超聲相控陣檢測技術的發展與在化工設備領域的應用

王天曜 劉文強 尚其鐸(山東省安泰化工壓力容器檢驗中心，山東 濟南 250014)

0 引言

超聲檢測是檢測技術的重要分支，經過近一個世紀的發展，它已經在國防建設、醫療衛生、工業生產及科學測量等領域發揮著重要的作用。隨著科技的發展，人們對超聲檢測的研究不斷深化，超聲相控陣技術得以面世并日益受到大家的重視。

1 超聲相控陣檢測的發展歷史

到了二十世紀60年代科學家提出實時扇掃的理念并率先用在了醫學領域。這是因為在醫學領域，超聲傳播的介質一般都是人體組織，耦合良好，而且在這樣的介質中傳播，超聲波入射角和聲速非常接近，界面處的折射少有發生。在這種情況下超聲信號的分析就相對容易。

二十世紀80年代，相控陣開始應用于工業領域，這時整套設備系統還非常大，至少需要兩人操作。主要是應用在電站設備尤其是核電設備的檢測上。二十世紀90年代以來，電子技術和軟件技術快速發展，使得高效率、低能耗的架構得以實現，相控陣技術愈加成熟，設備運算速度和便攜性能大大提升。

又具備了高速便攜的優點，從而使其在更多的領域得以應用。

2 超聲相控陣檢測的技術原理及特點

2.1 超聲相控陣檢測的技術原理

傳統的超聲檢測是通過單晶片探頭發射聲束，在特殊條件下使用時為了減小盲區和提高檢測分辨率，也會采用雙晶探頭或是單晶聚焦探頭。但是無論哪種情況，超聲場在介質中的傳播均是軸向單一方向。這樣就限制了超聲對不同方向缺陷的檢出能力。

相控陣超聲雖然仍屬于脈沖反射法的范疇，但在聲場特性、信號處理、生成圖像、設備功能等方面，卻與常規超聲有很大不同。最典型特征為，超聲相控陣使用的探頭是將若干個獨立的壓電晶片按照一定規律分布排列，組合成晶片陣列組合。激發時，對激發各陣元的脈沖施加預先設定的延遲時間，根據惠更斯原理，每個晶片發射超聲波形成的波前，經過相互干涉，形成了新的波陣面。這樣就能有效地控制聲束的方向與形狀，實現聲束的掃描、偏轉(圖1)和聚焦(圖2)。基于計算機硬件和軟件技術的進步，相控陣超聲檢測設備是一套性能先進的數字化儀器組合，包括設備主機、顯示設備、相控陣超聲探頭等，能夠記錄檢測過程的全部信號，并對信號進行處理，生成并顯示運行得出的不同方向投影的圖像。

圖1 偏轉聲束的形成

圖2 聚焦聲束的形成

2.2 超聲相控陣檢測的優勢

(1)由于能對聲束進行有效的控制，使聲束到達常規超聲檢測無法到達的“死角”，從而使復雜幾何形狀工件的檢測成為可能；

(2)可以在不移動探頭的情況下做高速電子掃查，對工件進行高速、全方位和多角度的檢測；

(3)可以引入建模技術，通過對缺陷位置、形狀和尺寸的分析，能夠更容易和準確地判斷缺陷性質和形成原因；

(4)超聲相控陣檢測使用的探頭能適應更多情景，一個探頭就能涵蓋多種應用，不用頻繁的更換探頭，省時省力；

(5)與TOFD檢測一樣，超聲相控陣檢測的結果也能夠成像記錄，可永久保存并能精準追溯。

2.3 超聲波相控陣檢測技術存在的局限性

(1)仍然屬于一種超聲檢測技術，因此它同常規A超一樣也受工件表面粗糙度、耦合質量、被件材料冶金狀態、溫度等工藝因素的影響；

(2)就目前的超聲波相控陣探傷儀來說，儀器調節較A超復雜，調節正確性對檢測結果影響較大，并且受到軟硬件的技術限制；

(3)就目前市場情況，超聲波相控陣探傷儀和探頭價格比較昂貴，據了解目前我國只有個別廠家能生產出超聲波相控陣探傷儀，許多廠家正在研發中。

3 超聲相控陣檢測技術在化工設備檢測領域的幾種典型應用

3.1 化工動設備

3.1.1 軸類工件的檢測

如圖3所示，在役軸類工件的變截面處一般容易產生疲勞裂紋，此種缺陷的產生會大大降低軸的使用壽命，用一般超聲方法對變截面部位進行檢測往往會受到檢測幾何空間的限制；而相控陣探頭則可以放在軸的某個位置處，利用扇形掃查，將波束聚焦在每一個相應位置，使各變截面處的疲勞裂紋同時得到檢測。

圖3 變截面軸類工件相控陣檢測示意圖

3.1.2 轉子葉片根部檢測

轉子葉片根部長時間受到交變應力，容易產生疲勞裂紋，超聲相控陣可以使聲束偏轉、聚焦，能輕松應對其不規則的外形特征。

圖4 葉片根部缺陷相控陣檢測示意圖

3.2 化工靜設備

3.2.1 壓力管道環向對接焊縫檢測

比起常規超聲，用相控陣檢測壓力管道環向對接焊縫時，在探頭角度選取和檢測自動化方面有著獨特的優越性。大部分壓力管道一般壁厚不會太厚，曲率相對較大，這就對探頭角度(K值)提出了較高的要求，使用常規超聲檢測效果不是太好。

3.2.2 螺栓

螺紋根部裂紋是螺栓最常出現的缺陷，常規超聲檢測很難把螺紋反射波和螺紋根部裂紋產生的回波區分開來。采用超聲相控陣技術則可以應對這種情況。從圖5和表1可以看出，能較容易的分辨出缺陷回波。

圖5 螺栓螺紋根部裂紋超聲相控陣檢測