相控陣超聲檢測技術(shù)核電應(yīng)用前景展望

劉云　盧威　王羽翀

【摘 要】相控陣超聲技術(shù)以其優(yōu)越的性能越來越引起人們的重視，相控陣超聲技術(shù)在無損檢測行業(yè)中已逐步得到廣泛的應(yīng)用。本文通過對相控陣超聲技術(shù)原理、常用模式以及典型應(yīng)用的介紹，展望相控陣超聲技術(shù)在核電無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并提出相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】相控陣；超聲檢測；核電

中圖分類號： TB559；TL351.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0251-003

【Abstract】For Phased Array Technologys excellent performance in Ultrasonic testing，it increasingly draws our attention，and has been already widely applied in NDT.This paper introduced Phased array principle，usual mode and typical application，Then discussed the present and developmental applications in nuclear power industry，F(xiàn)inally，some suggestions for Phased Array Technology application in nuclear power industry are put forward.

【Key words】Phased Array；Ultrasonic Testing；Nuclear power industry

超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)B超成像。由于相控陣系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動傳播的復(fù)雜性、成本費(fèi)用高以及市場相對較小等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受限。近20年來，隨著復(fù)合壓電晶片材料、脈沖信號控制以及信號處理分析技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣超聲技術(shù)以其優(yōu)越的性能越來越引起人們的重視，歐美等發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年研究，已逐步將相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用于某些工業(yè)領(lǐng)域的無損檢測，例如石油管道焊縫檢測、海洋鉆井平臺結(jié)構(gòu)焊縫檢測、火車輪軸檢測、航空材料檢測等領(lǐng)域。相控陣超聲檢測技術(shù)近些年也開始逐步在國內(nèi)一些工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，最廣為人知的就是“天然氣西氣東輸工程”中大口徑管道環(huán)焊縫檢測的相控陣超聲技術(shù)應(yīng)用。

本文通過對相控陣超聲技術(shù)原理、常用模式以及典型應(yīng)用的介紹，展望相控陣超聲技術(shù)在核電無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并提出相關(guān)建議。

1 相控陣超聲技術(shù)原理

1.1 相控陣超聲技術(shù)設(shè)計原理

相控陣超聲技術(shù)的設(shè)計基于惠更斯原理，通過控制相控陣探頭上每個獨(dú)立細(xì)小晶片的激發(fā)和接收時序，在不同的時間內(nèi)相繼激發(fā)陣列探頭中的各個單元，各個晶片激發(fā)的波有先后，這些波的疊加形成新的波前，因此可以將超聲波的波前聚焦并控制到一個特定的方向，以不同角度輻射超聲波束，實現(xiàn)不同的聲波特性，如：聲束方向、焦點位置和焦點尺寸等[1]。

1.2 相控陣超聲探頭的組成

相控陣超聲探頭由多個相互獨(dú)立的壓電晶片組成陣列，每個壓電晶片都可以獨(dú)立接受信號控制（脈沖和時序），即一個相控陣探頭相當(dāng)于多個常規(guī)探頭組合而成，如圖1。相控陣激發(fā)的超聲波進(jìn)入材料后，仍然遵循超聲波在材料中的傳播規(guī)律，因此，對于常規(guī)超聲檢測應(yīng)用的頻率、聚焦、入射角、回波幅度與定位等等，相控陣超聲檢測也同樣適用。

1.3 相控陣超聲技術(shù)的聲束控制方式

相控陣超聲技術(shù)對超聲波聲束的控制有以下幾種方式：

1）聲束角度控制

聲束角度的控制是通過疊加聲波波前的形式實現(xiàn)的。同時激發(fā)一個一維線性相控陣探頭上的所有晶片，那么每個晶片發(fā)射出的聲波波前與發(fā)射晶片的距離相等，疊加后的聲波波前平行于探頭的晶片表面，聲場情況與一個有同樣面積的單晶片直探頭產(chǎn)生的聲場十分類似，如圖2A所示。

相控陣控制單元能夠以不同的延遲時間按順序的一個接一個的激發(fā)陣列中的晶片。按順序被激發(fā)的每一個晶片會發(fā)射出聲波，在某一時刻，疊加后的聲波波前將不再平行于探頭的晶片表面，而是與晶片表面成一定的夾角，這一聲場情況與一個有同樣面積的單晶片斜探頭產(chǎn)生的聲場十分類似，如圖2B所示。通過改變每個晶片的激發(fā)時序時間，就可以得到與晶片表面成不同夾角的疊加波前。

