管道在各个领域具有广泛应用,而焊接是管道铺设应用的基础工艺。因此,在管道中势必存在大量的焊缝。然而,焊缝是整个管道系统性能最为薄弱的环节,其质量直接关系到整个系统的安全运行,因而必须对其进行质量检测和评价。目前,尽管无损检测方法很多,但超声无损检测技术因其携带信息丰富、穿透能力强、分辨率高、对人体无害和易与信息技术相结合等优点,已经成为焊缝无损检测的重要手段。但随着管道应用的日益增长,加之管道"上天入地"式的铺设方式,传统手工检测方法无论是检测效率,还是检测的可达性,都难以满足目前管道的发展需求;另一方面,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,分区检测应该是焊缝定量超声无损检测的有效手段,但由于传统采用多探头实施的分区检测方法,其无论是在应用适应能力,还是在检测性能方面,都面临诸多挑战。基于以上背景,本论文在国家自然科学基金项目"圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究"(No.51675480)资助下,提出开展基于相控阵超声的管道焊缝分区检测系统的研发。在系统了解管道焊缝分区检测和相控阵超声成像机理以及相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,建立相控阵超声成像理论基础,确定管道焊缝相控阵超声分区检测系统总体方案,完成面向高分辨率分区检测的相控阵声束合成与控制、’焊缝多模式超声成像及其结果表征等关键技术的研究,研发出一套基于相控阵超声的管道焊缝分区检测系统,为管道环形焊缝的定量超声无损检测奠定必要的技术基础。本文主要的研究内容与创新点在于：:第一章,论述管道物料输运的意义及开展环形焊缝无损检测的重要性,系统总结管道无损检测相关技术的研究现状及其发展趋势,分析管道环形焊缝超声无损检测所面临的问题,明确以基于相控阵超声的焊缝分区检测为本文的研究目标,并推进其向定量化和自动化方向发展,为后续的研究指明方向。第二章,根据波动方程及点源的声场分布,在采用瑞利积分推导单个矩形活塞式阵元声场理论表达式的基础上,实现相控阵活塞式超声换能器的波束合成与控制。同时,完成基于相控阵超声的管道环形焊缝分区检测系统总体方案的设计,并进行功能模块的划分,明确有待解决的关键技术。第三章,开展相控阵超声分区检测声场理论研究。利用角谱法分别实现均匀介质内及叠层介质内相控阵超声聚焦声场的理论计算,并明确不同相控阵换能器几何参数对聚焦声场的影响。同时,以焊缝各分区区域内声场聚焦位置为起始点,根据管道壁厚及焊缝与相控阵换能器之间的相对位置,利用费马定理反演确定相控阵换能器中参与发射和接收的阵元序列,从而建立焊缝分区检测声场的聚焦法则,实现检测波束的合成与控制。第四章,开展管道环形焊缝相控阵超声分区检测成像的研究。在实现机械扫查运动和探头耦合水控制的基础上,将双门带状图、B扫查成像和TOFD成像有机结合,实现焊缝复合式超声成像,其中双门带状图表征各个分区内回波的位置和幅值,B扫查成像表征焊缝横截面缺陷的分布情况,而TOFD成像主要用于凸显检测焊缝中心区域的小型缺陷,从而达到全面、准确和定量表征焊缝缺陷的目的。第五章,采用分布式体系结构、模块化设计策略,以多模式通讯总线为信息传输桥梁,在重点研发扫查机构、基于CAN总线的运动测控模块和基于PXI总线的相控阵超声检测板卡等关键硬件及相关软件模块的基础上,研发了一套基于相控阵超声的焊缝全自动分区检测系统。同时,利用研发的系统对人工试块开展相关实验研究,以证实论文研发技术的可行性和有效性。第六章,对本文的研究工作进行回顾和总结,对下一步的研究工作进行展望。