超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

李鐵民

【摘 ?要】無(wú)損檢測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，無(wú)損檢測(cè)的重要性已得到公認(rèn)。超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。與其他檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)具有適用性強(qiáng)、穿透力好、設(shè)備便攜、操作安全等優(yōu)勢(shì)，得到了最為廣泛的應(yīng)用。本文就超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用展開(kāi)探討。

【關(guān)鍵詞】超聲相控陣;常規(guī)超聲;電力工業(yè)

引言

超聲相控陣技術(shù)的基本思想來(lái)自于雷達(dá)電磁波相控陣技術(shù)。初期，超聲相控陣技術(shù)僅應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)。之后，隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中。近年來(lái)，隨著壓電復(fù)合材料、微加工、微電子等技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。

1超聲相控陣技術(shù)的原理及特點(diǎn)

超聲波檢測(cè)相控陣技術(shù)，是通過(guò)控制換能器陣中各陣元的激勵(lì)脈沖時(shí)間延遲，改變由各陣元發(fā)射（或接收）聲波到達(dá)（或來(lái)自）物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，達(dá)到聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)的效果，實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的技術(shù)川。超聲相控陣作為無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)，依靠電子控制的一兩個(gè)相控陣探頭，就可以完成以前需要多元復(fù)合探頭陣列才能進(jìn)行的體內(nèi)檢測(cè)，在更短的時(shí)間內(nèi)徹底掃描整個(gè)被檢測(cè)物體的內(nèi)部缺陷。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是利用延遲電路的電子技術(shù)來(lái)控制相控陣探頭合成，實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣探頭有多個(gè)小晶片，每一個(gè)晶片被獨(dú)立地激發(fā)，根據(jù)各晶片相對(duì)于被檢測(cè)目標(biāo)的不同聲程，施加不同的延遲時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)聲束的角度和聚焦點(diǎn)的變化。普通超聲波一次只能使用一種角度的探頭檢測(cè)，相控陣檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)電子方式控制探頭聲束角度在一70度-70度或0度-90度（增加楔塊）內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)，形成扇形掃查，或者以合適的角度形成線形掃查，掃查時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行聲束聚焦，以增加靈敏度和測(cè)量精度。與普通超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)如下：（1）對(duì)焊縫可實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃查，檢測(cè)速度快，重復(fù)性好，可實(shí)時(shí)顯示，檢測(cè)結(jié)果直觀;（2）可檢測(cè)復(fù)雜形狀的工件或難以接近的部位;（3）缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高;（4）僅用1個(gè)小型電子控制的多晶片探頭即可實(shí)現(xiàn)多角度掃查。

2超聲相控陣技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用

2.1管道對(duì)接焊縫檢測(cè)

電廠管道特別是主蒸汽管道、再熱熱段蒸汽管道、主給水管道和再熱冷段蒸汽管道對(duì)接焊縫在運(yùn)行過(guò)程中承受著較高的溫度和壓力，一旦泄露，輕者造成機(jī)組停機(jī)，重者導(dǎo)致人身傷亡，因此，加強(qiáng)管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)顯得尤為重要。對(duì)接焊縫坡口一般有V型、U型、雙V型三種形式。采用傳統(tǒng)的超聲波探傷方法對(duì)管道對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭要在焊縫兩側(cè)頻繁移動(dòng)，檢測(cè)過(guò)程十分復(fù)雜。采用相控陣超聲探頭檢測(cè)對(duì)接焊縫時(shí)，可通過(guò)掃描儀和編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊縫的全體積掃描。在檢測(cè)過(guò)程中，關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)由軟件自行設(shè)定，不需要更換探頭，不需要頻繁地來(lái)回移動(dòng)探頭，也不需要復(fù)雜的夾緊裝置。需要注意的是，只有保證探頭楔塊前端與焊趾之間的距離，才能保證探頭發(fā)出的聲束能覆蓋整個(gè)被檢截面，然后沿焊縫軸線縱向移動(dòng)即可完成檢測(cè)。

2.2信號(hào)的發(fā)射與接收

發(fā)射過(guò)程，探傷儀將觸發(fā)信號(hào)送到相控陣控制器，控制器將信號(hào)變成穩(wěn)定的高壓電脈沖，脈沖寬度及時(shí)間延遲預(yù)先設(shè)定和界定，每個(gè)晶片只能接收一個(gè)電脈沖，所產(chǎn)生的超聲波波束有一定角度并聚焦在一定深度，該波束遇到缺陷時(shí)有反射回波，由相控陣控制器接收，并變換時(shí)間變成脈沖信號(hào)，傳到探傷儀。把有微小時(shí)差的電脈沖分別激勵(lì)，陣列探頭的各單元（晶片），來(lái)自材料某一焦點(diǎn)的缺陷回波以可計(jì)算的時(shí)差返回各換能器單元。信號(hào)匯合前各換能器單元接收的回波信號(hào)均有時(shí)差，匯合應(yīng)形成的掃描圖形，聲速垂直和傾斜入射時(shí)的聚焦原理，每個(gè)單元上的延時(shí)取決于相控陣，陣列探頭，激勵(lì)單元的“窗口”，尺寸，波形，折射角和聚焦深度。

