相控陣技術(shù)在核電工程中的應(yīng)用驗(yàn)證

中國(guó)電建集團(tuán)核電工程公司 侯衛(wèi)師

核電站核級(jí)部件的無(wú)損檢測(cè)要求直觀、可記錄、結(jié)果便于保存。相控陣技術(shù)檢測(cè)效率和靈敏度高，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)，檢測(cè)圖像可視化，具有實(shí)時(shí)檢出和評(píng)定缺陷的優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)，因此在核電施工及在役檢測(cè)中應(yīng)用成為可能。

常規(guī)超聲波檢測(cè)由于定位準(zhǔn)確、對(duì)面積型缺陷檢測(cè)靈敏，在工業(yè)檢測(cè)中得到廣泛使用。但檢測(cè)結(jié)果不直觀、定性差、檢測(cè)過(guò)程無(wú)法記錄，且檢測(cè)結(jié)果與檢測(cè)人員的技術(shù)能力及責(zé)任心相關(guān)，因此在核電建設(shè)中因可追溯性差而應(yīng)用較少。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)采用了聲束的角度掃描和動(dòng)態(tài)聚焦等技術(shù)，使檢測(cè)效率和靈敏度得到提高，且可滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)的需求，而且由于檢測(cè)圖像可視化，因此具有實(shí)時(shí)檢出和評(píng)定缺陷的優(yōu)點(diǎn)，并且檢測(cè)圖形可記錄，便于實(shí)現(xiàn)信息的追溯，因此在核電工程檢測(cè)中應(yīng)用成為可能。

1 相控陣超聲檢測(cè)原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 相控陣超聲檢測(cè)原理

惠更斯原理：球形波面上的每一點(diǎn)（面源）都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)就是該時(shí)刻總的波動(dòng)的波面。

相控陣發(fā)射：多個(gè)換能器陣元按一定形狀、尺寸排列，構(gòu)成超聲陣列換能器，分別調(diào)整每個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的波形、幅度和相位延遲（以計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一系列不連續(xù)的時(shí)間延遲激發(fā)探頭陣列），使各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成發(fā)射聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)等效果。

相控陣接收：換能器發(fā)射的超聲波遇到目標(biāo)后產(chǎn)生回波信號(hào)，其到達(dá)各陣元的時(shí)間存在差異。按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對(duì)各陣元接收信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號(hào)疊加增強(qiáng)，其他方向的回波信號(hào)減弱甚至抵消。同時(shí)，通過(guò)各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，形成聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。

1.2 相對(duì)常規(guī)檢測(cè)（UTRT）優(yōu)點(diǎn)

不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭可掃查厚大工件和形狀復(fù)雜工件的各個(gè)區(qū)域，成為解決可達(dá)性差和空間限制問(wèn)題的有效手段；大多數(shù)現(xiàn)代的相控陣儀器有校準(zhǔn)向?qū)В@有助于快速而準(zhǔn)確的校準(zhǔn)多角度或者同步掃描，同時(shí)用單軸扇形掃查替代柵格形掃查可提高檢測(cè)速度；優(yōu)化控制焦柱長(zhǎng)度、焦點(diǎn)尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性；可以在不同的角度探測(cè)同一個(gè)缺陷，從而提交缺陷的檢測(cè)概率而不需考慮這些缺陷的方位。

能夠以各種標(biāo)準(zhǔn)的顯示格式（A掃、S掃、C掃、D掃）來(lái)繪制返回信號(hào)數(shù)據(jù)；與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在有限的范圍內(nèi)，使用較少的探頭完成檢測(cè)區(qū)域的全面掃查；通過(guò)成像技術(shù)提供大量的直觀信息，準(zhǔn)確檢測(cè)出工件內(nèi)的缺陷信息，直接而且準(zhǔn)確地反應(yīng)工件的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì)；實(shí)現(xiàn)了超聲波檢測(cè)的可記錄性。

1.3 相控陣超聲技術(shù)的局限性

相控陣儀器及配套探頭軟件比常規(guī)儀器貴10～20倍，需要擁有計(jì)算機(jī)、成像及超聲方面知識(shí)復(fù)合型人員，數(shù)據(jù)分析會(huì)非常耗時(shí)。

2 相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用案例

管道環(huán)焊縫檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)已被廣泛用于輸油管道、海洋石油平臺(tái)、火電受熱面管道焊縫、動(dòng)力管道環(huán)形焊縫。以管道環(huán)形焊縫為例，通過(guò)調(diào)整相控陣探頭的掃查角度、探頭距焊縫中心長(zhǎng)度等參數(shù)，使相控陣超聲波聲束覆蓋整個(gè)焊縫，實(shí)現(xiàn)了焊縫檢測(cè)的全覆蓋。

葉根檢測(cè)。目前對(duì)葉根的無(wú)損檢測(cè)方法：磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)只能檢測(cè)根部端面2mm左右縱深的區(qū)域；滲透檢測(cè)只能檢測(cè)根部端面開(kāi)口型缺陷；葉根沿轉(zhuǎn)子軸向厚度太大，射線檢測(cè)也無(wú)法進(jìn)行；傳統(tǒng)超聲檢測(cè)靈敏度達(dá)不到要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的全覆蓋。相控陣技術(shù)可以通過(guò)施加不同的延遲法則，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉根全體積的檢測(cè)。

壓力螺栓的檢測(cè)。壓力螺栓在螺紋根部易產(chǎn)生裂紋缺陷、造成螺栓的斷裂，現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法為滲透、超聲波檢測(cè)。由于螺紋形狀特性，造成滲透檢測(cè)過(guò)程中難以對(duì)缺陷形成有效的判定，致使漏檢率增大。超聲波檢測(cè)對(duì)螺紋的回波與缺陷波混雜在一起難以判定。相控陣技術(shù)具有較高的缺陷分辨率，可以更好的反應(yīng)齒根裂紋缺陷。

