超聲相控陣技術在電力工業無損檢測中的應用

朱國斌

摘 要：本文首先介紹了超聲相控陣技術的原理及特點，然后從管道對接焊縫、接管座角焊縫、汽輪機葉片葉根和小徑管缺陷的檢出等幾方面探討超聲相控陣技術在電力工業中的應用，以期為超聲相控陣技術的發展及其在電力工業無損檢測中的應用提供借鑒。

關鍵詞：超聲相控陣;常規超聲;電力工業

中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0076-03

Application of Ultrasonic Phased Array Technology in

Non-destructive Testing of Power Industry

ZHU Guobin

（Datang Huazhong Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： This paper first introduced the principle and characteristics of ultrasonic phased array technology， then discussed the application of ultrasonic phased array technology in power industry from the aspects of pipe butt weld， nozzle seat fillet weld， turbine blade root and small diameter tube defect detection， in order to provide reference for the development of ultrasonic phased array technology and its application in non-destructive testing of power industry.

Keywords： ultrasonic phased array;conventional ultrasound;power industry

無損檢測是工業發展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個國家的工業發展水平，無損檢測的重要性已得到公認。超聲檢測是無損檢測中的一個重要分支，與其他檢測方法相比，超聲檢測具有適用性強、穿透力好、設備便攜、操作安全等優勢，得到了較為廣泛的應用[1，2]。超聲相控陣因其靈活的聲束形成以及快速成像性能得到了越來越多的關注，成為超聲無損檢測領域發展起來的研究熱點。

超聲相控陣技術的基本思想來自于雷達電磁波相控陣技術。初期，超聲相控陣技術僅應用于醫療行業。之后，隨著技術的發展，超聲相控陣技術開始應用于工業無損檢測中[3]。近年來，隨著壓電復合材料、微加工、微電子等技術的發展，超聲相控陣超聲檢測技術在工業無損檢測領域取得了突破性的進展[4]。

1 超聲相控陣的原理及特點

1.1 超聲相控陣原理

超聲相控陣技術是通過電子系統控制換能器陣列中的各個陣元，按照一定的延遲時間規則發射和接收超聲波，從而動態控制超聲束在工件中的偏轉和聚焦來實現材料的無損檢測的方法。換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，每個晶片稱為一個單元，按一定的規則和時序用電子系統控制激發各個單元，使陣列中各單元發射的超聲波疊加形成一個新的波陣面。同樣，在反射波的接收過程中，按一定規則和時序控制接收單元的接收并進行信號合成，再將合成結果以適當形式顯示[5]。

1.2 超聲相控陣檢測的特點

超聲相控陣不同的陣元組合與不同的聚焦法則相結合，形成了3種特有的工作方式：線性掃查、扇形掃查和動態深度聚焦。相控陣檢測系統是一種高性能的數字化儀器，可以對檢測全過程的信號進行記錄，并且對信號處理后生成和顯示不同方向投影高質量圖像，如B掃、C掃、D掃和S掃視圖。超聲相控陣技術可以檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，檢測范圍廣，定量、定位精度高;檢測數據容易儲存、搜索、調用方便;掃查裝置比較簡單，容易操作和維護;還可以形成實時的彩色圖像，便于缺陷評定。

2 超聲相控陣技術在電力工業中的應用

2.1 管道對接焊縫檢測

電廠管道特別是主蒸汽管道、再熱熱段蒸汽管道、主給水管道和再熱冷段蒸汽管道對接焊縫在運行過程中承受著較高的溫度和壓力，一旦泄露，輕者造成機組停機，重者導致人身傷亡，因此，加強管道對接焊縫的檢測顯得尤為重要。對接焊縫坡口一般有V型、U型、雙V型三種形式。

采用傳統的超聲波探傷方法對管道對接焊縫進行檢測時，探頭要在焊縫兩側頻繁移動，檢測過程十分復雜。采用相控陣超聲探頭檢測對接焊縫時，可通過掃描儀和編碼器實現對接焊縫的全體積掃描。在檢測過程中，關鍵檢測參數由軟件自行設定，不需要更換探頭，不需要頻繁地來回移動探頭，也不需要復雜的夾緊裝置。需要注意的是，只有保證探頭楔塊前端與焊趾之間的距離，才能保證探頭發出的聲束能覆蓋整個被檢截面，然后沿焊縫軸線縱向移動即可完成檢測。

2.2 接管座角焊縫檢測

接管座角焊縫作為電站鍋爐檢驗中的重點檢驗和監測部位，其質量優劣直接影響電站鍋爐運行的安全可靠性。角焊縫在焊接過程中常出現未焊透、未融合和裂紋等面積型缺陷。由于超聲波檢測對此類缺陷十分敏感，檢測靈敏度較高，常規超聲波檢測成為目前管座角焊縫常用的內部檢測方法。但是，由于接管座角焊縫坡口形狀和結構較為復雜，利用超聲波進行檢測時，易受到管座曲率、壁厚和馬鞍狀焊縫形式的影響，加之探測位置的局限，常規超聲波檢測面臨著缺陷信號識別難度大、缺陷的定位困難及難以確保焊縫完整覆蓋等問題。

