fā)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法由于環(huán)境限制存在一定的局限性，而相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)則能夠克服這些困難，成為一種更加適合這一特殊環(huán)境的無(wú)損檢測(cè)方法。在進(jìn)行深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的檢測(cè)過(guò)程中，首先，需要構(gòu)建一個(gè)合適的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過(guò)合理選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)射頻率和波束角度來(lái)獲得最佳的檢測(cè)效果。在實(shí)驗(yàn)室中準(zhǔn)備一系列模擬斜向缺陷的樣本，通過(guò)這些樣本對(duì)檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。隨后，通過(guò)調(diào)整靈敏度和波束聚焦設(shè)置，可以提高信號(hào)的接收和處理效率。在信號(hào)處理方面，可以采用合適的方法進(jìn)行斜向缺陷的特征提取和識(shí)別。常見(jiàn)的方法包括時(shí)域分析、頻域分析和圖像處理等。這些方法可以在高分辨率和高敏感性的基礎(chǔ)上，通過(guò)提取和分析信號(hào)的特征來(lái)判斷是否存在斜向缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)和采用合適的信號(hào)處理方法，可以顯著提高深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。此外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)不僅適用于深水高溫高壓環(huán)境下的鋼管斜向缺陷檢測(cè)，還具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在海洋工程領(lǐng)域，可以利用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)海底結(jié)構(gòu)和海洋生物進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)進(jìn)一步的研究和發(fā)展，相信相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)將成為一個(gè)重要的技術(shù)工具，為深水油氣開(kāi)發(fā)和海洋工程領(lǐng)域的安全與可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

1 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)（Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT）是一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于材料缺陷檢測(cè)、焊縫檢測(cè)等領(lǐng)域。相控陣超聲檢測(cè)通過(guò)控制多個(gè)晶片元的發(fā)射時(shí)序和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體內(nèi)部的超聲波束的控制和定向，從而獲得高分辨率的成像和缺陷定位。相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理組成。傳感器陣列是由多個(gè)超聲晶片元組成，每個(gè)晶片元分布在平行的陣列中，可以分別發(fā)射和接收超聲波。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)檢測(cè)要求來(lái)控制晶片元的發(fā)射時(shí)序和相位，從而形成所需的超聲波束。信號(hào)處理部分負(fù)責(zé)接收、放大和處理傳感器陣列的反饋信號(hào)，最后生成可視化的圖像或數(shù)據(jù)。

在相控陣超聲檢測(cè)中，超聲波的傳播遵循聲學(xué)物理學(xué)中的傳播規(guī)律。當(dāng)超聲波從傳感器陣列中發(fā)射出去后，會(huì)經(jīng)過(guò)材料的傳播介質(zhì)，其中一部分能量會(huì)被材料表面的反射，一部分能量會(huì)被材料內(nèi)部的缺陷或界面的反射和散射。接收到的回波信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)傳感器陣列的晶片元接收，并送入信號(hào)處理部分進(jìn)行分析和處理。

相控陣超聲成像主要依靠超聲波的路徑差原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波從傳感器陣列的不同晶片元發(fā)射出去時(shí)，由于路徑不同，其到達(dá)物體的時(shí)間也不同。通過(guò)調(diào)整晶片元的發(fā)射時(shí)序和相位，可以控制超聲波束的定向和掃描范圍。接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，可以形成在不同角度下的成像圖像，從而得到物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷信息。在深水高溫高壓環(huán)境下，相控陣超聲檢測(cè)面臨一些特殊的要求和限制。首先，由于水的吸收和傳播特性的影響，超聲波在水中的傳播受到限制，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)減小能量損失。其次，高溫和高壓環(huán)境對(duì)傳感器陣列和敏感元件產(chǎn)生一定的影響，需要選擇適合的材料和設(shè)計(jì)方法來(lái)滿足工作要求。

相控陣超聲檢測(cè)是一種高分辨率、全方位的非破壞性檢測(cè)技術(shù)。在深水高溫高壓環(huán)境下，需要針對(duì)特殊的要求和限制進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高檢測(cè)的可靠性和精度。

2 鋼管斜向缺陷檢測(cè)參數(shù)分析

鋼管是在石油和天然氣開(kāi)采過(guò)程中使用的重要管道材料之一，在深水高溫高壓環(huán)境下，鋼管可能受到高溫和高壓的影響，由于鋼材的熱膨脹和應(yīng)力作用，容易導(dǎo)致鋼管內(nèi)部產(chǎn)生斜向缺陷。斜向缺陷是指鋼管內(nèi)部形成的與軸線不垂直的缺陷，通常呈橢圓形或傾斜狀。

鋼管斜向缺陷對(duì)管道的強(qiáng)度和密封性能有著重要的影響，因此，需要進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)是一種常用的檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管內(nèi)部的斜向缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和評(píng)估。

