超聲波相控陣技術(shù)在特種設(shè)備無損檢測中的應(yīng)用研究

高博

摘 要：為穩(wěn)步提升特種設(shè)備檢測效能，促進現(xiàn)有無損檢測模式的健全與完善，文章嘗試以超聲波相控陣技術(shù)作為切入點，著眼技術(shù)原理，立足技術(shù)特性，采取有效舉措，實現(xiàn)特種設(shè)備無損檢測技術(shù)合理化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：特種設(shè)備;無損檢測;超聲波;相控陣;技術(shù)應(yīng)用

特種設(shè)備在使用過程中發(fā)生故障的機率較高。基于這種設(shè)備使用特點，相關(guān)團隊轉(zhuǎn)換思路，整合技術(shù)資源，將超聲波相控陣技術(shù)納入到設(shè)備檢測體系之中，實現(xiàn)現(xiàn)有檢測技術(shù)能力穩(wěn)步提升，滿足特種設(shè)備無損檢測要求。

1.超聲波相控陣技術(shù)原理

超聲波相控陣技術(shù)原理開展全方位梳理，有助于技術(shù)團隊全面掌握技術(shù)特性，為其在實踐領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

超聲相控陣技術(shù)體系成熟，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、設(shè)備檢測領(lǐng)域得到廣泛性應(yīng)用。例如通過與計算技術(shù)、信息技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，超聲相控技術(shù)可以完成對核電站主泵隔熱板、核廢料罐電子樹環(huán)的無損檢測，極大提升了特種設(shè)備檢測的便捷程度。超聲相控陣技術(shù)思路與雷達電磁波相控陣技術(shù)類似，在輻射單元排列后，借助相關(guān)控制系統(tǒng)，對內(nèi)置的陣列天線中輻射單元進行幅度和相位的微調(diào)，從而快速完成雷達波束的聚焦掃描，實現(xiàn)對相關(guān)細節(jié)信息精準捕捉。根據(jù)實際需求，超聲相控陣排布結(jié)構(gòu)也存在一定的差異，現(xiàn)階段，往往采用一維線性陣列、二維矩形陣列、一維環(huán)形陣列三種形態(tài)，以確保雷達波束捕捉能力，確保檢測任務(wù)的順利完完成，具體排布如圖1所示：

與其他技術(shù)相比，超聲波相控技術(shù)穩(wěn)定、可靠，具有較強實用性，并且對檢測對象不會造成損傷，檢測范圍較大，檢測速度較快，可以在較短的時間周期內(nèi)，快速完成檢測任務(wù)，獲取檢測區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)。同時所獲得檢測結(jié)果更為直觀，便于檢測人員判定議檢測對象基本狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，在采取組織人員開展設(shè)備維護管理。基于上述技術(shù)優(yōu)勢，超聲波相控技術(shù)逐步成為現(xiàn)階段特種設(shè)備無損檢測的重要方式。

2.超聲波相控陣技術(shù)在特種設(shè)備無損檢測中的重要方法

超聲波相控陣技術(shù)在特種設(shè)備無損檢測中的應(yīng)用，要求技術(shù)團隊從實踐角度出發(fā)，基于超聲波相控陣技術(shù)原理，以科學(xué)性原則、實用性原則為框架，拓寬技術(shù)應(yīng)用思路，創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方式，確保超聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用水平。

2.1超聲波相控陣技術(shù)探頭類型科學(xué)選擇

超聲波相控陣技術(shù)在應(yīng)用環(huán)節(jié)，技術(shù)團隊需要做好探頭選用工作，確保探頭性能狀態(tài)達到使用預(yù)期。結(jié)合過往經(jīng)驗，超聲波相控陣探頭可以從晶片陣列、頻率、規(guī)格等維度出發(fā)，選擇最佳探頭類型。根據(jù)過往經(jīng)驗，在特種設(shè)備無損檢測環(huán)節(jié)，探頭晶片陣列方式往往以線性排布方式為主，在某些情況下，采取雙線性排布，以確保整個探頭超聲波發(fā)出、捕獲能力。探頭頻率對于檢測結(jié)果有著最為直接的影響，當探頭頻率較高時，檢測結(jié)果靈敏度較高，影像較為清晰，無損檢測結(jié)果分析難度較低[1]。但是當頻率參數(shù)過高時，衰減較為明顯，會對無損檢測結(jié)果分析造成干擾。這就要求在實際檢測過程中，應(yīng)當靈活選擇探頭頻率。例如在碳鋼縫隙檢測環(huán)節(jié)，技術(shù)團隊可以選擇2.5MHz到5MHz的探頭頻率;對于不銹鋼材質(zhì)的焊縫，技術(shù)團隊可以選擇1MHz到2.5MHz的探頭頻率，借助頻率科學(xué)選擇，確保無損檢測順利開展。對于探頭規(guī)格，要求技術(shù)團隊根據(jù)特種設(shè)備無損檢測基本情況，對探頭規(guī)格作出調(diào)整，對于規(guī)格較大的檢測對象，可以使用規(guī)格較大的探頭，對于規(guī)格較小的檢測對象，可以使用規(guī)格較小的探頭，對部分結(jié)構(gòu)特殊的檢測對象，可以選擇規(guī)格較小的探頭，確保整個檢測的流暢性。

