相控陣超聲檢測技術核電應用前景展望

劉云　盧威　王羽翀

【摘 要】相控陣超聲技術以其優越的性能越來越引起人們的重視，相控陣超聲技術在無損檢測行業中已逐步得到廣泛的應用。本文通過對相控陣超聲技術原理、常用模式以及典型應用的介紹，展望相控陣超聲技術在核電無損檢測領域的應用前景，并提出相關建議。

【關鍵詞】相控陣；超聲檢測；核電

中圖分類號： TB559；TL351.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0251-003

【Abstract】For Phased Array Technologys excellent performance in Ultrasonic testing，it increasingly draws our attention，and has been already widely applied in NDT.This paper introduced Phased array principle，usual mode and typical application，Then discussed the present and developmental applications in nuclear power industry，Finally，some suggestions for Phased Array Technology application in nuclear power industry are put forward.

【Key words】Phased Array；Ultrasonic Testing；Nuclear power industry

超聲相控陣技術的應用始于20世紀60年代，初期主要應用于醫療領域，如醫學B超成像。由于相控陣系統的復雜性、固體中波動傳播的復雜性、成本費用高以及市場相對較小等原因使其在工業無損檢測中的應用受限。近20年來，隨著復合壓電晶片材料、脈沖信號控制以及信號處理分析技術的不斷發展，相控陣超聲技術以其優越的性能越來越引起人們的重視，歐美等發達國家經過多年研究，已逐步將相控陣超聲技術應用于某些工業領域的無損檢測，例如石油管道焊縫檢測、海洋鉆井平臺結構焊縫檢測、火車輪軸檢測、航空材料檢測等領域。相控陣超聲檢測技術近些年也開始逐步在國內一些工業領域得到廣泛應用，最廣為人知的就是“天然氣西氣東輸工程”中大口徑管道環焊縫檢測的相控陣超聲技術應用。

本文通過對相控陣超聲技術原理、常用模式以及典型應用的介紹，展望相控陣超聲技術在核電無損檢測領域的應用前景，并提出相關建議。

1 相控陣超聲技術原理

1.1 相控陣超聲技術設計原理

相控陣超聲技術的設計基于惠更斯原理，通過控制相控陣探頭上每個獨立細小晶片的激發和接收時序，在不同的時間內相繼激發陣列探頭中的各個單元，各個晶片激發的波有先后，這些波的疊加形成新的波前，因此可以將超聲波的波前聚焦并控制到一個特定的方向，以不同角度輻射超聲波束，實現不同的聲波特性，如：聲束方向、焦點位置和焦點尺寸等[1]。

1.2 相控陣超聲探頭的組成

相控陣超聲探頭由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個壓電晶片都可以獨立接受信號控制（脈沖和時序），即一個相控陣探頭相當于多個常規探頭組合而成，如圖1。相控陣激發的超聲波進入材料后，仍然遵循超聲波在材料中的傳播規律，因此，對于常規超聲檢測應用的頻率、聚焦、入射角、回波幅度與定位等等，相控陣超聲檢測也同樣適用。

1.3 相控陣超聲技術的聲束控制方式

相控陣超聲技術對超聲波聲束的控制有以下幾種方式：

1）聲束角度控制

聲束角度的控制是通過疊加聲波波前的形式實現的。同時激發一個一維線性相控陣探頭上的所有晶片，那么每個晶片發射出的聲波波前與發射晶片的距離相等，疊加后的聲波波前平行于探頭的晶片表面，聲場情況與一個有同樣面積的單晶片直探頭產生的聲場十分類似，如圖2A所示。

相控陣控制單元能夠以不同的延遲時間按順序的一個接一個的激發陣列中的晶片。按順序被激發的每一個晶片會發射出聲波，在某一時刻，疊加后的聲波波前將不再平行于探頭的晶片表面，而是與晶片表面成一定的夾角，這一聲場情況與一個有同樣面積的單晶片斜探頭產生的聲場十分類似，如圖2B所示。通過改變每個晶片的激發時序時間，就可以得到與晶片表面成不同夾角的疊加波前。

