GBT 31211.3-2026 无损检测 超声导波检测 第3部分：相控阵法标准立项发展报告

无损检测超声导波检测第3部分：相控阵法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Non-destructiveTesting—UltrasonicGuidedWaveTesting—Part3:PhasedArrayMethod摘要随着我国重大基础设施与能源装备向大型化、复杂化方向快速发展，在役管道、储罐底板、桥梁缆索及复杂结构件的大面积腐蚀、疲劳裂纹等隐蔽缺陷的快速筛查需求日益迫切。超声导波检测技术以其单点激励、长距离传播、全截面覆盖的独特优势，成为实现结构健康监测与在役检测的核心手段之一。其中，相控阵超声导波技术通过多阵元相位调控实现导波模态聚焦与方向控制，可显著提升缺陷检测分辨率和信噪比，是当前国际无损检测领域的研究热点和应用前沿。然而，我国迄今缺乏针对相控阵超声导波检测的专项国家标准，检测方法、设备性能要求和结果评价缺乏统一规范，制约了该技术在大规模工业检测中的推广应用。本标准（GB/T31211.3-2026）作为GB/T31211《无损检测超声导波检测》系列标准的第3部分，聚焦相控阵法在超声导波检测中的系统要求、设备性能、检测工艺、结果评定和报告记录等内容，旨在构建完整、科学、可操作的相控阵超声导波检测技术标准体系。本文从标准立项背景、技术内容框架、国内外标准对比、主要参与单位及未来展望等维度，对该标准的研制历程和核心要点进行了系统阐述。本标准的发布实施将填补我国在该领域的标准空白，为能源、交通、建筑等领域在役设施的安全评估提供关键技术支撑，对提升我国无损检测标准化水平和国际话语权具有重要意义。关键词：无损检测；超声导波；相控阵；标准研制；在役检测；结构健康监测Keywords:Non-destructiveTesting;UltrasonicGuidedWave;PhasedArray;StandardDevelopment;In-serviceInspection;StructuralHealthMonitoring1引言1.1研究背景超声导波检测技术起源于20世纪中期，其物理基础在于弹性波在板、管、杆等波导结构中传播时的频散特性和多模态特征。与常规逐点扫描式超声检测不同，导波检测利用波导结构的边界约束作用，使超声波沿结构延伸方向传播数十米甚至上百米，实现"一点激发、全域覆盖"的高效检测模式。这一独特优势使得超声导波技术在石油化工管道腐蚀筛查、储罐底板检测、热力管道保温层下腐蚀检测、桥梁缆索检测等领域获得了广泛应用。相控阵超声导波技术是在常规导波检测基础上发展起来的新一代检测方法。其核心原理是利用多个独立压电晶片组成的阵列探头，通过精确控制各阵元的激励时间延迟（延时法则），实现导波波前的相位调控，从而产生可转向、可聚焦的定向导波波束。相较于传统的环向均匀激励导波检测技术，相控阵导波能够在同一激励位置实现对不同方向缺陷的定向检测和聚焦扫描，大幅提升了缺陷定位精度、检测灵敏度和空间分辨率。同时，通过电子扫描方式替代物理移动探头，显著提高了检测效率，尤其适用于大型储罐底板、管道弯头区域和复杂搭接结构的快速检测。近年来，随着压电复合材料、微型化电子控制单元和先进信号处理算法的发展，相控阵超声导波检测设备已从实验室研究走向工业现场应用。国际上，美国、欧洲和日本等工业发达国家在该领域已开展了大量研究工作，并逐步推进相关标准制定。我国在此领域虽已有一定的技术积累和应用经验，但标准化工作明显滞后于技术发展和工程需求，亟需建立健全相关标准体系。1.2标准立项的必要性（1）行业发展的迫切需求。根据国家市场监管总局发布的统计数据，我国在用压力管道总里程已超过100万公里，储油储气罐数量庞大。这些设施长期服役于高压、高温、腐蚀性介质等苛刻环境，其安全运行直接关系到人民生命财产安全和生态环境安全。传统的定期停机检修模式效率低、成本高，难以满足现代工业连续化生产的安全保障要求。相控阵超声导波检测技术能够实现在线、快速、大范围缺陷筛查，是保障在役设施结构完整性的关键技术手段，亟需标准化规范引导。（2）标准体系建设的需要。GB/T31211《无损检测超声导波检测》系列标准目前已完成第1部分"一般要求"和第2部分"灵敏度"的制定。相控阵法作为导波检测技术中发展最快、应用前景最为广阔的方法分支，有必要设立独立标准部分予以系统规范。该标准的制定将进一步完善我国超声导波检测标准体系，实现从通用要求到专项方法的全覆盖。（3）与国际接轨的需要。目前，ISO/TC135（无损检测标准化技术委员会）正在积极推进超声导波检测相关国际标准的制定工作。我国作为ISO/TC135的积极参与方，加快国内标准研制进程，有助于将我国在该领域的技术实践和研究成果融入国际标准，增强我国在无损检测国际标准化领域的话语权和影响力。