2.2超聲波相控陣技術(shù)聲束精準化模擬

超聲波相控陣技術(shù)在實現(xiàn)聲束精準化模擬環(huán)節(jié)，技術(shù)團隊可以使用Setup Builder軟件，借助程序自身的數(shù)據(jù)運算能力，有效模擬聲束，在處理過程中，可以將聲學(xué)信號轉(zhuǎn)化為可視化數(shù)據(jù)信息，從而精準定位差異化區(qū)域，實現(xiàn)超聲波相控陣無損檢測工作順利開展。與其他相關(guān)技術(shù)相比，超聲波相控陣技術(shù)依托系列軟件，可以消除干擾信號，增強波束傳輸能力，為后續(xù)信號傳輸?shù)裙ぷ鞣€(wěn)步開展提供技術(shù)支撐。

2.3超聲波相控陣技術(shù)掃查法合理化應(yīng)用

超聲波相控陣技術(shù)需要合理運用掃查法，實現(xiàn)對特種設(shè)備檢測區(qū)域的全覆蓋，避免檢測技術(shù)運用不合理，影響最終技術(shù)應(yīng)用成效。具體來看，技術(shù)人員可以選擇扇形掃查、線性掃查等多種方式，根據(jù)特種設(shè)備檢測要求，靈活選擇檢查方法。以扇形掃查為例，技術(shù)團隊在綜合評估特種設(shè)備檢測任務(wù)后，選擇以某個角度作為切入點開展全面掃查，快速完成聚集檢測任務(wù)，同時利用參數(shù)校準等輔助手段，獲得探頭掃查平面視圖，為后續(xù)無損檢查結(jié)果評估提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4超聲波相控陣技術(shù)參數(shù)定向化設(shè)置

特種設(shè)備無損檢測環(huán)節(jié)，為確保超聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用成效，技術(shù)團隊需要認真做好技術(shù)參數(shù)定向優(yōu)化與科學(xué)設(shè)置。具體來看，在探頭選型以及掃查法確定過程中，應(yīng)當保證檢測波束可以覆蓋特種設(shè)備全部區(qū)域，例如需要確保波束應(yīng)當覆蓋檢測區(qū)域外延6毫米。同時開展系列儀器設(shè)備參數(shù)校正工作，確保儀器設(shè)備始終處于良性運轉(zhuǎn)狀態(tài)，更好地服務(wù)于特種設(shè)備無損檢測系列工作，搭建完備的技術(shù)平臺。

3.超聲相控陣檢測案例分析

為持續(xù)增強超聲相控陣檢測方案實用性，推動其在設(shè)備無損檢測領(lǐng)域中合理化應(yīng)用，技術(shù)團隊應(yīng)當立足過往經(jīng)驗，通過必要的案例分析，總結(jié)技術(shù)規(guī)律，推動超聲相控陣技術(shù)在實際檢測領(lǐng)域中的合理化應(yīng)用。

3.1檢測對象分析

本次案例分析主要以焊縫缺陷檢測作為主要研究對象，通過論證超聲相控陣檢測對象的制備、檢測方案的設(shè)置，驗證超聲相控檢測技術(shù)應(yīng)用成效，旨在通過數(shù)據(jù)對比分析，驗證超聲相控陣檢測技術(shù)優(yōu)勢，理順技術(shù)應(yīng)用思路，突出檢測重點，確保相關(guān)技術(shù)合理化應(yīng)用。研究過程中，選擇20號鋼等作為試驗對象，試驗對象內(nèi)部缺陷主要包括裂紋、氣孔、殘渣，檢測對象長度為800毫米，厚度為20毫米。