2）聲束聚焦控制

調整晶片的激發時序時間，可以產生聚焦聲束。這時，每個獨立的聲波波前疊加后的趨勢是向著焦點處聚焦，當精確控制激發的時序時間后，將會使波束聚焦在想要的焦點上，如圖3所示。

2 相控陣超聲技術常用檢測模式

相控陣超聲儀、相控陣超聲探頭以及安裝有相控陣軟件的計算機構成了相控陣超聲系統，目前在工業無損檢測領域，最為常用的相控陣超聲檢測模式有如下幾種：

1）扇形掃查檢測模式

是目前應用最為廣泛的一種模式，是通過電路控制產生不同的激發脈沖延遲序列，得到不同角度的聲束，這樣就可以在不移動探頭的情況下對某一區域完成多個角度聲束的扇形掃查。相控陣超聲扇形掃查檢測模式如圖4所示。

2）線性掃查檢測模式

當相控陣探頭晶片陣列的晶片數較多時，通過電路控制依次激發晶片的次序，可以在不移動探頭的情況下，產生沿著探頭晶片陣列方向不斷移動的超聲波聲束。相控陣超聲線性掃查檢測模式如圖5所示。

3）動態聚焦檢測模式

對于常規的標準聚焦探頭，發射和接收的聚焦點在同一深度，這樣聲波的聚焦在深度方向上的范圍很小。而在動態聚焦時，電路分時段控制接收延遲，使接收在一個深度范圍內依次由淺到深地進行聚焦，這樣聲波在整個深度范圍內都能較好地聚焦。相控陣超聲動態聚焦檢測模式如圖6所示。

3 相控陣超聲檢測技術典型應用

3.1 石油與天然氣——管道對接環焊縫超聲檢測[2]

中石油西氣東輸管道分公司參照ASTM E1961-1998標準和其試驗結果，編制了國內第一個“管道對接環焊縫全自動超聲波檢測”企業標準，在我國西氣東輸工程中，管道對接環焊縫超聲檢測技術主要采用了相控陣技術與TOFD（衍射時差）技術相結合的方式進行分區自動掃查，取得了較好的使用效果（如圖7），主要表現在：檢測速度快；檢測靈敏度高；缺陷定位定量準確，能夠準確測定缺陷的深度、長度和位置；檢測簡潔方便，勞動強度小。

3.2 電力能源——汽輪機轉子葉片葉根超聲檢測[3]

電廠汽輪機轉子葉片葉根由于其外形結構限制和檢測空間位置狹小的原因，使用常規超聲探頭難以進行有效的全齒檢查。根據汽輪機轉子葉片葉根的型式不同，常規超聲技術一般采用橫波探頭或表面波探頭對葉根的第一齒進行檢測，且檢測深度有限，因此檢測范圍有很大的局限性。使用相控陣超聲技術后，發揮相控陣技術的優勢，通過扇形掃查或控制探頭聲束寬度及角度，突破了這一局限性，既保證了檢測范圍，又提高了檢測可靠性和檢測效率（如圖8）。目前，國內許多火電廠已在廣泛使用汽輪機轉子葉片葉根相控陣超聲檢測技術。

