超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在核工程無損檢測(cè)中的應(yīng)用

卜立鵬

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)第三有限公司，山西 太原 030000）

超聲相控陣技術(shù)的基本思想起源于電磁波相控陣?yán)走_(dá)，于20世紀(jì)80年代開始被應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(cè)中。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率方面均具有顯著優(yōu)越性，同時(shí)具有焦點(diǎn)控制靈活和圖像顯示直觀的特點(diǎn)，也促進(jìn)了超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理、壓電復(fù)合材料開發(fā)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)獲得了進(jìn)一步的融合創(chuàng)新。

一、超聲相控陣的結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理

（一）超聲相控陣的結(jié)構(gòu)

超聲相控陣就是超聲探頭晶片的合成，它是由很多的壓電晶片依據(jù)相對(duì)的規(guī)律來進(jìn)行分布的，最后在逐個(gè)的按照預(yù)先確定的延遲時(shí)間來進(jìn)行激發(fā)各個(gè)排列好的晶片，當(dāng)所有的晶片發(fā)射出的超聲波構(gòu)成一個(gè)整體的波面時(shí)，這樣就可以有效的控制好波陣面的形狀以及其的方向，并且還可以實(shí)現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)以及聚焦等。它還具有能夠確定出不連續(xù)的形狀、大小以及方向，還可以提供出比單一的或者很多個(gè)探頭系統(tǒng)更為強(qiáng)大的水平。超聲相控陣無聲檢測(cè)技術(shù)是使用很多形狀的多陣元換能器來生產(chǎn)和接收超聲波光榮的，并且還可以通過結(jié)合機(jī)械掃描和電子掃描的方式來達(dá)到實(shí)現(xiàn)圖像成像的作用。

（二）超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)原理

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)所采用的超聲相控陣采用的換能器為單獨(dú)的換能器，而且這些換能器會(huì)按照一定的規(guī)則進(jìn)行組合和排列，通常會(huì)排列為以為一維線陣、矩形陣形或者圓形陣形等。不同陣形所組成的相控陣其具有不同的有效孔徑，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用。這些采用不同陣形進(jìn)行排列的換能器通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制，并且通過計(jì)算機(jī)可是實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波發(fā)射和接收延遲時(shí)間的控制，這樣就可以將不同的換能器所發(fā)出的聲波進(jìn)行疊加。這樣就可以按照惠更斯原理來形成不同的聲場(chǎng)用于不同場(chǎng)合中所需要的無損檢測(cè)。其中一維線性陣平行聲束就是一個(gè)線性陣形按照從左向右的順序進(jìn)行依次激發(fā)，而且在此過程中不需要進(jìn)行延時(shí)法則的應(yīng)用，然后就會(huì)在相控陣探頭的各個(gè)換能器部位產(chǎn)生平行聲束用于進(jìn)行無損檢測(cè)。而對(duì)于一維非平行聲束來說，其主要是通過計(jì)算機(jī)軟件來對(duì)相控陣探頭中的各陣元進(jìn)行控制并確保其采用不同的延時(shí)法則，此種方法在焊縫無損檢測(cè)中比較常用。其原理就是通過對(duì)不同延時(shí)法則的控制來確保陣列一側(cè)到另一側(cè)的延時(shí)間隔會(huì)逐漸變大，這樣就會(huì)在檢測(cè)波陣面出現(xiàn)一個(gè)平面波，而且此平面波由于具有一定的偏轉(zhuǎn)角度而形成扇形波束。通過計(jì)算機(jī)軟件可以對(duì)工藝參數(shù)中的最小角度和最大角度進(jìn)行設(shè)置來確定角度范圍，然后按照不同的坡口形式和不同的板厚來確保扇形波束能夠?qū)φ麄€(gè)焊縫截面進(jìn)行全面覆蓋。這樣在采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)的過程中，就可以通過一維的線性掃查方式來提高探傷效率。

二、超聲相控陣技術(shù)在核工程無損檢測(cè)中的應(yīng)用

（一）汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的檢測(cè)

超聲相控陣在核電領(lǐng)域的無損檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用，本節(jié)以核電站的核心部件汽輪機(jī)為例，介紹超聲相控陣在葉輪輪緣裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中，葉輪部分常年處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下極易形成應(yīng)力腐蝕裂紋。當(dāng)這種裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致葉片部分或整圈斷裂，從而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，對(duì)于汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的檢測(cè)，在轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)、維修、報(bào)廢的決策過程中是必不可少的。

外包菌型低壓汽輪機(jī)葉輪輪緣部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)探頭放置位置受限，缺陷數(shù)量多、尺寸小且深度不同。因此，在不拆卸葉片的情況下，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法很難完成檢測(cè)。超聲相控陣憑借其靈活的聲束、高檢測(cè)靈敏度及高檢測(cè)效率，可有效解決這一難題。超聲相控陣靈活的偏轉(zhuǎn)聲束可以使探頭放置在裂紋缺陷斜上方的平整檢測(cè)面上，結(jié)合相控陣特有的扇形掃查工作方式，可在不移動(dòng)探頭的情況下完成縱切面上3個(gè)部位裂紋的檢測(cè)。

（二）焊縫的檢測(cè)

超聲相控陣在焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用已非常廣泛，其中對(duì)管道環(huán)焊縫的檢測(cè)是最常見的，本節(jié)就以油氣管道環(huán)焊縫的檢測(cè)為例，介紹超聲相控陣在焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用。對(duì)于焊縫，一般要按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)將其分區(qū)域檢測(cè)，將焊縫劃分為7個(gè)檢測(cè)區(qū)域，因此，需要多種不同入射角度的聲束進(jìn)行檢測(cè)。使用傳統(tǒng)的超聲波探傷法對(duì)管道環(huán)焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲探頭需要沿著管道的周向和軸向進(jìn)行頻繁的移動(dòng)掃描，檢測(cè)過程復(fù)雜。應(yīng)用超聲相控陣對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，只需一次簡(jiǎn)單的線性掃查即可完成全焊縫檢測(cè)，不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需要更換探頭，只通過軟件參數(shù)設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫區(qū)域的多角度掃查，能適應(yīng)不同工況，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)具有更高的靈活性。

結(jié)束語：

超聲波相控陣技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可以快速解決難點(diǎn)的問題，還可以在一定程度上使電力設(shè)備能夠得到安全穩(wěn)定的運(yùn)行，另外，運(yùn)用超聲波相控技術(shù)的檢測(cè)，還可以對(duì)電力工業(yè)的建設(shè)起到一定的促進(jìn)作用，在加強(qiáng)上其具有多角度、全掃描、高檢測(cè)率等優(yōu)點(diǎn)，可以有效的消除很大的隱患問題，更會(huì)為其以后的發(fā)展奠定一個(gè)很好的基礎(chǔ)，朝著理想的目標(biāo)進(jìn)行前行。