超聲相控陣技術在電力工業無損檢測中的應用

李鐵民

【摘 ?要】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領域的一個重要分支。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，得到了最為廣泛的應用。本文就超聲相控陣技術在電力工業無損檢測中的應用展開探討。

【關鍵詞】超聲相控陣;常規超聲;電力工業

引言

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。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。

1超聲相控陣技術的原理及特點

超聲波檢測相控陣技術，是通過控制換能器陣中各陣元的激勵脈沖時間延遲，改變由各陣元發射（或接收）聲波到達（或來自）物體內某點時的相位關系，達到聚焦和聲束偏轉的效果，實現缺陷檢測的技術川。超聲相控陣作為無損檢測的新技術，依靠電子控制的一兩個相控陣探頭，就可以完成以前需要多元復合探頭陣列才能進行的體內檢測，在更短的時間內徹底掃描整個被檢測物體的內部缺陷。超聲相控陣檢測技術是利用延遲電路的電子技術來控制相控陣探頭合成，實現超聲波發射、接收的方法。相控陣探頭有多個小晶片，每一個晶片被獨立地激發，根據各晶片相對于被檢測目標的不同聲程，施加不同的延遲時間，以實現聲束的角度和聚焦點的變化。普通超聲波一次只能使用一種角度的探頭檢測，相控陣檢測技術可以通過電子方式控制探頭聲束角度在一70度-70度或0度-90度（增加楔塊）內任意偏轉，形成扇形掃查，或者以合適的角度形成線形掃查，掃查時可以同時進行聲束聚焦，以增加靈敏度和測量精度。與普通超聲波檢測技術相比，超聲相控陣檢測優點如下：（1）對焊縫可實現機械掃查，檢測速度快，重復性好，可實時顯示，檢測結果直觀;（2）可檢測復雜形狀的工件或難以接近的部位;（3）缺陷定位準確，檢測靈敏度高;（4）僅用1個小型電子控制的多晶片探頭即可實現多角度掃查。

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信號的發射與接收

發射過程，探傷儀將觸發信號送到相控陣控制器，控制器將信號變成穩定的高壓電脈沖，脈沖寬度及時間延遲預先設定和界定，每個晶片只能接收一個電脈沖，所產生的超聲波波束有一定角度并聚焦在一定深度，該波束遇到缺陷時有反射回波，由相控陣控制器接收，并變換時間變成脈沖信號，傳到探傷儀。把有微小時差的電脈沖分別激勵，陣列探頭的各單元（晶片），來自材料某一焦點的缺陷回波以可計算的時差返回各換能器單元。信號匯合前各換能器單元接收的回波信號均有時差，匯合應形成的掃描圖形，聲速垂直和傾斜入射時的聚焦原理，每個單元上的延時取決于相控陣，陣列探頭，激勵單元的“窗口”，尺寸，波形，折射角和聚焦深度。

2.3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。

2.4稀疏陣列

在超聲相控陣檢測中，增大陣列孔徑是提高分辨率的有效途徑之一，但僅靠增加陣元數目來增大孔徑會導致系統復雜度的增加，于是稀疏陣列的研究應運而生。稀疏陣列的目的是在不增加或少增加陣元數目的前提下增大陣列孔徑，實現高分辨率檢測，具有陣元間互輻射小、易加工、成本低等優勢。與滿陣相比，稀疏陣列具有較少的陣元數，但由于其稀疏排列的特性，使其有效孔徑與滿陣基本保持一致，從而在降低硬件成本的情況下使陣列的脈沖回波響應具有良好的綜合聲學性能。稀疏陣列的優化設計過程，實際為從多種不同的陣元組合中選取最優的過程。陣列組合的優劣一般由脈沖回波響應的聲學性能來評價，即綜合主瓣特性與旁瓣特性設計優化目標函數。最優化的方法主要包括遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法等。稀疏矩陣是使用較少通道獲得大孔徑檢測的有效途徑，已逐漸成為超聲相控陣研究中的關鍵問題。

2.5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。

結語

伴隨著相控陣系統設計、系統仿真、生產與測試和應用等已取得一系列進展，超聲相控陣技術的特點及在眾多富有挑戰性檢測中的成功應用，使之成為超聲檢測的重要方法之一。由于它可以靈活而有效地控制聲束，使之具有廣闊的應用與發展前景，將其同信號分析與處理、數字成像和聲時衍射等技術結合起來，將有助于改善檢測的可能性和適用性，提高檢測的精確性、重現性及檢測結果的可靠性，增強檢測的實時性和直觀性，促進無損檢測與評價的應用及發展。

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，2015.

[2]敬人可.超聲無損檢測技術的研究進展[J].國外電子測量技術，2015（7）：28-30.

（作者單位：哈爾濱泰斯特檢測有限責任公司）