在進(jìn)行鋼管斜向缺陷檢測(cè)時(shí)，需要考慮以下參數(shù)：

頻率：選擇合適的超聲波頻率是確保檢測(cè)精度的重要因素。高頻超聲波可以提供更高的分辨率和靈敏度，但在深水高溫高壓環(huán)境下，高頻超聲波的傳播受到限制，因此需要在頻率選擇上進(jìn)行權(quán)衡。

波束角度：斜向缺陷的檢測(cè)需要調(diào)整超聲波束的角度來(lái)保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)調(diào)整傳感器陣列的發(fā)射、接收角度和相位可以實(shí)現(xiàn)不同角度的超聲波掃描，從而得到更全面的檢測(cè)結(jié)果。

靈敏度：針對(duì)不同的缺陷形態(tài)和尺寸，需要調(diào)整超聲波的靈敏度。一般來(lái)說(shuō)，較大的斜向缺陷可以通過(guò)增加發(fā)射能量和接收靈敏度來(lái)提高檢測(cè)精度，而較小的斜向缺陷可能需要更高的靈敏度和分辨率。

波束聚焦：由于斜向缺陷具有傾斜的特點(diǎn)，通過(guò)波束聚焦可以減小檢測(cè)范圍，提高檢測(cè)靈敏度和分辨率。

信號(hào)處理：針對(duì)不同類型的斜向缺陷，需要選擇合適的信號(hào)處理方式來(lái)提取和分析回波信號(hào)。常用的信號(hào)處理方法包括幅度比較法、時(shí)間差法等。

鋼管斜向缺陷檢測(cè)參數(shù)的選擇應(yīng)考慮到鋼管材料特性、工作環(huán)境、缺陷形態(tài)、位置和尺寸等因素。通過(guò)合理選擇超聲波的頻率、波束角度、靈敏度、波束聚焦和信號(hào)處理方法，可以提高鋼管斜向缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化方法

3.1 發(fā)射頻率選擇

在深水高溫高壓環(huán)境下，由于超聲波在金屬材料中的傳播受到限制，常規(guī)的高頻超聲波在檢測(cè)深水高溫高壓環(huán)境下的鋼管斜向缺陷時(shí)，可能會(huì)受到干擾和衰減。因此，在選擇發(fā)射頻率時(shí)，需要權(quán)衡高分辨率和傳播能力之間的關(guān)系。低頻超聲波具有較好的傳播能力，但分辨率相對(duì)較低。相反，高頻超聲波具有良好的分辨率，但在深水高溫高壓環(huán)境下的傳播距離較短。

3.2 波束角度選擇

波束角度是指超聲波在鋼管中傳播方向與鋼管軸線的夾角。在檢測(cè)斜向缺陷時(shí)，調(diào)整波束角度可以使超聲波與缺陷更好地相互作用，提高檢測(cè)靈敏度和精度。斜向缺陷在鋼管內(nèi)的位置和方向不固定，因此，需要調(diào)整波束角度來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位的檢測(cè)。通常采用多個(gè)傳感器和多個(gè)發(fā)射接收角度來(lái)掃描鋼管，并利用相位調(diào)控技術(shù)對(duì)多角度的超聲波進(jìn)行合成，以獲得全方位的缺陷檢測(cè)結(jié)果。

3.3 靈敏度選擇

靈敏度是指超聲波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷的響應(yīng)能力。靈敏度的選擇受到缺陷形態(tài)和尺寸的影響。對(duì)于較大的斜向缺陷，可以通過(guò)增大發(fā)射能量和接收靈敏度來(lái)提高檢測(cè)精度。而對(duì)于較小的斜向缺陷，由于缺陷回波強(qiáng)度較弱，往往需要更高的靈敏度和分辨率來(lái)檢測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，可以確定不同缺陷形態(tài)和尺寸對(duì)應(yīng)的靈敏度范圍，以確定最佳的靈敏度設(shè)置。

3.4 波束聚焦選擇

波束聚焦是通過(guò)合理設(shè)計(jì)傳感器陣列的發(fā)射和接收線元來(lái)實(shí)現(xiàn)的。波束聚焦可以減小波束的散射范圍，提高檢測(cè)精度和分辨率。在鋼管斜向缺陷檢測(cè)中，可以根據(jù)缺陷位置和尺寸選擇合適的波束聚焦方式，如點(diǎn)聚焦、線聚焦等。通過(guò)調(diào)整聚焦方式和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置和尺寸的斜向缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3.5 信號(hào)處理選擇