2）聲束聚焦控制

調(diào)整晶片的激發(fā)時序時間，可以產(chǎn)生聚焦聲束。這時，每個獨(dú)立的聲波波前疊加后的趨勢是向著焦點處聚焦，當(dāng)精確控制激發(fā)的時序時間后，將會使波束聚焦在想要的焦點上，如圖3所示。

2 相控陣超聲技術(shù)常用檢測模式

相控陣超聲儀、相控陣超聲探頭以及安裝有相控陣軟件的計算機(jī)構(gòu)成了相控陣超聲系統(tǒng)，目前在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，最為常用的相控陣超聲檢測模式有如下幾種：

1）扇形掃查檢測模式

是目前應(yīng)用最為廣泛的一種模式，是通過電路控制產(chǎn)生不同的激發(fā)脈沖延遲序列，得到不同角度的聲束，這樣就可以在不移動探頭的情況下對某一區(qū)域完成多個角度聲束的扇形掃查。相控陣超聲扇形掃查檢測模式如圖4所示。

2）線性掃查檢測模式

當(dāng)相控陣探頭晶片陣列的晶片數(shù)較多時，通過電路控制依次激發(fā)晶片的次序，可以在不移動探頭的情況下，產(chǎn)生沿著探頭晶片陣列方向不斷移動的超聲波聲束。相控陣超聲線性掃查檢測模式如圖5所示。

3）動態(tài)聚焦檢測模式

對于常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)聚焦探頭，發(fā)射和接收的聚焦點在同一深度，這樣聲波的聚焦在深度方向上的范圍很小。而在動態(tài)聚焦時，電路分時段控制接收延遲，使接收在一個深度范圍內(nèi)依次由淺到深地進(jìn)行聚焦，這樣聲波在整個深度范圍內(nèi)都能較好地聚焦。相控陣超聲動態(tài)聚焦檢測模式如圖6所示。

3 相控陣超聲檢測技術(shù)典型應(yīng)用

3.1 石油與天然氣——管道對接環(huán)焊縫超聲檢測[2]

中石油西氣東輸管道分公司參照ASTM E1961-1998標(biāo)準(zhǔn)和其試驗結(jié)果，編制了國內(nèi)第一個“管道對接環(huán)焊縫全自動超聲波檢測”企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在我國西氣東輸工程中，管道對接環(huán)焊縫超聲檢測技術(shù)主要采用了相控陣技術(shù)與TOFD（衍射時差）技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行分區(qū)自動掃查，取得了較好的使用效果（如圖7），主要表現(xiàn)在：檢測速度快；檢測靈敏度高；缺陷定位定量準(zhǔn)確，能夠準(zhǔn)確測定缺陷的深度、長度和位置；檢測簡潔方便，勞動強(qiáng)度小。

3.2 電力能源——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根超聲檢測[3]

電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根由于其外形結(jié)構(gòu)限制和檢測空間位置狹小的原因，使用常規(guī)超聲探頭難以進(jìn)行有效的全齒檢查。根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根的型式不同，常規(guī)超聲技術(shù)一般采用橫波探頭或表面波探頭對葉根的第一齒進(jìn)行檢測，且檢測深度有限，因此檢測范圍有很大的局限性。使用相控陣超聲技術(shù)后，發(fā)揮相控陣技術(shù)的優(yōu)勢，通過扇形掃查或控制探頭聲束寬度及角度，突破了這一局限性，既保證了檢測范圍，又提高了檢測可靠性和檢測效率（如圖8）。目前，國內(nèi)許多火電廠已在廣泛使用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根相控陣超聲檢測技術(shù)。

3.3 相控陣超聲技術(shù)的典型應(yīng)用還包括：

火車汽車工業(yè)——火車輪軸檢測，汽車傳動軸檢測；

航空工業(yè)——合金材料檢測，渦輪圓盤檢測；

其它工業(yè)——容器焊縫檢測、T型結(jié)構(gòu)焊縫檢測。

這些方面的實際應(yīng)用都取得了良好的檢測效果和經(jīng)濟(jì)效益。

4 相控陣超聲檢測技術(shù)核電應(yīng)用前景

4.1 相控陣超聲檢測技術(shù)優(yōu)點

通過前面相控陣超聲技術(shù)原理、常用模式和典型應(yīng)用的介紹，可以看出，相對常規(guī)超聲檢測，相控陣超聲檢測技術(shù)具有如下優(yōu)點：