（4）规范市场秩序的需要。由于缺乏统一的技术标准和检测规范，目前国内从事相控阵超声导波检测服务的机构在设备配置、人员资质、检测工艺和结果评价等方面水平参差不齐，检测报告的可比性和可信度难以保障。通过制定本标准，有望有效规范检测服务市场，建立统一的技术门槛和质量评价准则。2标准编制依据与原则2.1编制依据本标准的编制严格遵循《中华人民共和国标准化法》及相关配套法规的要求，符合GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定，并与以下文件保持协调一致：-GB/T31211.1-2014《无损检测超声导波检测第1部分：一般要求》-GB/T31211.2-2014《无损检测超声导波检测第2部分：灵敏度》-GB/T9445《无损检测人员资格鉴定与认证》-GB/T5616《无损检测应用导则》-GB/T20737《无损检测术语超声检测》-ISO20601《无损检测超声导波检测》系列相关国际标准（如有）-ASTME2775《使用导波进行管类构件检测的标准实施规程》等相关国外标准2.2编制原则（1）科学性原则。标准的技术内容基于扎实的理论基础和充分的实验验证数据，确保各项技术指标和检测工艺要求具有科学依据和可验证性。（2）协调性原则。充分考虑与GB/T31211系列其他部分标准的技术衔接和内容协调，避免重复交叉和相互矛盾。（3）适用性原则。标准条款的设置兼顾不同行业应用场景的实际需求和技术水平差异，既不过于严苛制约技术应用，也不过于宽松失去规范意义。（5）开放性原则。标准技术内容尽量不限定具体设备品牌和型号，为不同厂商的设备留有公平竞争的空间，鼓励技术创新。3标准主要技术内容3.1标准适用范围本标准规定了采用相控阵超声导波方法对金属板状结构（包括板材、板结构件、储罐底板等）进行检测的通用技术要求。本标准适用于厚度为3mm~50mm的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等常见金属材料的板状结构。其他材料或其他厚度范围的板状结构，经合同各方同意并验证检测可行性后，也可参照使用。3.2规范性引用文件标准文本中列出了直接引用或参考的规范性文件清单，包括以上第2.1节所列的各项标准文件，确保标准使用者在执行本标准时可便捷查阅配套的技术规范。3.3术语和定义本部分对相控阵超声导波检测涉及的核心概念进行了统一定义，主要包括以下关键术语：（1）超声导波（Ultrasonicguidedwave）：在波导结构中传播，由结构边界连续反射和干涉而形成特定传播特性的弹性波。导波的传播特性依赖于结构的几何尺寸、材料特性和激励频率。（2）相控阵（Phasedarray）：由多个相互独立且可单独控制的压电换能器阵元按一定几何规律排列组成的换能器系统，通过调节各阵元激励信号的相位差来实现声束的偏转和聚焦。（3）延时法则（Delaylaw）：施加于相控阵各阵元的一组预设时间延迟值，用于控制各阵元激励或接收信号的相对相位关系，以实现特定的声束偏转、聚焦或模态控制目标。（4）聚焦法则（Focusinglaw）：一组特定的延时法则，使各阵元辐射的声波在预定焦点位置同相叠加，实现声能量在该点的增强。（5）模态（Mode）：导波在特定波导结构中传播时满足频散方程和边界条件的特定波动形态。板结构中常见的导波模态包括对称模态（Sn）和反对称模态（An）。（6）频散曲线（Dispersioncurve）：描述导波传播速度（相速度和群速度）与频率-厚度积之间关系的曲线图谱，是导波检测中模态选择和参数设定的理论基础。（7）损伤散射信号（Damagescatteringsignal）：导波在传播路径中遇到缺陷或不连续处时产生的反射、透射和模式转换信号，是缺陷识别和表征的信息载体。3.4一般要求本部分对使用相控阵超声导波检测技术开展检测活动提出了一般性要求，涵盖人员资质、设备要求、安全注意事项等方面：（1）人员资质：从事相控阵超声导波检测的操作人员和结果评定人员，应按照GB/T9445或等效标准取得相应等级的无损检测人员资格。鉴于该技术的专业性和复杂性，建议操作人员还应完成相控阵导波技术的专项培训，并取得相应培训合格证明。检测方案由责任工程师编制并审批，确保技术方案的合理性和可行性。（2）设备一般要求：相控阵超声导波检测系统一般由阵列探头、激励/接收电子系统（含多通道独立发射接收单元）、数据采集与处理单元、结果分析与显示软件等组成。系统应具备足够的通道数量（通常不少于16通道）和独立的收发通道，各通道之间的串扰应控制在允许范围内。设备应具备出厂校准证书和定期检定记录。（3）安全注意事项：检测过程中应遵守相关现场安全规定。在爆炸性环境中使用时，设备应符合相应的防爆等级要求。电磁干扰环境下应采取必要的抗扰措施。检测时使用耦合剂或探头安装装置不应损害被检对象表面。