相控陣檢測較射線檢測在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢

冷百廣 馬庚堯

摘 要：相控陣超聲波檢測在項(xiàng)目施工中作為一項(xiàng)新技術(shù)，越來越被檢驗(yàn)人員重視和廣泛應(yīng)用。通過人員防護(hù)、現(xiàn)場作業(yè)、檢測速率、數(shù)據(jù)存儲、環(huán)境保護(hù)、發(fā)現(xiàn)缺陷的能力等多方面與傳統(tǒng)射線檢測進(jìn)行比較，進(jìn)一步突出相控陣檢測在實(shí)際應(yīng)用中存在的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：相控陣；射線；實(shí)際應(yīng)用；優(yōu)勢

隨著超聲波系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善，相控陣檢測與射線檢測逐步成為相輔相成的兩種檢測技術(shù)。兩種技術(shù)都可以探測工件或焊縫內(nèi)裂紋、圓形缺陷、未熔合或未焊透等缺陷，因此在實(shí)際應(yīng)用中，相控陣超聲波檢測越來越多的用來代替射線檢測，且隨著相控陣超聲檢測被廣泛的接受與應(yīng)用，相控陣超聲檢測的操作方法也逐步出現(xiàn)在各類檢驗(yàn)規(guī)范之中。

相控陣超聲技術(shù)是超聲波技術(shù)的發(fā)展與延伸，初期主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)超聲成像的原理是用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官進(jìn)行成像。最初，系統(tǒng)的復(fù)雜性、固體中波動傳播的復(fù)雜性及成本費(fèi)用高等原因使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用受限，然而隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)無損檢測。而射線檢測時(shí)產(chǎn)生的射線對人體具有生物輻射效應(yīng)，達(dá)到一定的程度會對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。基于兩種檢測技術(shù)工作原理的不同，下面對相控陣檢測的優(yōu)勢進(jìn)行深度論述。

1.人員防護(hù)

射線檢測時(shí)防護(hù)不當(dāng)或連續(xù)工作時(shí)間過長，可能對人體造成大劑量短時(shí)間急性照射或小劑量長期慢性照射，其對人體的損傷時(shí)間和癥狀程度也各有不同。急性損傷一般早期即可表現(xiàn)出來，有些也會經(jīng)過一段較長的潛伏期。早期的射線傷害有造血器官損傷、消化系統(tǒng)損傷型和中樞神經(jīng)損傷等。射線的慢性傷害在判斷上比較困難，因?yàn)槭苷蘸笾涟l(fā)現(xiàn)癥狀之間歷時(shí)較長，其因果關(guān)系不易判明，此外，射線引起的自覺癥狀和他覺癥狀沒有任何特異性。而且射線檢測時(shí)的安全半徑一般在30米以外，在項(xiàng)目施工中通常需要進(jìn)行隔離作業(yè)，如果現(xiàn)場施工區(qū)域較小，通常無法進(jìn)行交叉作業(yè)，必要時(shí)只能夜間作業(yè)，對檢驗(yàn)人員既有輻射危害也會因夜間工作產(chǎn)生身體損傷。

因此射線檢測牽涉到時(shí)間防護(hù)和距離防護(hù)兩個方面，除控制輻射時(shí)間和保持安全距離外，工作人員還需配備鉛服、鉛帽、鉛手套等屏蔽防護(hù)裝備。而相控陣超聲檢測對人體不存在輻射傷害，也沒有其他人員傷害的因素，可以多工種進(jìn)行交叉作業(yè)，也無需進(jìn)行特殊防護(hù)裝備，因而相控陣檢測較射線檢測在實(shí)際操作中更安全可行。

2.現(xiàn)場作業(yè)

目前使用的射線設(shè)備通常為X射線機(jī)，其體積較大，攜帶不夠方便。有些預(yù)制口之外的現(xiàn)場焊口，因施工空間較小或施工區(qū)域的位置特殊性，往往無法擺放檢測設(shè)備，或達(dá)不到安全半徑的要求，增加多重施工時(shí)的危險(xiǎn)因素。如高空現(xiàn)場口，擺放射線機(jī)困難的同時(shí)，檢驗(yàn)人員登高作業(yè)更換射線底片，需多次上下腳手架，增加人員磕碰、高空墜落的傷害幾率。

對于相控陣檢測，經(jīng)過技術(shù)不斷提高、設(shè)備不斷改進(jìn)，相控陣超聲設(shè)備變得越來越輕便，價(jià)格越來越便宜，使用起來也越來越容易操作。在實(shí)際應(yīng)用中受施工空間的限制較小，同一道焊口即時(shí)可以完成檢測作業(yè)，比射線設(shè)備在施工空間限制上具有更大優(yōu)勢。

3.檢測速率

在檢測速率上，相控陣檢測比射線檢測優(yōu)勢更加明顯。以4寸雙加強(qiáng)管線焊口為例，如使用射線檢測，通常一道焊口要拍5-6張底片，每張底片拍攝時(shí)間為3分鐘左右，更換底片時(shí)間為每張3分鐘左右，拍攝一道焊口所需的時(shí)間大致為30分鐘，加上設(shè)備位置調(diào)整、底片處理的時(shí)間，平均到每道焊口的時(shí)間往往在40分鐘以上。而相控陣檢測一道焊口所需的時(shí)間為3-5分鐘，檢測速率為射線檢測的6-10倍，在項(xiàng)目施工時(shí)可極大的縮短工期，獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4.數(shù)據(jù)存儲