●一個相控陣探頭可以代替十幾個傳統(tǒng)的超聲探頭；

●不需更換探頭就可實現(xiàn)整個體積的多角度多方向掃查；

●扇形掃查、線性掃查可以不移動或減少探頭移動，提高了檢測速度和檢測效率；

●檢測靈活性更強(qiáng)，可以檢測厚大工件、形狀復(fù)雜工件以及更多類型的焊縫和結(jié)構(gòu)；

●利用相控陣超聲技術(shù)，用戶可以自行制定檢測模式，如扇形掃查、線性掃查、變焦掃查等，在缺陷定性定量方面更加直觀和可靠。

4.2 核電超聲檢測發(fā)展趨勢

隨著我國核電事業(yè)的發(fā)展，核電設(shè)備超聲檢測的需求越來越多，同時，由于核電的特殊性以及核安全的重要性，業(yè)主對檢驗質(zhì)量，檢驗效率、人員輻照劑量和檢驗工期的要求也越來越高。因此，目前核電超聲檢測新技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有如下幾個方面：

●自動化檢測，提高檢測速度，放射性環(huán)境下工作時能夠減少操作人員的受輻照時間；

●能夠適應(yīng)更多復(fù)雜結(jié)構(gòu)或焊縫的超聲檢測，檢測的可達(dá)性和適用性好；

●檢測效率高，檢測靈敏度高，較高的檢測直觀性和實時性；

●缺陷定性定量更加準(zhǔn)確和可靠。

4.3 核電相控陣超聲檢測技術(shù)初步應(yīng)用

近年來，已有一些核電廠和核電檢測公司開始將相控陣超聲檢測技術(shù)引入到核電無損檢測的實際應(yīng)用中，如：大亞灣和嶺澳核電站將相控陣技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)島汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片葉根的超聲檢測[4]；中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司將相控陣技術(shù)應(yīng)用到某電廠核一級設(shè)備容器接管內(nèi)圓角區(qū)的超聲檢測。

綜上所述，作為先進(jìn)超聲檢測技術(shù)的代表，隨著相控陣超聲檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣技術(shù)的快速、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點將會越來越發(fā)揮出優(yōu)勢，相控陣超聲技術(shù)在核電無損檢測領(lǐng)域也將會有更大的應(yīng)用發(fā)展前景。

5 相控陣超聲檢測技術(shù)核電應(yīng)用的幾點建議

由于核電無損檢測特別是放射性條件下無損檢測的特殊性，對于相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到核電行業(yè)，有如下幾點建議：

●目前，在售的工業(yè)用相控陣探頭產(chǎn)品中，相控陣探頭與其電纜為整體式，而核電無損檢測多為遠(yuǎn)距離自動化檢查，超聲電纜需要布置在掃查裝置上，由于探頭與電纜為整體式，一旦檢查過程中探頭損壞或電纜損壞，就必須替換整套探頭和電纜，并需重新布置超聲電纜，因此開發(fā)出與電纜分離式的相控陣探頭是一個值得關(guān)注的問題。

●相控陣超聲技術(shù)的標(biāo)定相對常規(guī)探頭復(fù)雜，設(shè)計便捷實用的用于相控陣超聲技術(shù)中探頭測試以及靈敏度標(biāo)定的試塊也是一個比較關(guān)鍵的技術(shù)問題。

●核電無損檢測中某些特定環(huán)境下存在輻射沾污風(fēng)險以及強(qiáng)輻射造成的超聲探頭、電子器件性能逐步喪失，超聲設(shè)備和探頭成為易耗品，而目前相控陣超聲設(shè)備和探頭價格十分昂貴，將會使檢測成本和費(fèi)用較高。所以研發(fā)設(shè)計出性能完備而價格低廉的相控陣設(shè)備和探頭將會使相控陣超聲檢測技術(shù)的核電應(yīng)用前景更光明。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鐘志民，梅德松；超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用；無損檢測；2002年02期.

[2]肖雄；相控陣全自動超聲波檢測技術(shù)在西氣東輸工程中的應(yīng)用；無損檢測；2004年05期.

[3]王敏，竇洪；超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用；廣東電力；2009年12期.

[4]范巖成；MARKⅡ型低壓轉(zhuǎn)子末級葉片原位葉根的超聲相控陣檢查；無損檢測；2012年03期.