超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在核工程無損檢測中的應(yīng)用

卜立鵬

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)第三有限公司，山西 太原 030000）

超聲相控陣技術(shù)的基本思想起源于電磁波相控陣?yán)走_(dá)，于20世紀(jì)80年代開始被應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中。與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測效率方面均具有顯著優(yōu)越性，同時具有焦點控制靈活和圖像顯示直觀的特點，也促進(jìn)了超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，隨著計算機(jī)、圖像處理、壓電復(fù)合材料開發(fā)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲相控陣檢測技術(shù)獲得了進(jìn)一步的融合創(chuàng)新。

一、超聲相控陣的結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理

（一）超聲相控陣的結(jié)構(gòu)

超聲相控陣就是超聲探頭晶片的合成，它是由很多的壓電晶片依據(jù)相對的規(guī)律來進(jìn)行分布的，最后在逐個的按照預(yù)先確定的延遲時間來進(jìn)行激發(fā)各個排列好的晶片，當(dāng)所有的晶片發(fā)射出的超聲波構(gòu)成一個整體的波面時，這樣就可以有效的控制好波陣面的形狀以及其的方向，并且還可以實現(xiàn)超聲波的偏轉(zhuǎn)以及聚焦等。它還具有能夠確定出不連續(xù)的形狀、大小以及方向，還可以提供出比單一的或者很多個探頭系統(tǒng)更為強(qiáng)大的水平。超聲相控陣無聲檢測技術(shù)是使用很多形狀的多陣元換能器來生產(chǎn)和接收超聲波光榮的，并且還可以通過結(jié)合機(jī)械掃描和電子掃描的方式來達(dá)到實現(xiàn)圖像成像的作用。

（二）超聲相控陣檢測技術(shù)原理

超聲相控陣檢測技術(shù)所采用的超聲相控陣采用的換能器為單獨的換能器，而且這些換能器會按照一定的規(guī)則進(jìn)行組合和排列，通常會排列為以為一維線陣、矩形陣形或者圓形陣形等。不同陣形所組成的相控陣其具有不同的有效孔徑，這樣就可以實現(xiàn)對不同場合進(jìn)行應(yīng)用。這些采用不同陣形進(jìn)行排列的換能器通過計算機(jī)來進(jìn)行控制，并且通過計算機(jī)可是實現(xiàn)對聲波發(fā)射和接收延遲時間的控制，這樣就可以將不同的換能器所發(fā)出的聲波進(jìn)行疊加。這樣就可以按照惠更斯原理來形成不同的聲場用于不同場合中所需要的無損檢測。其中一維線性陣平行聲束就是一個線性陣形按照從左向右的順序進(jìn)行依次激發(fā)，而且在此過程中不需要進(jìn)行延時法則的應(yīng)用，然后就會在相控陣探頭的各個換能器部位產(chǎn)生平行聲束用于進(jìn)行無損檢測。而對于一維非平行聲束來說，其主要是通過計算機(jī)軟件來對相控陣探頭中的各陣元進(jìn)行控制并確保其采用不同的延時法則，此種方法在焊縫無損檢測中比較常用。其原理就是通過對不同延時法則的控制來確保陣列一側(cè)到另一側(cè)的延時間隔會逐漸變大，這樣就會在檢測波陣面出現(xiàn)一個平面波，而且此平面波由于具有一定的偏轉(zhuǎn)角度而形成扇形波束。通過計算機(jī)軟件可以對工藝參數(shù)中的最小角度和最大角度進(jìn)行設(shè)置來確定角度范圍，然后按照不同的坡口形式和不同的板厚來確保扇形波束能夠?qū)φ麄€焊縫截面進(jìn)行全面覆蓋。這樣在采用超聲相控陣檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行探傷檢測的過程中，就可以通過一維的線性掃查方式來提高探傷效率。

二、超聲相控陣技術(shù)在核工程無損檢測中的應(yīng)用

（一）汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的檢測

超聲相控陣在核電領(lǐng)域的無損檢測中發(fā)揮了重要的作用，本節(jié)以核電站的核心部件汽輪機(jī)為例，介紹超聲相控陣在葉輪輪緣裂紋檢測中的應(yīng)用。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中，葉輪部分常年處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下極易形成應(yīng)力腐蝕裂紋。當(dāng)這種裂紋發(fā)展到一定程度時就會導(dǎo)致葉片部分或整圈斷裂，從而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。因此，對于汽輪機(jī)葉輪輪緣裂紋的檢測，在轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)、維修、報廢的決策過程中是必不可少的。

外包菌型低壓汽輪機(jī)葉輪輪緣部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測探頭放置位置受限，缺陷數(shù)量多、尺寸小且深度不同。因此，在不拆卸葉片的情況下，傳統(tǒng)超聲檢測方法很難完成檢測。超聲相控陣憑借其靈活的聲束、高檢測靈敏度及高檢測效率，可有效解決這一難題。超聲相控陣靈活的偏轉(zhuǎn)聲束可以使探頭放置在裂紋缺陷斜上方的平整檢測面上，結(jié)合相控陣特有的扇形掃查工作方式，可在不移動探頭的情況下完成縱切面上3個部位裂紋的檢測。

（二）焊縫的檢測

超聲相控陣在焊縫檢測中的應(yīng)用已非常廣泛，其中對管道環(huán)焊縫的檢測是最常見的，本節(jié)就以油氣管道環(huán)焊縫的檢測為例，介紹超聲相控陣在焊縫檢測中的應(yīng)用。對于焊縫，一般要按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)將其分區(qū)域檢測，將焊縫劃分為7個檢測區(qū)域，因此，需要多種不同入射角度的聲束進(jìn)行檢測。使用傳統(tǒng)的超聲波探傷法對管道環(huán)焊縫進(jìn)行檢測時，超聲探頭需要沿著管道的周向和軸向進(jìn)行頻繁的移動掃描，檢測過程復(fù)雜。應(yīng)用超聲相控陣對環(huán)焊縫進(jìn)行探傷時，只需一次簡單的線性掃查即可完成全焊縫檢測，不需要復(fù)雜的掃查裝置，不需要更換探頭，只通過軟件參數(shù)設(shè)置就可實現(xiàn)對焊縫區(qū)域的多角度掃查，能適應(yīng)不同工況，整個檢測系統(tǒng)具有更高的靈活性。

結(jié)束語：

超聲波相控陣技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可以快速解決難點的問題，還可以在一定程度上使電力設(shè)備能夠得到安全穩(wěn)定的運行，另外，運用超聲波相控技術(shù)的檢測，還可以對電力工業(yè)的建設(shè)起到一定的促進(jìn)作用，在加強(qiáng)上其具有多角度、全掃描、高檢測率等優(yōu)點，可以有效的消除很大的隱患問題，更會為其以后的發(fā)展奠定一個很好的基礎(chǔ)，朝著理想的目標(biāo)進(jìn)行前行。