3.5检测系统与设备本部分对相控阵超声导波检测系统的构成、功能和性能指标提出了明确要求：（1）阵元布局与探头设计：探头设计需满足频散特性与模态选择性要求。阵元数量、尺寸、间距和排列方式应依据被检结构形式（板材等）进行优化设计，以保证在目标频率范围内能有效激励和接收所需模态的导波信号。（2）频率范围与频带宽度：系统应覆盖所适用结构的常用检测频率范围（如50kHz~500kHz），且应具备调节激励信号的中心频率和带宽的功能，以适应不同厚度、不同材料结构的检测需求。（3）通道独立性与一致性：各通道之间应具有良好的隔离度和一致性。在标准负载条件下，各通道之间的幅值一致性偏差应不超过±1.5dB，相位一致性偏差应不超过±5°。通道间串扰应低于-40dB。（4）激励信号参数：系统应支持不同形式的激励信号（如脉冲、正弦脉冲串、线性调频等），激励电压幅值、脉冲宽度/周期数等参数应连续可调。推荐采用汉宁窗等窗函数对激励信号进行调制，以减小旁瓣效应。（5）信号采集与数字化：数据采集系统应具有足够的采样率（至少为激励信号最高频率的5倍）和采样精度（不低于12bit），以确保信号的真实性和分辨力。单次采集的时间窗口应覆盖导波在被检区域内的完整传播时间范围。（6）软件功能要求：系统软件应具备延时法则计算和优化功能、扇形扫描和线性扫描控制功能、A扫/B扫/C扫和S扫等信号显示模式、频散曲线管理和模态识别辅助工具，以及数据存储与报告生成功能。3.6检测工艺检测工艺是本标准的核心技术内容，规定了从检测准备到缺陷判别的完整技术流程：（1）检测前准备：包括了解被检结构的几何参数（厚度、宽度、长度等）、材料参数（弹性模量、密度、泊松比等）、表面状态和可达性信息，选择合适的探头类型和布置方式，以及检测区域的表面清理。（2）频散特性分析：绘制被检结构在目标频率范围内的频散曲线，结合检测目的（如缺陷类型、最小可检出的缺陷尺寸与方位），选择合适的导波模态和检测频率范围。选择原则包括：所选模态在该频率范围内频散较弱、对目标缺陷敏感、易于激励和接收。（3）延时法则设计与优化：在选定的模态和频率基础上，通过理论计算和数值仿真确定初步的延时法则。对于聚焦检测模式，应根据目标聚焦深度计算各阵元的聚焦延时；在条件允许的情况下，可通过实际标定实验对延时法则进行优化修正。宜通过数值模拟预先评估声束偏转和聚焦效果。（4）检测系统设置与校准：按照设定参数配置仪器。在标准试块或被测结构上完成灵敏度校准，建立缺陷定量评价的参考基准。每次检测前应进行系统功能核查，确保系统工作正常。在设备状态变化时，应重新进行校准。（5）扫查方式选择：根据检测需求选用固定角度聚焦扫查、扇形扫查或线性扫查模式，或以多模式组合的方式实施检测。扫查区域应覆盖被检结构的全厚度截面和预定面积范围。（6）信号采集与处理：按照规定的扫查方案依次采集各检测位置的信号数据，实时观察信号质量，确保数据完整可靠。可采用时间平均、空间平均、滤波等手段提高信噪比；应特别注意避免混叠效应。（7）缺陷判别与定量：以人工反射体标定试样中的典型响应信号为参考依据，综合波包到达时间、幅值特征、频散特征、相位特性和模态转换特征等因素，判定被检区域是否存在异常反射信号。对判定为缺陷的信号，应根据标定曲线或相关算法估计缺陷的位置、尺寸和方向特征。综合评定缺陷严重程度时，应结合被检结构的设计参数和安全裕度等因素给出检测结论。3.7检测报告-委托单位、检测单位和检测日期等基本信息-被检对象的标识、描述和示意图-检测依据的标准和合同协议-检测设备和探头参数（含阵元布局、频率、通道数等）-检测参数设置（包含激励模式、检测模态、聚焦设置、增益等）-检测区域及覆盖范围的图示-检测结果（包括信号图、缺陷检出情况表）-缺陷定位定量数据及评定结论-检测人员及审核人员签字及资格等级说明-任何偏离标准要求的情况说明4与相关标准的关系分析4.1GB/T31211系列标准框架GB/T31211《无损检测超声导波检测》是我国超声导波检测领域的核心系列标准。该系列标准采用"通用要求+专项方法"的结构模式进行体系设计，目前已经发布的各部分所构成的完整框架体系如表1所示：|标准编号|标准名称|说明||---------|--------|------||GB/T31211.1-2014|无损检测超声导波检测第1部分：一般要求|规定了导波检测的通用技术要求||GB/T31211.2-2014|无损检测超声导波检测第2部分：灵敏度|规定了检测系统灵敏度设定和核查的方法||GB/T31211.3-2026|无损检测超声导波检测第3部分：相控阵法|规定了相控阵导波检测的专项技术要求|本标准第3部分作为系列标准的专项方法部分，在遵循第1部分一般要求的基础上，结合相控阵技术的特点进行了细化和补充。在术语使用方面，第3部分采纳了第1部分确立的基本术语体系；在设备要求方面，