相控阵超声检测技术核电应用前景展望

刘云　卢威　王羽翀

【摘 要】相控阵超声技术以其优越的性能越来越引起人们的重视，相控阵超声技术在无损检测行业中已逐步得到广泛的应用。本文通过对相控阵超声技术原理、常用模式以及典型应用的介绍，展望相控阵超聲技术在核电无损检测领域的应用前景，并提出相关建议。

【关键词】相控阵；超声检测；核电

中图分类号： TB559；TL351.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）06-0251-003

【Abstract】For Phased Array Technologys excellent performance in Ultrasonic testing，it increasingly draws our attention，and has been already widely applied in NDT.This paper introduced Phased array principle，usual mode and typical application，Then discussed the present and developmental applications in nuclear power industry，Finally，some suggestions for Phased Array Technology application in nuclear power industry are put forward.

【Key words】Phased Array；Ultrasonic Testing；Nuclear power industry

超声相控阵技术的应用始于20世纪60年代，初期主要应用于医疗领域，如医学B超成像。由于相控阵系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性、成本费用高以及市场相对较小等原因使其在工业无损检测中的应用受限。近20年来，随着复合压电晶片材料、脉冲信号控制以及信号处理分析技术的不断发展，相控阵超声技术以其优越的性能越来越引起人们的重视，欧美等发达国家经过多年研究，已逐步将相控阵超声技术应用于某些工业领域的无损检测，例如石油管道焊缝检测、海洋钻井平台结构焊缝检测、火车轮轴检测、航空材料检测等领域。相控阵超声检测技术近些年也开始逐步在国内一些工业领域得到广泛应用，最广为人知的就是“天然气西气东输工程”中大口径管道环焊缝检测的相控阵超声技术应用。

本文通过对相控阵超声技术原理、常用模式以及典型应用的介绍，展望相控阵超声技术在核电无损检测领域的应用前景，并提出相关建议。

1 相控阵超声技术原理

1.1 相控阵超声技术设计原理

相控阵超声技术的设计基于惠更斯原理，通过控制相控阵探头上每个独立细小晶片的激发和接收时序，在不同的时间内相继激发阵列探头中的各个单元，各个晶片激发的波有先后，这些波的叠加形成新的波前，因此可以将超声波的波前聚焦并控制到一个特定的方向，以不同角度辐射超声波束，实现不同的声波特性，如：声束方向、焦点位置和焦点尺寸等[1]。

1.2 相控阵超声探头的组成

相控阵超声探头由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个压电晶片都可以独立接受信号控制（脉冲和时序），即一个相控阵探头相当于多个常规探头组合而成，如图1。相控阵激发的超声波进入材料后，仍然遵循超声波在材料中的传播规律，因此，对于常规超声检测应用的频率、聚焦、入射角、回波幅度与定位等等，相控阵超声检测也同样适用。

1.3 相控阵超声技术的声束控制方式

相控阵超声技术对超声波声束的控制有以下几种方式：

1）声束角度控制

声束角度的控制是通过叠加声波波前的形式实现的。同时激发一个一维线性相控阵探头上的所有晶片，那么每个晶片发射出的声波波前与发射晶片的距离相等，叠加后的声波波前平行于探头的晶片表面，声场情况与一个有同样面积的单晶片直探头产生的声场十分类似，如图2A所示。

相控阵控制单元能够以不同的延迟时间按顺序的一个接一个的激发阵列中的晶片。按顺序被激发的每一个晶片会发射出声波，在某一时刻，叠加后的声波波前将不再平行于探头的晶片表面，而是与晶片表面成一定的夹角，这一声场情况与一个有同样面积的单晶片斜探头产生的声场十分类似，如图2B所示。通过改变每个晶片的激发时序时间，就可以得到与晶片表面成不同夹角的叠加波前。

2）声束聚焦控制

调整晶片的激发时序时间，可以产生聚焦声束。这时，每个独立的声波波前叠加后的趋势是向着焦点处聚焦，当精确控制激发的时序时间后，将会使波束聚焦在想要的焦点上，如图3所示。

2 相控阵超声技术常用检测模式

相控阵超声仪、相控阵超声探头以及安装有相控阵软件的计算机构成了相控阵超声系统，目前在工业无损检测领域，最为常用的相控阵超声检测模式有如下几种：

1）扇形扫查检测模式

是目前应用最为广泛的一种模式，是通过电路控制产生不同的激发脉冲延迟序列，得到不同角度的声束，这样就可以在不移动探头的情况下对某一区域完成多个角度声束的扇形扫查。相控阵超声扇形扫查检测模式如图4所示。

2）线性扫查检测模式

当相控阵探头晶片阵列的晶片数较多时，通过电路控制依次激发晶片的次序，可以在不移动探头的情况下，产生沿着探头晶片阵列方向不断移动的超声波声束。相控阵超声线性扫查检测模式如图5所示。

3）动态聚焦检测模式

对于常规的标准聚焦探头，发射和接收的聚焦点在同一深度，这样声波的聚焦在深度方向上的范围很小。而在动态聚焦时，电路分时段控制接收延迟，使接收在一个深度范围内依次由浅到深地进行聚焦，这样声波在整个深度范围内都能较好地聚焦。相控阵超声动态聚焦检测模式如图6所示。

3 相控阵超声检测技术典型应用

3.1 石油与天然气——管道对接环焊缝超声检测[2]

