基于频域合成孔径聚焦的输电线路钢管杆超声导波成像检测文献学习体会

文献概况

本文发表于2024年《声学技术》第43卷第3期，由内蒙古电力（集团）有限责任公司包头供电分公司张鹏、徐贵、赵拥华、周胜堃、薛有强与浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室吕福在合作完成，系国家自然科学基金和内蒙古电力科技项目资助。研究针对输电线路钢管杆（带有拔梢斜度的大口径薄壁管）的超声导波检测中波束扩散导致周向分辨率降低的问题，提出了一种基于频域合成孔径聚焦技术（SAFT）的超声导波成像检测方法，并通过实验验证了其有效性。

核心观点与技术要点

输电线路钢管杆的结构特点与检测挑战

输电线路钢管杆是一种带有拔梢斜度的大口径薄壁管，其结构特点包括：

• 大口径：直径通常为400mm至800mm，本文试验对象直径为608mm；
• 薄壁：壁厚通常为4mm至8mm，属于典型的大径薄壁管；
• 拔梢斜度：沿杆身高度方向，管径逐渐减小，形成锥形结构；
• 焊接接头：采用螺旋焊或直缝焊接，焊缝沿杆身呈螺旋或直线分布。

大口径薄壁管的超声导波检测面临的主要挑战是波束扩散问题。当超声导波在大口径管壁中传播时，由于管径与波长的比值较大，导波模式在周向的扩散效应显著，导致周向检测分辨率降低。这一问题在大口径薄壁管的缺陷检测中尤为突出，可能漏检周向尺寸较小的缺陷。

频域合成孔径聚焦技术（SAFT）原理

合成孔径聚焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique, SAFT）是一种信号处理技术，通过合成多个不同位置的接收信号，提高成像分辨率。本文提出的频域SAFT方法，将超声导波信号转换到频域进行处理，通过相控阵聚焦的方式，实现缺陷的周向高分辨率成像。

从钢管制造的角度，钢管的几何精度（圆度、椭圆度、壁厚均匀性）直接影响超声导波的传播特性。钢管的椭圆度偏差会导致导波在周向的相位不一致，影响SAFT聚焦效果。因此，在钢管制造过程中，应严格控制钢管的几何精度，确保圆度和椭圆度满足标准要求。

实验验证与结果分析

作者采用构建的超声导波合成孔径成像检测装置，对直径为608mm的钢管杆进行超声导波扫查，获得了周向B扫描图像和频域合成孔径聚焦图像。对比结果表明，频域SAFT图像中散射体和通孔的周向检测分辨率明显优于B扫描图像。

从无损检测的角度，超声导波检测是钢管杆检测的重要方法，尤其适用于大口径薄壁管的内部缺陷检测。与传统超声检测方法相比，超声导波检测具有以下优势：

• 可实现长距离检测，减少检测时间；
• 对轴向裂纹、分层等缺陷敏感；
• 可实现全壁厚检测，不受壁厚变化影响。

与钢管制造及焊接工艺的结合

钢管制造质量对超声检测的影响

钢管的制造质量直接影响超声导波检测的可靠性。以下制造因素对超声检测产生重要影响：

1. 壁厚均匀性：壁厚偏差导致导波传播速度不一致，影响缺陷定位精度。建议钢管壁厚偏差控制在±5%以内，以确保超声检测的可靠性。
2. 焊缝质量：焊接接头是钢管的薄弱环节，焊缝中的未熔合、气孔、夹渣等缺陷会影响导波传播。建议在焊接后进行100%超声波检测，确保焊缝质量。
3. 表面质量：钢管表面的锈蚀、氧化皮、划伤等会影响超声耦合，降低检测灵敏度。建议在检测前进行表面清理，去除锈蚀和氧化皮。

焊接工艺对检测性能的影响

输电线路钢管杆通常采用螺旋焊或直缝焊接，焊接工艺的选择和焊接质量的控制对钢管杆的服役性能和检测性能均有重要影响。

• 焊接方法：推荐采用埋弧焊（SAW）或药芯焊丝电弧焊（FCAW），以获得高质量的焊缝。
• 焊接参数：焊接电流、电压和焊接速度的匹配至关重要，需通过焊接工艺评定确定最优参数组合。
• 焊后热处理：对于厚壁钢管，焊后热处理（PWHT）可消除焊接残余应力，减少应力腐蚀开裂的风险，同时改善焊接接头的力学性能。

关键疑问与工程实践思考

1. SAFT技术在复杂结构中的应用：输电线路钢管杆的拔梢斜度结构使得导波传播特性更加复杂，SAFT技术在锥形管中的适用性需要进一步研究。
2. 多模式导波的分离与识别：大口径薄壁管中存在多种导波模式，模式之间的耦合和干扰会影响检测精度。建议采用频域滤波或模式选择技术，提高检测的可靠性。
3. 缺陷定量评价：SAFT技术可提高缺陷的周向分辨率，但缺陷的定量评价（如尺寸、深度）仍需结合其他无损检测方法。

学习心得与启示

本文献的研究成果为输电线路钢管杆的无损检测提供了新的技术手段。作为钢管与焊接技术领域的从业者，我深刻体会到：无损检测技术的进步与钢管制造质量的提升是相辅相成的。

从焊接质量控制的角度，建议在实际工程中建立焊接工艺评定与无损检测的联动机制。焊接工艺评定的结果应作为无损检测方案制定的依据，而无损检测发现的质量问题应反馈到焊接工艺改进中，形成持续改进的闭环管理。