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

趙榮 呂正艷

摘 ?要：本文以超聲波相控陣為研究視角，研究其技術(shù)理念，探索其在特種設(shè)備性能測試中的應(yīng)用方法，以期減少對特種設(shè)備產(chǎn)生的檢測危害，全面掌握設(shè)備情況，發(fā)揮超聲波相控陣的檢測價值。

關(guān)鍵詞：超聲波相控陣;探頭;聲束

引言

早期使用的檢測技術(shù)表現(xiàn)出檢測結(jié)果不準(zhǔn)確、檢測時間長等問題，應(yīng)用性能逐漸處于末位淘汰狀態(tài)。超聲波相控陣被提出后，成功占據(jù)了檢測技術(shù)的關(guān)鍵地位，成為檢測技術(shù)的主流應(yīng)用。

1.掃查法

1.1扇形掃查

扇形掃查檢測技術(shù)，是使用探頭設(shè)定檢測深度，啟用相同功能的芯片，以一個角度為切入點進行全面掃查。在此種檢測過程中，選用一組陣元，針對被選陣元進行各種聚集檢測，每次調(diào)整波束的檢測角度，獲得全新的扇形掃查范圍。此種檢測方法，適用于各類外觀特征、檢測條件欠佳的設(shè)備工件。此檢測方法借助參數(shù)校準(zhǔn)法，能夠獲取各類芯片掃查平面視圖。

1.2線性掃查

線性掃查檢測方法是調(diào)整全部陣元對應(yīng)的波束傳出角度，使其處于完全一致狀態(tài)，借助相同聚焦理念，相控陣中啟用的探頭會激活一組陣元給予響應(yīng)。操作流程是：假設(shè)超聲波相控陣中，含有的陣元數(shù)量為n個，采取相鄰陣元組隊方式，組成陣元數(shù)量介于1與n之間;使用前期設(shè)定完成的聚焦方式，對一組陣元進行激活處理，在相控陣探頭操作時，沿其方向進行陣元位置調(diào)整，調(diào)整長度為一個單位步長;使用相同的調(diào)整方法，進行第二組陣元的激活處理，直至探頭處理完成。線性掃查技術(shù)具有高效率、排查精準(zhǔn)等使用優(yōu)勢，在工業(yè)大規(guī)模設(shè)備中具有廣泛應(yīng)用價值。

1.3動態(tài)深層掃查

動態(tài)聚焦掃查法是利用聲軸各深度條件完成點位聚焦，借助動態(tài)芯片控制方式，進行成像聚焦，在聲軸表面各深度位置形成動態(tài)的聚焦過程。此種無損檢測技術(shù)，在輕薄工件中具有較高的適用性。

2.參數(shù)設(shè)定

超聲波相控法在實際檢測應(yīng)用時，需要考量多重因素，比如掃描類型、芯片配置點位與個數(shù)、探頭角度、波束設(shè)計、聚焦區(qū)域等。此類因素對于檢測結(jié)果具有一定影響作用。因此，參數(shù)設(shè)定理念如下：

其一，保證波束能夠覆蓋被檢測主體的全部位置，比如外觀區(qū)、內(nèi)在熱效應(yīng)受干擾區(qū)、周邊6毫米范圍。其二，在儀器參數(shù)校準(zhǔn)完成時，進行儀器認證。其三，符合檢測的其他標(biāo)準(zhǔn)。參數(shù)設(shè)定方法：其一，掃描排查類型選定。對于特種設(shè)備進行的焊縫探查工作，檢測時一般以扇形掃查方式為主。然而，在特定條件下，會發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在質(zhì)量問題，可采取線性掃描排查的輔助方式。如果坡口位置并未完成熔合處理，存在質(zhì)量缺陷問題，需要設(shè)計一組線性掃查，在掃查時保證波束與坡口相互垂直，具有較高的檢測效果。其二，波束類別選擇。在焊縫情況探測工作中，通常采取橫波波束掃查方式，借助一次反射方式，獲取掃查結(jié)果。針對不銹鋼焊縫情況，橫波波束檢測法，表現(xiàn)出性能衰減、信號干擾等檢測問題。此時波束類型更換為縱向波角度輸入方式，能夠獲得更全面、更精準(zhǔn)的檢測結(jié)果。其三，波束角度。波束傾斜角度的可選范圍，在進行選定時需要綜合考量楔塊、焊縫等介質(zhì)規(guī)格。傾斜角度的選擇區(qū)域，以供應(yīng)商給出的推薦參數(shù)區(qū)間為主要依據(jù)，盡可能選擇區(qū)間取值跨度較大的波束，確保檢測區(qū)域輻射的完整性。針對壁厚參數(shù)較高的焊縫，一組波束傾斜角度的最大取值區(qū)間，如果無法輻射整體被檢測主體，需要增加波束個數(shù)。其四，探頭偏轉(zhuǎn)角度。探頭在偏轉(zhuǎn)角度時，一般表示被檢測主體位置與探頭前方的間隔距離。在焊縫含有余高問題時，需要保障探頭偏轉(zhuǎn)角度的充足性，防止探頭前側(cè)位于焊縫余高表面，確保耦合完成。通常情況下，在保障被檢測區(qū)域無盲區(qū)的情況，調(diào)整探頭角度位置，能夠在探頭中心區(qū)進行芯片激活操作。其五，芯片激活個數(shù)。如果芯片激活個數(shù)逐漸增加，芯片有效規(guī)格將會增大，輻射超聲波產(chǎn)生的能量會有所增加，遠程質(zhì)量缺陷檢測效果有所增強，能夠聚焦的范圍更為寬廣，有效提升檢測有效性。然而，數(shù)量較多的激活狀態(tài)芯片，對于相控陣檢測功能給出了較高標(biāo)準(zhǔn)。對普通材料進行實際檢測，可激活芯片個數(shù)16個。如果材料管壁較厚、聲波衰減能力較高，需要配置更多數(shù)量的芯片。其六，相比一般超聲波表現(xiàn)出差異性，超聲波相控法在實際檢測操作時，能夠?qū)ΣㄊM行動態(tài)聚焦調(diào)整。在聚焦范圍內(nèi)聲波表現(xiàn)出的優(yōu)勢有：能量大、較高的靈敏性、較強的影像獲取能力。因此，加強聚焦范圍設(shè)定，對于檢測結(jié)果全面性與可用性具有重要影響。針對規(guī)格不大的焊縫，在聚焦區(qū)域選擇時，可設(shè)定在焊縫中心區(qū)。在焊縫壁厚參數(shù)增大的情況下，能夠合理劃分焊縫區(qū)域，將其分割成若干個數(shù)量，對各類波束聚焦區(qū)域逐一開展檢測工作。與此同時，如果在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)特定位置有質(zhì)量問題，需要及時進行深層聚焦，掌握質(zhì)量缺陷的具體情況。