中石油西气东输管道分公司参照ASTM E1961-1998标准和其试验结果，编制了国内第一个“管道对接环焊缝全自动超声波检测”企业标准，在我国西气东输工程中，管道对接环焊缝超声检测技术主要采用了相控阵技术与TOFD（衍射时差）技术相结合的方式进行分区自动扫查，取得了较好的使用效果（如图7），主要表现在：检测速度快；检测灵敏度高；缺陷定位定量准确，能够准确测定缺陷的深度、长度和位置；检测简洁方便，劳动强度小。

3.2 电力能源——汽轮机转子叶片叶根超声检测[3]

电厂汽轮机转子叶片叶根由于其外形结构限制和检测空间位置狭小的原因，使用常规超声探头难以进行有效的全齿检查。根据汽轮机转子叶片叶根的型式不同，常规超声技术一般采用横波探头或表面波探头对叶根的第一齿进行检测，且检测深度有限，因此检测范围有很大的局限性。使用相控阵超声技术后，发挥相控阵技术的优势，通过扇形扫查或控制探头声束宽度及角度，突破了这一局限性，既保证了检测范围，又提高了检测可靠性和检测效率（如图8）。目前，国内许多火电厂已在广泛使用汽轮机转子叶片叶根相控阵超声检测技术。

3.3 相控阵超声技术的典型应用还包括：

火车汽车工业——火车轮轴检测，汽车传动轴检测；

航空工业——合金材料检测，涡轮圆盘检测；

其它工业——容器焊缝检测、T型结构焊缝检测。

这些方面的实际应用都取得了良好的检测效果和经济效益。

4 相控阵超声检测技术核电应用前景

4.1 相控阵超声检测技术优点

通过前面相控阵超声技术原理、常用模式和典型应用的介绍，可以看出，相对常规超声检测，相控阵超声检测技术具有如下优点：

●一个相控阵探头可以代替十几个传统的超声探头；

●不需更换探头就可实现整个体积的多角度多方向扫查；

●扇形扫查、线性扫查可以不移动或减少探头移動，提高了检测速度和检测效率；

●检测灵活性更强，可以检测厚大工件、形状复杂工件以及更多类型的焊缝和结构；

●利用相控阵超声技术，用户可以自行制定检测模式，如扇形扫查、线性扫查、变焦扫查等，在缺陷定性定量方面更加直观和可靠。

4.2 核电超声检测发展趋势

随着我国核电事业的发展，核电设备超声检测的需求越来越多，同时，由于核电的特殊性以及核安全的重要性，业主对检验质量，检验效率、人员辐照剂量和检验工期的要求也越来越高。因此，目前核电超声检测新技术的发展趋势主要有如下几个方面：

●自动化检测，提高检测速度，放射性环境下工作时能够减少操作人员的受辐照时间；

●能够适应更多复杂结构或焊缝的超声检测，检测的可达性和适用性好；

●检测效率高，检测灵敏度高，较高的检测直观性和实时性；

●缺陷定性定量更加准确和可靠。

4.3 核电相控阵超声检测技术初步应用

近年来，已有一些核电厂和核电检测公司开始将相控阵超声检测技术引入到核电无损检测的实际应用中，如：大亚湾和岭澳核电站将相控阵技术应用到常规岛汽轮机低压转子叶片叶根的超声检测[4]；中核武汉核电运行技术股份有限公司将相控阵技术应用到某电厂核一级设备容器接管内圆角区的超声检测。

综上所述，作为先进超声检测技术的代表，随着相控阵超声检测技术的不断发展，相控阵技术的快速、准确、适应性强等诸多优点将会越来越发挥出优势，相控阵超声技术在核电无损检测领域也将会有更大的应用发展前景。

5 相控阵超声检测技术核电应用的几点建议

由于核电无损检测特别是放射性条件下无损检测的特殊性，对于相控阵超声检测技术应用到核电行业，有如下几点建议：

●目前，在售的工业用相控阵探头产品中，相控阵探头与其电缆为整体式，而核电无损检测多为远距离自动化检查，超声电缆需要布置在扫查装置上，由于探头与电缆为整体式，一旦检查过程中探头损坏或电缆损坏，就必须替换整套探头和电缆，并需重新布置超声电缆，因此开发出与电缆分离式的相控阵探头是一个值得关注的问题。

●相控阵超声技术的标定相对常规探头复杂，设计便捷实用的用于相控阵超声技术中探头测试以及灵敏度标定的试块也是一个比较关键的技术问题。

●核电无损检测中某些特定环境下存在辐射沾污风险以及强辐射造成的超声探头、电子器件性能逐步丧失，超声设备和探头成为易耗品，而目前相控阵超声设备和探头价格十分昂贵，将会使检测成本和费用较高。所以研发设计出性能完备而价格低廉的相控阵设备和探头将会使相控阵超声检测技术的核电应用前景更光明。

【参考文献】

[1]钟志民，梅德松；超声相控阵技术的发展及应用；无损检测；2002年02期.

[2]肖雄；相控阵全自动超声波检测技术在西气东输工程中的应用；无损检测；2004年05期.

[3]王敏，窦洪；超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用；广东电力；2009年12期.

[4]范岩成；MARKⅡ型低压转子末级叶片原位叶根的超声相控阵检查；无损检测；2012年03期.