超聲相控陣技術的發展及其在核工程無損檢測中的應用

卜立鵬

（中國能源建設集團山西電力建設第三有限公司，山西 太原 030000）

超聲相控陣技術的基本思想起源于電磁波相控陣雷達，于20世紀80年代開始被應用于工業無損檢測中。與傳統超聲檢測技術相比，超聲相控陣技術在缺陷檢出率、定量準確度和檢測效率方面均具有顯著優越性，同時具有焦點控制靈活和圖像顯示直觀的特點，也促進了超聲相控陣技術的應用和發展。近年來，隨著計算機、圖像處理、壓電復合材料開發等高新技術的迅猛發展，超聲相控陣檢測技術獲得了進一步的融合創新。

一、超聲相控陣的結構及技術原理

（一）超聲相控陣的結構

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相對的規律來進行分布的，最后在逐個的按照預先確定的延遲時間來進行激發各個排列好的晶片，當所有的晶片發射出的超聲波構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，并且還可以實現超聲波的偏轉以及聚焦等。它還具有能夠確定出不連續的形狀、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更為強大的水平。超聲相控陣無聲檢測技術是使用很多形狀的多陣元換能器來生產和接收超聲波光榮的，并且還可以通過結合機械掃描和電子掃描的方式來達到實現圖像成像的作用。

（二）超聲相控陣檢測技術原理

超聲相控陣檢測技術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則進行組合和排列，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，這樣就可以實現對不同場合進行應用。這些采用不同陣形進行排列的換能器通過計算機來進行控制，并且通過計算機可是實現對聲波發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出的聲波進行疊加。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行依次激發，而且在此過程中不需要進行延時法則的應用，然后就會在相控陣探頭的各個換能器部位產生平行聲束用于進行無損檢測。而對于一維非平行聲束來說，其主要是通過計算機軟件來對相控陣探頭中的各陣元進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到另一側的延時間隔會逐漸變大，這樣就會在檢測波陣面出現一個平面波，而且此平面波由于具有一定的偏轉角度而形成扇形波束。通過計算機軟件可以對工藝參數中的最小角度和最大角度進行設置來確定角度范圍，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對整個焊縫截面進行全面覆蓋。這樣在采用超聲相控陣檢測技術對焊縫進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、超聲相控陣技術在核工程無損檢測中的應用

（一）汽輪機葉輪輪緣裂紋的檢測

超聲相控陣在核電領域的無損檢測中發揮了重要的作用，本節以核電站的核心部件汽輪機為例，介紹超聲相控陣在葉輪輪緣裂紋檢測中的應用。在汽輪機轉子中，葉輪部分常年處于高速旋轉狀態，在應力和腐蝕的共同作用下極易形成應力腐蝕裂紋。當這種裂紋發展到一定程度時就會導致葉片部分或整圈斷裂，從而導致災難性事故。因此，對于汽輪機葉輪輪緣裂紋的檢測，在轉子的運轉、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葉輪輪緣部位結構復雜，檢測探頭放置位置受限，缺陷數量多、尺寸小且深度不同。因此，在不拆卸葉片的情況下，傳統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用已非常廣泛，其中對管道環焊縫的檢測是最常見的，本節就以油氣管道環焊縫的檢測為例，介紹超聲相控陣在焊縫檢測中的應用。對于焊縫，一般要按照ASTM標準將其分區域檢測，將焊縫劃分為7個檢測區域，因此，需要多種不同入射角度的聲束進行檢測。使用傳統的超聲波探傷法對管道環焊縫進行檢測時，超聲探頭需要沿著管道的周向和軸向進行頻繁的移動掃描，檢測過程復雜。應用超聲相控陣對環焊縫進行探傷時，只需一次簡單的線性掃查即可完成全焊縫檢測，不需要復雜的掃查裝置，不需要更換探頭，只通過軟件參數設置就可實現對焊縫區域的多角度掃查，能適應不同工況，整個檢測系統具有更高的靈活性。

結束語：

超聲波相控陣技術的快速發展，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備能夠得到安全穩定的運行，另外，運用超聲波相控技術的檢測，還可以對電力工業的建設起到一定的促進作用，在加強上其具有多角度、全掃描、高檢測率等優點，可以有效的消除很大的隱患問題，更會為其以后的發展奠定一個很好的基礎，朝著理想的目標進行前行。