利用模擬仿真軟件，將超聲相控陣檢測技術應用于對管座角焊縫的檢測，并配備掃查器實現自動化檢測。通過對比可知，利用超聲相控陣檢測技術能確保檢測質量。

2.3 汽輪機葉片葉根檢測

我國電站大型汽輪機裝機規模機組已成為主力機組，葉片工作參數標準越來越高，安全可靠性愈顯重要。汽輪機中要求最高、工作量最大的部件是汽輪機轉子，每一個葉片的葉根在高溫、高壓、高速轉動中，承受著數十噸甚至數百噸的離心力、彎力和扭力，使得轉子在高速旋轉的過程中可能導致葉片葉根裂紋的產生，甚至導致葉根斷裂，對汽輪機安全可靠性造成威脅。

葉根、輪槽和鍵槽等的結構復雜，利用超聲波檢測汽輪機轉子時，普通的單一探頭難以進行檢測。運用相控陣換能器對汽輪機轉子葉根進行檢測時，葉片可以不用拆卸，這不但可以提高檢測效率，而且還可以避免拆卸過程中產生損傷。菌型葉根外形如圖1所示。

菌型葉根有單菌、雙菌和三菌。根據受力分析，一般認為第一槽處有較大應力，容易產生裂紋。在檢測時，受常規超聲波檢測特點的影響以及葉根結構所限，只能對第一齒根進行檢測，即采用縱波和橫波在檢測面上對第一槽處進行檢測，其余部位無法檢測，如圖2所示。

而采用超聲相控陣檢測技術，可以在有限的范圍內，使用較少的探頭實現檢測區域的全面掃查，所用的專用相控陣超聲換能器如圖3所示。

采用超聲相控陣對菌型葉根進行檢測，一般是檢測葉根的A區域和B區域。A區域指第1齒全部區域、第1槽全部區域、第2槽部分區域;B區域指第2槽部分區域、第2齒全部區域、第3槽全部區域、第3齒全部區域。A和B代表區域位置如圖4所示。

超聲相控陣檢測技術能識別葉根試件上的人工缺陷，并能對葉根第一齒進行全覆蓋檢測，解決了大容量機組葉根超聲波檢測的難題，為電廠、電網的安全穩定運行提供了保障。菌型葉根扇掃下特征反射波成像如圖5所示。

2.4 小徑管檢測

火力發電廠鍋爐過熱器、省煤器、水冷壁、再熱器管稱為鍋爐“四管”。一般情況下，受熱面管通常稱為小徑管，所用直徑為32～89mm，管壁為4～12mm。近年來，超臨界、超超臨界機組不斷增多，機組在運行過程中受到的溫度、壓力不斷增加，對所用的小徑管質量提出了越來越高的要求。鍋爐“四管”因為長期處于高溫、高壓的環境中，極易產生高溫蠕變、內壁水側腐蝕、外壁向火側腐蝕、外壁侵蝕及磨損和疲勞，嚴重者會導致爆管事件，影響機組的安全穩定運行，給電廠帶來巨大的經濟損失。

常規超聲檢測耦合性差、聲速擴散、反射率低，只能以固定角度反射聲速，存在一定的盲區。同時，由于電站鍋爐小口徑管排比較密集，空間狹窄，不適合窄位置運行，檢測效率和缺陷檢測效果不能滿足工作要求。

采用相控陣超聲檢測傳感器和楔塊設計，利用超聲相控陣檢測技術檢測鍋爐小口徑管道對接焊縫，可實現電廠鍋爐受熱面管道焊縫裂紋的多角度、盲區掃描，且檢測靈敏度高，可有效消除相關隱患。

另外，在電力工業建設和檢修中，對粗晶奧氏體鋼也可以使用超聲相控陣檢測，應用超聲相控陣技術可以檢測到不同深度的缺陷。

3 結語

超聲相控陣檢測技術對管道對接焊縫、接管座角焊縫、汽輪機葉片葉根和小徑管缺陷的檢出具有非常明顯的作用。近年來，超聲相控陣技術在工業無損檢測中得到了越來越廣泛的應用，且發展前景廣闊。超聲相控陣技術的發展，會促進難點問題的解決，為電力設備的安全穩定運行，起到保駕護航的作用。

參考文獻：

[1]沈玉娣.現代無損檢測技術[M].西安：西安交通大學出版社，2012.

[2]敬人可，李建增，周海林.超聲無損檢測技術的研究進展[J].國外電子測量技術，2012（7）：28-30.

[3]Olympus. Advances in phased array ultrasonic technology applications[M]. Waltham：Olympus NDT，2007.

[4]靳世久，楊曉霞，陳世利，等.超聲相控陣檢測技術的發展及應用[J].電子測量與儀器學報，2014（9）：925-928.

[5]馮若.超聲手冊[M].南京：南京大學出版社，1999.