2.3接管座角焊縫檢測(cè)

接管座角焊縫作為電站鍋爐檢驗(yàn)中的重點(diǎn)檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)部位，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響電站鍋爐運(yùn)行的安全可靠性。角焊縫在焊接過(guò)程中常出現(xiàn)未焊透、未融合和裂紋等面積型缺陷。由于超聲波檢測(cè)對(duì)此類(lèi)缺陷十分敏感，檢測(cè)靈敏度較高，常規(guī)超聲波檢測(cè)成為目前管座角焊縫常用的內(nèi)部檢測(cè)方法。但是，由于接管座角焊縫坡口形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，易受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式的影響，加之探測(cè)位置的局限，常規(guī)超聲波檢測(cè)面臨著缺陷信號(hào)識(shí)別難度大、缺陷的定位困難及難以確保焊縫完整覆蓋等問(wèn)題。利用模擬仿真軟件，將超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于對(duì)管座角焊縫的檢測(cè)，并配備掃查器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比可知，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能確保檢測(cè)質(zhì)量。

2.4稀疏陣列

在超聲相控陣檢測(cè)中，增大陣列孔徑是提高分辨率的有效途徑之一，但僅靠增加陣元數(shù)目來(lái)增大孔徑會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，于是稀疏陣列的研究應(yīng)運(yùn)而生。稀疏陣列的目的是在不增加或少增加陣元數(shù)目的前提下增大陣列孔徑，實(shí)現(xiàn)高分辨率檢測(cè)，具有陣元間互輻射小、易加工、成本低等優(yōu)勢(shì)。與滿(mǎn)陣相比，稀疏陣列具有較少的陣元數(shù)，但由于其稀疏排列的特性，使其有效孔徑與滿(mǎn)陣基本保持一致，從而在降低硬件成本的情況下使陣列的脈沖回波響應(yīng)具有良好的綜合聲學(xué)性能。稀疏陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)際為從多種不同的陣元組合中選取最優(yōu)的過(guò)程。陣列組合的優(yōu)劣一般由脈沖回波響應(yīng)的聲學(xué)性能來(lái)評(píng)價(jià)，即綜合主瓣特性與旁瓣特性設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。最優(yōu)化的方法主要包括遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法等。稀疏矩陣是使用較少通道獲得大孔徑檢測(cè)的有效途徑，已逐漸成為超聲相控陣研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.5小徑管檢測(cè)

火力發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱器、省煤器、水冷壁、再熱器管稱(chēng)為鍋爐“四管”。一般情況下，受熱面管通常稱(chēng)為小徑管，所用直徑為32～89mm，管壁為4～12mm。近年來(lái)，超臨界、超超臨界機(jī)組不斷增多，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中受到的溫度、壓力不斷增加，對(duì)所用的小徑管質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。鍋爐“四管”因?yàn)殚L(zhǎng)期處于高溫、高壓的環(huán)境中，極易產(chǎn)生高溫蠕變、內(nèi)壁水側(cè)腐蝕、外壁向火側(cè)腐蝕、外壁侵蝕及磨損和疲勞，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致爆管事件，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，給電廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)超聲檢測(cè)耦合性差、聲速擴(kuò)散、反射率低，只能以固定角度反射聲速，存在一定的盲區(qū)。同時(shí)，由于電站鍋爐小口徑管排比較密集，空間狹窄，不適合窄位置運(yùn)行，檢測(cè)效率和缺陷檢測(cè)效果不能滿(mǎn)足工作要求。采用相控陣超聲檢測(cè)傳感器和楔塊設(shè)計(jì)，利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鍋爐小口徑管道對(duì)接焊縫，可實(shí)現(xiàn)電廠鍋爐受熱面管道焊縫裂紋的多角度、盲區(qū)掃描，且檢測(cè)靈敏度高，可有效消除相關(guān)隱患。另外，在電力工業(yè)建設(shè)和檢修中，對(duì)粗晶奧氏體鋼也可以使用超聲相控陣檢測(cè)，應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)可以檢測(cè)到不同深度的缺陷。

結(jié)語(yǔ)

伴隨著相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)與測(cè)試和應(yīng)用等已取得一系列進(jìn)展，超聲相控陣技術(shù)的特點(diǎn)及在眾多富有挑戰(zhàn)性檢測(cè)中的成功應(yīng)用，使之成為超聲檢測(cè)的重要方法之一。由于它可以靈活而有效地控制聲束，使之具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景，將其同信號(hào)分析與處理、數(shù)字成像和聲時(shí)衍射等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將有助于改善檢測(cè)的可能性和適用性，提高檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性及檢測(cè)結(jié)果的可靠性，增強(qiáng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和直觀性，促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的應(yīng)用及發(fā)展。

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（作者單位：哈爾濱泰斯特檢測(cè)有限責(zé)任公司）