试析超声相控阵技术下的水工金属结构焊缝检测

汪宁宁

（中国电建集团核电工程有限公司，山东 济南 250000）

在检测水工金属性结构的安全上，超声相控阵技术是新发展方向，相比传统的超声检测，其主要优势就是能对声束指向实施高效而灵活的控制，借助相位控制能快速移动或者是偏转声束来扫查，不需要使用复杂化机械扫查的装置，能精确检测出复杂结构发生的损伤。在水利水电的行业中，由于水工金属性结构的复杂性，常规化的超声波检测达不到安全检测要求，而超声相控阵技术能达到无损检测效果，具有较好的应用和推广价值[1]。

1 超声相控阵技术原理与特征

超声相控阵技术简称为PAUT，其基本原理是：对换能器阵列内各个阵元激励脉冲或接收脉冲的时序、规则进行控制，调整从各个阵元接收（发射）声波来自（到达）物体中某点时候的相位关系，阵列内各个阵元所发射超声波就能积累为新波阵面，其达到的效果和换能器转变空间排列的形式后产生的效果相似，以此调整换能器阵列辐射的聚焦特征和波束指向。

之后，合成各个阵元中接受到的信号，以合适形式展现出来，实现声成像。概括而言，相控阵通过对压电元件接收与发射脉冲信号发生的时间延迟进行控制，从而有效控制波束发射方向，实现全方位扫描结构的目的。

超声相控阵技术中阵元延迟的时间能够发生动态化改变，超声相控阵在进行检测时，主要借助声束角度能够动态化聚焦、可控这两个主要特点。借助软件对声束的方向、焦点尺寸、焦柱长度进行控制，能有效提升检测的可靠性、检出缺陷的概率以及信噪比和分辨率。借助计算机对超声相控阵中的声束进行控制，其扫描模式基本上有三种：深度聚焦（简称DF）、扇形扫描（简称S-Scan）、电子扫描（简称E-Scan）。

声束扫描三种模式在任何截面位置都不用超声换能器让声束在步进轴的方向上做机械运动，仅仅用软件对各个阵元激发的顺序与延时进行控制即可，从而实现声束快速偏转或者移动，有效扫描当前的截面。

要想提升声束偏转的能力，一般要利用物理斜锲块做辅助。常规化超声检测一般采用光栅式扫查，超声相控阵技术在检测腐蚀和焊缝上一般采取单轴直线式扫查，借助位置编码器在扫查轴上对搜索数据位置进行标定，自动记录下检测数据。超声相控阵的检测速度比常规化超声检测的扫查要快上差不多一个数量级。

2 水工金属性结构中超声相控阵技术在检测焊缝中的应用

2.1 应用到检测中厚板的对接焊缝中

某水电站制作压力钢管使用的材料是WDB620钢材，采用的焊接方法是手工电弧焊、气体保护焊。钢材下平段管节板的厚度是42mm，钢材的管径是4.7m，鉴于钢材的管径比较大，其环焊缝、纵焊缝和平板对接式焊缝几乎差不多。通过扇形扫查，超声相控阵的横波发生偏转的角度范围是40º到70º，角度分辨率是0.5º，聚焦的深度能够达到50mm，步进偏移是50mm。在扫查一条环焊缝时发现有缺陷，通过扫描能发现缺陷位置最高波的声束角度（聚焦法则）、波幅、缺陷深度、焊缝截面中缺陷和焊缝中心偏离的距离、锲块前端和缺陷之间的距离以及缺陷高度和具体定位等等信息。借助超声相控阵技术，能将中厚板对接焊缝中存在的缺陷及时无损地检测出来，应用效果比较好。

2.2 应用到水工金属结构的检测受限位置和复杂结构中

某水电站所用岔管是内加强的月牙肋型，其布置方式是非对称的Y型，借助两个岔管分三个支管供给水轮机所需要的水。岔管所用钢材也是WDB620钢材，采取的焊接方法是气体保护焊，其月牙肋板厚度是128mm，和月牙肋板焊接到一起的瓦片厚度是52mm。在月牙肋板的外缘位置和主支管、支管外缘的相贯线在椭圆曲线中，而相贯线各处曲率并不相同，肋板和瓦片间角度逐渐变化，所以从顶部位置至腰线位置至底部位置，焊缝坡口的角度都是逐渐变化的，只在顶部位置、底部位置和附近狭小焊缝的长度空间中，焊缝类似T型，在腰线位置月牙肋版和瓦片角度最小。受限于结构，不能将探头放置到肋板端头中实施0º声束的垂直入射，只好在瓦片位置安装探头实施横波扇形形式的扫查。把每侧的组合焊缝都分成两个对称的部分，焊缝结构在对称位置相同，就可以采取相同工艺进行扫查。在两个对称部分焊缝的长度区间中，不同位置所采取的检测工艺也不一样。为了保证声束能全面覆盖焊缝体积，并尽可能提升检测的效率，能把两个对称部分焊缝分为多个小段，各个小段中的焊缝结构就可以近似认为是相同的，从而采取一样的检测工艺，实施单轴直线式的编码扫查。

3 超声相控阵技术检测水工金属式结构焊缝的优势

相比传统的超声检测，超声相控阵技术有较多优势：其一，具有较高的检测效率。超声相控阵技术采取的是单轴直线式的扇形扫描，比光栅扫查的效率更高。其二，使用更加灵活化。

超声相控阵的探头能对波束深度、偏转角度、聚焦深度等进行随意控制，缺陷取向不同也能使用相同探头，能依据需求设置扫查方式，同时能灵活变换不同检测模式，不用调整或变换机械。其三，少许移动或不移动探头能对高能构建各区域进行扫查，能在一定程度上解决空间受限、可接近性比较差等问题。

4 结语

在检测水工金属结构的安全性方面，超声相控阵技术是发展新方向，能有效控制聚焦深度和波束方向，多方位扫描结构，且其检测效率高，不会损坏到结构，能实现无损检测，其应用前景比较广泛。

[1]伍卫平, 范钦红, 韩志刚,等. 基于超声相控阵技术的水工金属结构焊缝检测[J].大坝与安全, 2016（3）.