环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测技术的研究

摘要

管道被誉为是现代工业和人类生活的大动脉，而环形焊接是管道应用的基础，对保卫国家能源安全，保障经济建设和居民生活具有巨大影响。焊缝作为管道最脆弱的部分，是决定管线建成后安全、有效和稳定运行的关键因素，因此对无损检测技术有强烈的需求。在众多的无损检测技术中，超声衍射时差(Time of Flight Diffraction，TOFD)成像检测技术经过多年发展，具有突出的技术优势，成为了焊缝质量评价的重要手段，采用人工方式实施的技术已经成熟并得到了广泛应用。但是，随着管道应用的规模化、尺寸的大型化以及铺设的高空化或地下化，使得环形焊缝检测工作量巨大，任务更为艰巨和危险，人工检测技术已日益表现出难以满足这种发展需求，必须发展自动化超声TOFD成像检测技术。为此，本文结合国家自然科学基金项目“基于旋转声场的高性能自动化在线超声无损检测理论与实践研究”(NO.51175465)，提出开展环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测技术的研究。根据环形焊缝自动化在线超声TOFD检测的特点，在建立基于水膜耦合的超声TOFD检测模型的基础上，发展一种提高超声TOFD检测信号时间分辨率的方法，精确检测水膜耦合环境下超声TOFD检测信号的波达时间，并结合图像处理以及拉直与校正处理等技术手段，完成高质量的环形焊缝超声TOFD B和D扫描自动化成像，进而实现焊缝缺陷的定量检测。同时，成功研发了一套环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测系统，达到焊缝在线质量监控与评价的实用化水平。具体研究工作包括:
　　第一章，论述管道运输对国民经济和人类生活的巨大影响以及开展环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测的重要意义。系统分析超声TOFD成像检测技术的研究现状及其发展趋势，并结合自动化检测的特点，明确环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测所要解决的问题，为本文的研究指明方向。
　　第二章，在明确超声TOFD成像检测原理的基础上，分析相关超声TOFD检测信号的特性以及超声TOFD探头的声束覆盖范围和频率分布，并提出环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测系统的功能目标，完成其总体方案的设计，明确有待解决的关键技术。
　　第三章，根据自动化在线检测的特点，在建立基于水膜耦合的超声TOFD检测理论模型的基础上，推导相关检测信号波达时间和缺陷定量的计算方法，并发展了一种基于裂谱子带分解与SpaRSA算法的反卷积稀疏化技术，提高超声TOFD检测信号的时间分辨率，从而精确确定水膜耦合环境下超声TOFD检测信号的波达时间，为实现环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测奠定必要的技术基础。
　　第四章，完成环形焊缝超声TOFD的B和D扫描自动化成像，实现对成像结果的拉直与校正处理，并进一步采用幅度变迹合成孔径聚焦技术和反卷积稀疏化技术分别改善图像横向和纵向分辨率，达到友好表征超声TOFD成像结果的目的。
　　第五章，基于分布式体系结构和模块化设计策略，采用便携式计算机作为上位机及ARM+FPGA为现场中心测控单元，在完成硬件部分、软件部分和机械扫查装置等关键模块开发的基础上，成功研发了一套环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测系统。同时，还利用该系统对实际钢管的环形焊缝进行检测应用，以验证所研发系统和技术的性能。
　　第六章，对全文的研究工作进行系统总结，展望未来开展深入研究的方向。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本文的研究背景与意义

1．1．1 环形焊接是管道应用的基础，对国民经济产生巨大的影响

1．1．2 焊缝是管道中最脆弱的部位，对无损检测技术需求强烈

1．1．3 超声TOFD成像检测技术优势明显，正向自动化方向迈进

1．2 超声TOFD成像检测相关技术研究现状及其发展趋势

1．2．1 检测机理日益明晰，检测方法不断涌现

1．2．2 检测标准日趋完善，应用范围不断扩大

1．2．3 信息技术广泛应用，技术性能大幅提高

1．2．4 人工检测业已成熟，自动检测正在兴起

1．3 自动化超声TOFD成像检测是环焊缝在线质量监控的有效手段

1．4 本文的研究内容及其章节安排

第二章 环形焊缝超声TOFD成像检测原理及其系统总体方案

2．1 引言

2．2 环形焊缝超声TOFD成像检测原理

2．2．1 超声TOFD检测原理及其相关信号的特性分析

2．2．2 环形焊缝超声TOFD成像技术

2．2．3 超声TOFD探头声束覆盖范围和频率分量的计算

2．3 环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测系统的总体方案

2．3．1 功能目标

2．3．2 总体方案

2．3．3 有待解决的关键技术

2．4 本章小结

第三章 基于水膜耦合的超声TOFD信号波达时间检测技术

3．1 引言

3．2 基于水膜耦合的超声TOFD检测理论模型

3．2．1 信号波达时间和缺陷定量计算方法

3．2．2 精度影响因素的分析

3．3 超声TOFD检测信号时间分辨率的改善方法

3．3．1 基于SpaRSA算法的反卷积稀疏化技术

3．3．2 超声TOFD信号的子带分解及反卷积参考信号的选取

3．3．3 超声TOFD检测信号稀疏化的实现

3．4 实验研究

3．5 本章小结

第四章 环形焊缝超声TOFD成像检测技术

4．1 引言

4．2 环形焊缝超声TOFD成像技术

4．3 环形焊缝超声TOFD图像处理技术

4．3．1 直通波拉直处理

4．3．2 图像厚度校正处理

4．3．3 图像分辨率的改善方法

4．4 本章小结

第五章 环形焊缝自动化在线超声TOFD成像检测系统

5．1 引言

5．2 系统研发

5．2．1 关键功能模块的开发

5．2．2 系统集成

5．3 实验研究

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献