3.3 相控陣超聲技術的典型應用還包括：

火車汽車工業——火車輪軸檢測，汽車傳動軸檢測；

航空工業——合金材料檢測，渦輪圓盤檢測；

其它工業——容器焊縫檢測、T型結構焊縫檢測。

這些方面的實際應用都取得了良好的檢測效果和經濟效益。

4 相控陣超聲檢測技術核電應用前景

4.1 相控陣超聲檢測技術優點

通過前面相控陣超聲技術原理、常用模式和典型應用的介紹，可以看出，相對常規超聲檢測，相控陣超聲檢測技術具有如下優點：

●一個相控陣探頭可以代替十幾個傳統的超聲探頭；

●不需更換探頭就可實現整個體積的多角度多方向掃查；

●扇形掃查、線性掃查可以不移動或減少探頭移動，提高了檢測速度和檢測效率；

●檢測靈活性更強，可以檢測厚大工件、形狀復雜工件以及更多類型的焊縫和結構；

●利用相控陣超聲技術，用戶可以自行制定檢測模式，如扇形掃查、線性掃查、變焦掃查等，在缺陷定性定量方面更加直觀和可靠。

4.2 核電超聲檢測發展趨勢

隨著我國核電事業的發展，核電設備超聲檢測的需求越來越多，同時，由于核電的特殊性以及核安全的重要性，業主對檢驗質量，檢驗效率、人員輻照劑量和檢驗工期的要求也越來越高。因此，目前核電超聲檢測新技術的發展趨勢主要有如下幾個方面：

●自動化檢測，提高檢測速度，放射性環境下工作時能夠減少操作人員的受輻照時間；

●能夠適應更多復雜結構或焊縫的超聲檢測，檢測的可達性和適用性好；

●檢測效率高，檢測靈敏度高，較高的檢測直觀性和實時性；

●缺陷定性定量更加準確和可靠。

4.3 核電相控陣超聲檢測技術初步應用

近年來，已有一些核電廠和核電檢測公司開始將相控陣超聲檢測技術引入到核電無損檢測的實際應用中，如：大亞灣和嶺澳核電站將相控陣技術應用到常規島汽輪機低壓轉子葉片葉根的超聲檢測[4]；中核武漢核電運行技術股份有限公司將相控陣技術應用到某電廠核一級設備容器接管內圓角區的超聲檢測。

綜上所述，作為先進超聲檢測技術的代表，隨著相控陣超聲檢測技術的不斷發展，相控陣技術的快速、準確、適應性強等諸多優點將會越來越發揮出優勢，相控陣超聲技術在核電無損檢測領域也將會有更大的應用發展前景。

5 相控陣超聲檢測技術核電應用的幾點建議

由于核電無損檢測特別是放射性條件下無損檢測的特殊性，對于相控陣超聲檢測技術應用到核電行業，有如下幾點建議：

●目前，在售的工業用相控陣探頭產品中，相控陣探頭與其電纜為整體式，而核電無損檢測多為遠距離自動化檢查，超聲電纜需要布置在掃查裝置上，由于探頭與電纜為整體式，一旦檢查過程中探頭損壞或電纜損壞，就必須替換整套探頭和電纜，并需重新布置超聲電纜，因此開發出與電纜分離式的相控陣探頭是一個值得關注的問題。

●相控陣超聲技術的標定相對常規探頭復雜，設計便捷實用的用于相控陣超聲技術中探頭測試以及靈敏度標定的試塊也是一個比較關鍵的技術問題。

●核電無損檢測中某些特定環境下存在輻射沾污風險以及強輻射造成的超聲探頭、電子器件性能逐步喪失，超聲設備和探頭成為易耗品，而目前相控陣超聲設備和探頭價格十分昂貴，將會使檢測成本和費用較高。所以研發設計出性能完備而價格低廉的相控陣設備和探頭將會使相控陣超聲檢測技術的核電應用前景更光明。

【參考文獻】

[1]鐘志民，梅德松；超聲相控陣技術的發展及應用；無損檢測；2002年02期.

[2]肖雄；相控陣全自動超聲波檢測技術在西氣東輸工程中的應用；無損檢測；2004年05期.

[3]王敏，竇洪；超聲相控陣技術在電力工業無損檢測中的應用；廣東電力；2009年12期.

[4]范巖成；MARKⅡ型低壓轉子末級葉片原位葉根的超聲相控陣檢查；無損檢測；2012年03期.