3.2構(gòu)建檢測條件

在應(yīng)用超聲相控陣檢測技術(shù)進行焊接縫缺陷檢測時，為消除檢測誤區(qū)，排除干擾因素影響，檢測人員需要綜合各方面因素考量，構(gòu)建科學(xué)、完備的檢測條件，以確保相關(guān)檢測工作有序開展。由于超聲相控陣技術(shù)靈敏度較高，信息處理能力較強，檢測人員可以在較短時間內(nèi)，快速評估檢測對象基本狀態(tài)。在這一過程中，檢測人員需要熟悉超聲相控探傷儀信號特征，根據(jù)信號特征，掌握檢測對象基本狀態(tài)。例如在A型顯示中，橫軸表示超聲波在檢測對象內(nèi)部的傳播時間，縱軸保超聲波在檢測對象內(nèi)部的波幅高度。在B型顯示中，主要根據(jù)A型掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合積分電路推演出焊接縫內(nèi)部缺陷的長度、寬度，計算缺陷橫截面積。在C型顯示中，將被檢測對象內(nèi)部缺陷的焊縫進行水平投影。在D型顯示中，將被檢測內(nèi)部缺陷的焊縫的縱向裂縫進行垂直投影。通過對四種型號波形數(shù)據(jù)的全面掌握，檢測人員可以快速判定故障缺陷分布位置、尺寸規(guī)格等基礎(chǔ)信息，為后續(xù)相關(guān)評估檢測工作開展提供數(shù)據(jù)支撐。實際操作環(huán)節(jié)，在進行C型顯示與D型顯示環(huán)節(jié)，檢測人員需要配備掃查架、編碼器等輔助設(shè)備，實現(xiàn)信息快速獲取。

3.3組織常規(guī)檢測

在檢測過程中，為確保整個研究活動的有效性，對于對接焊縫區(qū)域，檢測人員率先使用X射線進行檢測，作為現(xiàn)階段精準度較高的檢測手段，X射線檢測精準度較高，可以對焊接過程中形成的氣孔、殘渣、裂縫、未熔合等病害進行判定。為確保本次研究的有效，檢測對象，率先利用X射線對檢測對象進行檢測分析，將檢測結(jié)果作為驗證超聲波相控陣檢測重要依據(jù)。完成上述工作后，檢測人員使用相關(guān)檢測儀器設(shè)備，開展檢測工作，并實時記錄缺陷數(shù)據(jù)。相關(guān)檢測結(jié)果如表1所示：

從最終的檢測結(jié)果來看，相控陣檢測技術(shù)可以實現(xiàn)缺陷定量分析，檢測精度較高，操作難度較低，涉及檢測流程較少，符合現(xiàn)階段檢測工作開展要求。同時超聲相控陣檢測技術(shù)操作簡單，檢測人員可以在較短時間內(nèi)，快速完成相關(guān)檢測工作。

3.4評估檢測數(shù)據(jù)

超聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，同步獲取大量檢測數(shù)據(jù)，為提升檢測有效性，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)高效應(yīng)用，檢測人員應(yīng)當做好檢測數(shù)據(jù)分析評估工作，通過數(shù)據(jù)的高效處置，全面反應(yīng)檢測對象基本情況，確保整個超聲波相控陣檢測成效。超聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用過程中，會生產(chǎn)大量數(shù)據(jù)，需要檢測人員根據(jù)實際需要，開展定性與定量研究，通過數(shù)據(jù)發(fā)掘，剝離干擾因素，確定檢測對象潛在隱患，順利完成無損檢測任務(wù)。為確保檢測成效，確保檢測結(jié)果精準性，有必要從檢測技術(shù)原理出發(fā)，定向做好檢測樣本比較工作。基于這種技術(shù)定位，在實際檢測環(huán)節(jié)，應(yīng)當設(shè)定超聲波相控陣反應(yīng)指數(shù)，預(yù)先框定超聲波相控陣檢測數(shù)據(jù)，從檢測結(jié)果來看，超聲波相控陣檢測技術(shù)對于缺陷故障的檢測能力較強，檢測結(jié)果較為直觀，同時檢測技術(shù)靈敏度較高，可以快速完成氣孔、未焊透、殘渣以及裂紋等缺陷評估。與常規(guī)超聲波檢測技術(shù)相比，超聲波相控陣檢測技術(shù)在軟件系統(tǒng)驅(qū)動下，可以快速調(diào)整探頭傾斜角度，根據(jù)以往經(jīng)驗，探頭檢測過程中，傾斜范圍在30°到85°之間，探頭角度靈活，持續(xù)增強了檢測過程全面性，消除檢測盲區(qū)，實現(xiàn)了檢測工作的數(shù)字化。

結(jié)語

超聲波相控陣作為成熟高效的技術(shù)模式，充分滿足特種設(shè)備無損檢測基本要求，全面兼顧檢測精準度與檢測靈敏度。為持續(xù)發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，文章在厘清超聲波相控陣技術(shù)特性的前提下，采取有效舉措，健全完善超聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用體系，實現(xiàn)技術(shù)融入與管理銜接。

參考文獻：

[1]段軍志.超聲波相控陣技術(shù)在特種設(shè)備無損檢測中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（32）：11-13.