目前核電常規(guī)島無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀：目前核電常規(guī)島碳素鋼或低合金鋼管道環(huán)形焊縫主要采用射線檢測(cè)，有時(shí)輔以常規(guī)超聲波檢測(cè)方法，在檢測(cè)過(guò)程中存在明顯的缺點(diǎn)和局限性，主要體現(xiàn)在：射線檢測(cè)效率較低；工業(yè)射線對(duì)人體有害；一定范圍內(nèi)因輻射影響無(wú)法多點(diǎn)施工，檢測(cè)能力不足；常規(guī)超聲波檢測(cè)無(wú)法得到缺陷直觀圖像，定性困難，檢測(cè)結(jié)果無(wú)可記錄圖像、無(wú)法為后期的質(zhì)量驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)。

3 相控陣技術(shù)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證相控陣技術(shù)的可靠性，分別進(jìn)行了試驗(yàn)室驗(yàn)證、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊縫驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)室驗(yàn)證

通過(guò)采購(gòu)××模具廠制作焊縫自然缺陷試塊，和現(xiàn)場(chǎng)加工含缺陷焊縫分別進(jìn)行射線檢測(cè)及相控陣超聲檢測(cè)分析。

購(gòu)買(mǎi)模具廠加工的焊縫自然缺陷試塊編號(hào)G05 13195，規(guī)格Φ159×300×8，材料為20#，焊接方法為手工電弧焊，內(nèi)埋氣孔、夾渣、未焊透缺陷，分別進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)。通過(guò)對(duì)廠家出具的檢測(cè)報(bào)告、以及相控陣超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)結(jié)果：G05 13195試件中三個(gè)缺陷，相控陣、超聲波全部檢測(cè)出，但相控陣、超聲波數(shù)據(jù)有差異。而射線檢測(cè)僅檢測(cè)出氣孔和未焊透2項(xiàng)。在對(duì)缺陷的檢出個(gè)數(shù)上相控陣超聲檢測(cè)優(yōu)于射線檢測(cè)、與數(shù)字超聲波相當(dāng)，但相控陣對(duì)缺陷直觀顯示強(qiáng)。

為了更好驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)加工Φ273×30的含缺陷管件，內(nèi)埋氣孔、夾渣、未焊透缺陷，分別進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)、超聲波、射線檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果：射線檢測(cè)、超聲波、相控陣檢測(cè)缺陷數(shù)量分別為18、20、23；最小缺陷。射線檢測(cè)為1.5、超聲波為2.1、相控陣檢測(cè)為1.9；最大缺陷。射線檢測(cè)為15.3、超聲波15、相控陣檢測(cè)為16.4。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊縫驗(yàn)證

為了更好地對(duì)相控陣檢測(cè)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，在XX5號(hào)機(jī)組進(jìn)行相控陣技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證工作，隨機(jī)從現(xiàn)場(chǎng)已檢焊縫（射線檢測(cè)）抽檢17只進(jìn)行相控陣試驗(yàn)與常規(guī)射線檢測(cè)比對(duì)。抽檢焊縫規(guī)格涉及Φ168×7、Φ168×12.5、Φ219×9、Φ335.6×17.5、Φ323×16、Φ406×22.2、Φ457×14.2、Φ559×14.2七種規(guī)格。

3.2.1 缺陷檢出率

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取的17只焊口進(jìn)行檢出缺陷統(tǒng)計(jì)分析，缺陷檢出結(jié)果：在圓形缺陷的檢出率方面，射線檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)31個(gè)、超聲波發(fā)現(xiàn)45個(gè)，而相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)47個(gè)；咬邊。射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3個(gè)、相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2個(gè)、超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3個(gè)；內(nèi)凹缺陷。射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1個(gè)；夾潭。相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1個(gè)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，相控陣超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的檢出率略高于常規(guī)射線檢測(cè)及超聲波檢測(cè)。

3.2.2 缺陷尺寸對(duì)比

對(duì)射線檢測(cè)、相控陣檢測(cè)對(duì)不同類(lèi)型最大缺陷尺寸的統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果：射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的最小圓形缺陷大小為1mm（分別在5ARE-042-P1、ADG-010-W0105、GCT-117-P7三道焊縫上），相控陣發(fā)現(xiàn)的最小缺陷為1mm（ADG-010-W010）。檢出缺陷的最小尺寸均為1mm，超聲波發(fā)現(xiàn)的最小缺陷為點(diǎn)狀（ADG-010-W010，5GCT-117-P7）。在發(fā)現(xiàn)缺陷的最小尺度上大體相當(dāng)。

在缺陷定量方面，相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷較射線探傷定量大一些，根據(jù)分析，與波的傳有關(guān)；在缺陷的檢出方面，相控陣檢出的缺陷較射線多。

大體上，對(duì)缺陷的識(shí)別相控陣超聲檢測(cè)與射線檢測(cè)基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊縫相結(jié)合進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，在缺陷的檢出率以及最小缺陷的檢出尺寸方面，相控陣超聲檢測(cè)能檢出大部分缺陷，優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測(cè)。在檢測(cè)效率方面，相控陣檢測(cè)不受時(shí)間、空間制約，檢測(cè)效率明顯高于射線檢測(cè)。相控陣超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)的可記錄性滿足試驗(yàn)結(jié)果可追溯性的要求，相控陣對(duì)缺陷測(cè)長(zhǎng)較超聲波檢測(cè)準(zhǔn)確。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊縫檢測(cè)活動(dòng)。局限性：目前相控陣儀器和探頭價(jià)格較貴，檢測(cè)成本較高。