針對(duì)不同類型的斜向缺陷，需要選擇合適的信號(hào)處理方法來(lái)提取和分析回波信號(hào)。常用的信號(hào)處理方法包括幅度比較法、時(shí)間差法等。通過(guò)對(duì)比分析不同方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，選擇最適合的信號(hào)處理方法。鋼管斜向缺陷檢測(cè)的參數(shù)選擇應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行優(yōu)化，包括發(fā)射頻率、波束角度、靈敏度、波束聚焦和信號(hào)處理方法等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，可以確定最佳的參數(shù)設(shè)置，提高鋼管斜向缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)樣本準(zhǔn)備：準(zhǔn)備一定數(shù)量和類型的鋼管斜向缺陷樣本，包括尺寸不同的劃痕缺陷、凹陷缺陷和腐蝕缺陷等。為了模擬深水高溫高壓環(huán)境，樣本應(yīng)具有與實(shí)際工況相似的材料和尺寸，例如，選用350MPa 的高強(qiáng)度鋼管。實(shí)驗(yàn)裝置搭建：搭建相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，包括傳感器陣列、發(fā)射接收電路、控制器等。保證傳感器陣列與樣本之間的最佳耦合，以確保超聲波的傳播和接收效果。參數(shù)優(yōu)化方法：根據(jù)前面的討論，選擇合適的發(fā)射頻率、波束角度、靈敏度、波束聚焦和信號(hào)處理方法。具體參數(shù)范圍可以先通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式確定，然后，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將鋼管斜向缺陷樣本放置在實(shí)驗(yàn)裝置中，通過(guò)控制器調(diào)整優(yōu)化后的參數(shù)，進(jìn)行相控陣超聲掃描。在接收到回波信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)處理方法提取和分析回波信號(hào)，得出檢測(cè)結(jié)果。

結(jié)果分析與比較：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與比較，評(píng)估優(yōu)化方法的性能。可以比較不同參數(shù)設(shè)置下的檢測(cè)靈敏度、分辨率和準(zhǔn)確性等指標(biāo)，確定最佳參數(shù)設(shè)置。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：檢測(cè)靈敏度和分辨率：通過(guò)比較不同參數(shù)設(shè)置下的檢測(cè)結(jié)果，評(píng)估不同參數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響。可以通過(guò)定量指標(biāo)（如信噪比）和視覺(jué)對(duì)比等方式進(jìn)行分析。缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率：評(píng)估優(yōu)化方法對(duì)不同類型和尺寸斜向缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確率?？梢酝ㄟ^(guò)與實(shí)際情況對(duì)比，計(jì)算缺陷檢出率和誤報(bào)率等指標(biāo)。實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性：評(píng)估優(yōu)化方法對(duì)掃描速度、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的影響?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)間和掃描結(jié)果的一致性，評(píng)估優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析，可以驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化方法的可行性與有效性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，并將優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)際的鋼管斜向缺陷檢測(cè)中，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化，提升了深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的檢測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理選擇發(fā)射頻率、波束角度、靈敏度、波束聚焦和信號(hào)處理方法等參數(shù)，可以提高檢測(cè)的靈敏度、分辨率和準(zhǔn)確性。針對(duì)不同類型和尺寸的缺陷，在適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置下，可以實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和可靠的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采用的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，適用于實(shí)際工程中的應(yīng)用。

然而，本研究還存在一些局限性和挑戰(zhàn)。首先，實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量較少，未能涵蓋所有可能的斜向缺陷情況。合理選擇樣本類型和數(shù)量，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，將有助于更全面地評(píng)估方法的有效性。其次，參數(shù)優(yōu)化方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。可以探索更多的參數(shù)組合和優(yōu)化算法，提高優(yōu)化的效果和效率。此外，本研究還沒(méi)有考慮實(shí)際施工過(guò)程中的復(fù)雜環(huán)境影響，如雜音、多次反射等。進(jìn)一步研究如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，提高檢測(cè)的魯棒性和適應(yīng)性，將是未來(lái)的研究方向。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索深度學(xué)習(xí)在相控陣超聲檢測(cè)中的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法，深度學(xué)習(xí)具有更強(qiáng)的自適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，可以更好地處理復(fù)雜、多變的信號(hào)。通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取和學(xué)習(xí)斜向缺陷的特征，將有助于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性。

另外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)還可以結(jié)合其他傳感器和技術(shù)，如紅外熱成像、電磁波檢測(cè)等，進(jìn)行多模態(tài)的檢測(cè)，以提高綜合檢測(cè)的效果和可靠性。例如，可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)管道的溫度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合聲波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。這樣可以提高對(duì)管道缺陷的檢測(cè)和定位精度。此外，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)還可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)智能化的缺陷檢測(cè)。通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，可以建立一個(gè)自適應(yīng)的模型，能夠自動(dòng)識(shí)別和分析不同類型的缺陷，甚至可以預(yù)測(cè)缺陷的發(fā)展趨勢(shì)和影響程度。

深水高溫高壓環(huán)境下鋼管斜向缺陷的檢測(cè)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，而相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)則是一個(gè)較為理想的解決方案。通過(guò)優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)、采用合適的信號(hào)處理方法和結(jié)合其他傳感器和技術(shù)，可以提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的推廣，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)將在深水油氣開(kāi)發(fā)和海洋工程領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。