3.儲存罐檢測應(yīng)用

德國籍以SCHMITTE為代表的研究人員，針對超聲波相控法進行了深入研發(fā)，借助此檢測技術(shù)的高效性優(yōu)勢，在特種設(shè)備核廢料儲存罐中開展了檢測研究。在檢測期間，對于此類特種設(shè)備，聯(lián)合使用了超聲波相控儀器進行檢測，儀器數(shù)量為7臺。在檢測時，對設(shè)備換能器進行有效控制，成功控制換能器個數(shù)達到13個。在檢測期間，選擇扇形掃查方式，遵循各類聚焦理念，利用掃描設(shè)備觸發(fā)換能器，使特種設(shè)備表層給出軸向運動反饋。與此同時，改變設(shè)備轉(zhuǎn)動方向，讓儲存罐進行圓周性地旋轉(zhuǎn)，對其進行高效全面的質(zhì)量掃描與檢查。

4.汽輪機檢測應(yīng)用

汽輪機在工業(yè)生產(chǎn)活動中具有較高應(yīng)用頻率的特種設(shè)備。在實際生產(chǎn)運行時，汽輪機的運行條件，具有溫度高、壓力高、離心力作用強、彎矩作用明顯等特點，極易引起汽輪機發(fā)生質(zhì)量問題。與此同時，汽輪機自身外觀形狀表現(xiàn)出不規(guī)律性，在焊縫質(zhì)量檢測中具有一定難度。傳統(tǒng)檢測方法，難以排查不規(guī)律區(qū)域的檢測干擾問題，引起檢測結(jié)果不具參考價值的問題。因此，在質(zhì)量檢測時引入超聲波相控法，以保障檢測結(jié)果的零盲區(qū)與真實性。在實際檢測期間，借助CAD模型導(dǎo)入方法，使用聚焦法則進行檢測模擬，同時引入檢測儀器，在汽輪機中添加檢測探頭，采取橫波方式、扇形掃描類型，準(zhǔn)確獲取焊縫質(zhì)量問題。對于汽輪機中規(guī)格較小的檢測區(qū)，比如葉片區(qū)，使用專用探頭進行檢測。以汽輪機葉根探測為例，檢測時以汽輪機葉片上區(qū)鎖孔位置為主，查看其裂紋出現(xiàn)情況。探測流程如下：

其一，獲取超聲波束的傳輸路徑，選出最優(yōu)掃查方案，開展實測。其二，在汽輪機轉(zhuǎn)子第四、第五級位置，葉根外側(cè)形狀不規(guī)律，存在人為形成的質(zhì)量缺陷問題。其三，為保障檢測的有效性，使用的探頭規(guī)格為64單元，以此檢測葉根全部范圍，64個單元含有3個檢測分區(qū)，便于查看各個方向的質(zhì)量問題。3個分區(qū)中，每個分區(qū)含有24個單元，每個單元對應(yīng)一組相控陣。檢測完成時，能夠獲取120幀影像，反饋出120個聚焦的檢測結(jié)果。

結(jié)語

綜上所述，超聲波相控陣在實踐應(yīng)用時，其檢測技術(shù)是對被檢測主體進行全面、全角度的探測，兼具檢測的高效性，在聚焦區(qū)間調(diào)整、波束方向優(yōu)化、缺陷問題探查等方面，表現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢。

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