試析超聲相控陣技術下的水工金屬結構焊縫檢測

汪寧寧

（中國電建集團核電工程有限公司，山東 濟南 250000）

在檢測水工金屬性結構的安全上，超聲相控陣技術是新發展方向，相比傳統的超聲檢測，其主要優勢就是能對聲束指向實施高效而靈活的控制，借助相位控制能快速移動或者是偏轉聲束來掃查，不需要使用復雜化機械掃查的裝置，能精確檢測出復雜結構發生的損傷。在水利水電的行業中，由于水工金屬性結構的復雜性，常規化的超聲波檢測達不到安全檢測要求，而超聲相控陣技術能達到無損檢測效果，具有較好的應用和推廣價值[1]。

1 超聲相控陣技術原理與特征

超聲相控陣技術簡稱為PAUT，其基本原理是：對換能器陣列內各個陣元激勵脈沖或接收脈沖的時序、規則進行控制，調整從各個陣元接收（發射）聲波來自（到達）物體中某點時候的相位關系，陣列內各個陣元所發射超聲波就能積累為新波陣面，其達到的效果和換能器轉變空間排列的形式后產生的效果相似，以此調整換能器陣列輻射的聚焦特征和波束指向。

之后，合成各個陣元中接受到的信號，以合適形式展現出來，實現聲成像。概括而言，相控陣通過對壓電元件接收與發射脈沖信號發生的時間延遲進行控制，從而有效控制波束發射方向，實現全方位掃描結構的目的。

超聲相控陣技術中陣元延遲的時間能夠發生動態化改變，超聲相控陣在進行檢測時，主要借助聲束角度能夠動態化聚焦、可控這兩個主要特點。借助軟件對聲束的方向、焦點尺寸、焦柱長度進行控制，能有效提升檢測的可靠性、檢出缺陷的概率以及信噪比和分辨率。借助計算機對超聲相控陣中的聲束進行控制，其掃描模式基本上有三種：深度聚焦（簡稱DF）、扇形掃描（簡稱S-Scan）、電子掃描（簡稱E-Scan）。

聲束掃描三種模式在任何截面位置都不用超聲換能器讓聲束在步進軸的方向上做機械運動，僅僅用軟件對各個陣元激發的順序與延時進行控制即可，從而實現聲束快速偏轉或者移動，有效掃描當前的截面。

要想提升聲束偏轉的能力，一般要利用物理斜鍥塊做輔助。常規化超聲檢測一般采用光柵式掃查，超聲相控陣技術在檢測腐蝕和焊縫上一般采取單軸直線式掃查，借助位置編碼器在掃查軸上對搜索數據位置進行標定，自動記錄下檢測數據。超聲相控陣的檢測速度比常規化超聲檢測的掃查要快上差不多一個數量級。

2 水工金屬性結構中超聲相控陣技術在檢測焊縫中的應用

2.1 應用到檢測中厚板的對接焊縫中

某水電站制作壓力鋼管使用的材料是WDB620鋼材，采用的焊接方法是手工電弧焊、氣體保護焊。鋼材下平段管節板的厚度是42mm，鋼材的管徑是4.7m，鑒于鋼材的管徑比較大，其環焊縫、縱焊縫和平板對接式焊縫幾乎差不多。通過扇形掃查，超聲相控陣的橫波發生偏轉的角度范圍是40o到70o，角度分辨率是0.5o，聚焦的深度能夠達到50mm，步進偏移是50mm。在掃查一條環焊縫時發現有缺陷，通過掃描能發現缺陷位置最高波的聲束角度（聚焦法則）、波幅、缺陷深度、焊縫截面中缺陷和焊縫中心偏離的距離、鍥塊前端和缺陷之間的距離以及缺陷高度和具體定位等等信息。借助超聲相控陣技術，能將中厚板對接焊縫中存在的缺陷及時無損地檢測出來，應用效果比較好。

2.2 應用到水工金屬結構的檢測受限位置和復雜結構中

某水電站所用岔管是內加強的月牙肋型，其布置方式是非對稱的Y型，借助兩個岔管分三個支管供給水輪機所需要的水。岔管所用鋼材也是WDB620鋼材，采取的焊接方法是氣體保護焊，其月牙肋板厚度是128mm，和月牙肋板焊接到一起的瓦片厚度是52mm。在月牙肋板的外緣位置和主支管、支管外緣的相貫線在橢圓曲線中，而相貫線各處曲率并不相同，肋板和瓦片間角度逐漸變化，所以從頂部位置至腰線位置至底部位置，焊縫坡口的角度都是逐漸變化的，只在頂部位置、底部位置和附近狹小焊縫的長度空間中，焊縫類似T型，在腰線位置月牙肋版和瓦片角度最小。受限于結構，不能將探頭放置到肋板端頭中實施0o聲束的垂直入射，只好在瓦片位置安裝探頭實施橫波扇形形式的掃查。把每側的組合焊縫都分成兩個對稱的部分，焊縫結構在對稱位置相同，就可以采取相同工藝進行掃查。在兩個對稱部分焊縫的長度區間中，不同位置所采取的檢測工藝也不一樣。為了保證聲束能全面覆蓋焊縫體積，并盡可能提升檢測的效率，能把兩個對稱部分焊縫分為多個小段，各個小段中的焊縫結構就可以近似認為是相同的，從而采取一樣的檢測工藝，實施單軸直線式的編碼掃查。

3 超聲相控陣技術檢測水工金屬式結構焊縫的優勢

相比傳統的超聲檢測，超聲相控陣技術有較多優勢：其一，具有較高的檢測效率。超聲相控陣技術采取的是單軸直線式的扇形掃描，比光柵掃查的效率更高。其二，使用更加靈活化。

超聲相控陣的探頭能對波束深度、偏轉角度、聚焦深度等進行隨意控制，缺陷取向不同也能使用相同探頭，能依據需求設置掃查方式，同時能靈活變換不同檢測模式，不用調整或變換機械。其三，少許移動或不移動探頭能對高能構建各區域進行掃查，能在一定程度上解決空間受限、可接近性比較差等問題。

4 結語

在檢測水工金屬結構的安全性方面，超聲相控陣技術是發展新方向，能有效控制聚焦深度和波束方向，多方位掃描結構，且其檢測效率高，不會損壞到結構，能實現無損檢測，其應用前景比較廣泛。

[1]伍衛平, 范欽紅, 韓志剛,等. 基于超聲相控陣技術的水工金屬結構焊縫檢測[J].大壩與安全, 2016（3）.