常規(guī)的射線檢測數(shù)據(jù)存儲方式為射線底片存儲，由于拍攝條件、洗片條件或觀片條件限制，常會出現(xiàn)影像不清晰或缺陷難以判斷的情況，且底片保存時(shí)會因外界原因存在劃傷底片的風(fēng)險(xiǎn)，如果整理不當(dāng)或人為失誤，也可能造成底片損壞或丟失。底片的存儲也有時(shí)間的限制，一般射線底片最多保存5-7年，且隨著保存的時(shí)間累積，完好的射線底片也會變的越來越模糊，偏離實(shí)際檢測結(jié)果。

相控陣檢測技術(shù)不僅可以實(shí)時(shí)進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)分析，向焊接工程師或電焊工反饋數(shù)據(jù)信息和提供評估結(jié)果，還可以以電子格式出具檢測報(bào)告和存儲檢測數(shù)據(jù)。依據(jù)目前通訊、數(shù)據(jù)拷貝和存儲的能力，電子數(shù)據(jù)傳輸、存儲及分析都極為便利。在保存便利的同時(shí)，數(shù)據(jù)隨時(shí)可以真實(shí)清晰的還原檢測結(jié)果，因此相控陣檢測在數(shù)據(jù)存儲方面的優(yōu)勢也逐步突出出來。

5.環(huán)境保護(hù)

射線檢測完成后，在處理射線底片時(shí)，都會用到顯影液和定影液。顯影液的主要成分有米吐爾、菲尼酮、對苯二酚等，定影液的主要成分有硫代硫酸鈉或硫代硫酸銨、硫酸鉛鉀（鉀明礬）、硫酸鉻鉀（鉀鉻礬）、冰醋酸等。所使用的以上藥液都含有多種化學(xué)物質(zhì)，如果運(yùn)輸失誤、使用不規(guī)范、回收不利或處理不當(dāng)，都會對水源或土壤等造成污染，不利于環(huán)境保護(hù)。

相控陣超聲檢測時(shí)所使用的耦合劑為水或甘油，目前使用較多的是水，不僅隨處可取，而且使用過程中和使用后，都不會對環(huán)境造成損害，這也是相控陣檢測一項(xiàng)明顯的優(yōu)勢。

6.發(fā)現(xiàn)缺陷的能力

射線在穿透物體過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射使其強(qiáng)度減弱。強(qiáng)度衰減程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中穿透的厚度。如果被透照物體（工件）的局部存在缺陷，且構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于試件，該局部區(qū)域透過射線的強(qiáng)度就會與周圍產(chǎn)生差異，即缺陷部位和完好部位的透射射線強(qiáng)度不同，底片上相應(yīng)部位就會出現(xiàn)黑度差異。對于氣孔、夾渣等體積性缺陷射線檢測結(jié)果特別直觀，而對于裂紋、未熔合等面積型缺陷，因厚度變化差小，檢出率就會較低。同時(shí)，基于現(xiàn)在X射線透射的能力，檢測工件最大的厚度限制在50-60mm，具有極大的局限性。

超聲波檢測缺陷的工作原理是，若在一個工件中存在一個缺陷，即造成了缺陷和材料之間形成了一個不同介質(zhì)之間的交界面，交界面之間的聲阻抗不同，當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到這個界面之后，就會發(fā)生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定的位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。反射波的高度和形狀因缺陷性質(zhì)的不同而不同。而相控陣超聲探頭是一個較長的常規(guī)超聲探頭，將其切割成許多小的晶片，每個小晶片都可以獨(dú)立激發(fā)，就像是將許多小的常規(guī)超聲探頭集成進(jìn)入一個探頭中。因此，相控陣檢測對裂紋、未熔合等面積型缺陷特別敏感，還可測量出缺陷高度、深度等信息。同時(shí)，相控陣超聲檢測的最大厚度可達(dá)到200mm左右，基本可以滿足所有被檢工件厚度的要求。

另外，相控陣檢測完成后通過對缺陷高度的測量、體積維度的判斷和缺陷類型及長度的分析，從而對缺陷進(jìn)行精確定量，以降低產(chǎn)品返修或報(bào)廢的數(shù)量，還可以通過檢測大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析，改善焊接方法和焊接工藝。因此，在項(xiàng)目施工中使用相控陣超聲檢測代替射線檢測已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

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作者簡介：

冷百廣（1985.8-），男，助理工程師，煙臺大學(xué)-輪機(jī)工程專業(yè)，學(xué)士，海洋石油工程股份有限公司，主要從事無損檢測施工及研究工作.

馬庚堯（1987.2-），男，助理工程師，天津大學(xué)-公共事業(yè)管理，海洋石油工程股份有限公司，主要從事無損檢測施工及研究工作.