超声相控阵技术的发展及其在核工程无损检测中的应用

卜立鹏

（中国能源建设集团山西电力建设第三有限公司，山西 太原 030000）

超声相控阵技术的基本思想起源于电磁波相控阵雷达，于20世纪80年代开始被应用于工业无损检测中。与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术在缺陷检出率、定量准确度和检测效率方面均具有显著优越性，同时具有焦点控制灵活和图像显示直观的特点，也促进了超声相控阵技术的应用和发展。近年来，随着计算机、图像处理、压电复合材料开发等高新技术的迅猛发展，超声相控阵检测技术获得了进一步的融合创新。

一、超声相控阵的结构及技术原理

（一）超声相控阵的结构

超声相控阵就是超声探头晶片的合成，它是由很多的压电晶片依据相对的规律来进行分布的，最后在逐个的按照预先确定的延迟时间来进行激发各个排列好的晶片，当所有的晶片发射出的超声波构成一个整体的波面时，这样就可以有效的控制好波阵面的形状以及其的方向，并且还可以实现超声波的偏转以及聚焦等。它还具有能够确定出不连续的形状、大小以及方向，还可以提供出比单一的或者很多个探头系统更为强大的水平。超声相控阵无声检测技术是使用很多形状的多阵元换能器来生产和接收超声波光荣的，并且还可以通过结合机械扫描和电子扫描的方式来达到实现图像成像的作用。

（二）超声相控阵检测技术原理

超声相控阵检测技术所采用的超声相控阵采用的换能器为单独的换能器，而且这些换能器会按照一定的规则进行组合和排列，通常会排列为以为一维线阵、矩形阵形或者圆形阵形等。不同阵形所组成的相控阵其具有不同的有效孔径，这样就可以实现对不同场合进行应用。这些采用不同阵形进行排列的换能器通过计算机来进行控制，并且通过计算机可是实现对声波发射和接收延迟时间的控制，这样就可以将不同的换能器所发出的声波进行叠加。这样就可以按照惠更斯原理来形成不同的声场用于不同场合中所需要的无损检测。其中一维线性阵平行声束就是一个线性阵形按照从左向右的顺序进行依次激发，而且在此过程中不需要进行延时法则的应用，然后就会在相控阵探头的各个换能器部位产生平行声束用于进行无损检测。而对于一维非平行声束来说，其主要是通过计算机软件来对相控阵探头中的各阵元进行控制并确保其采用不同的延时法则，此种方法在焊缝无损检测中比较常用。其原理就是通过对不同延时法则的控制来确保阵列一侧到另一侧的延时间隔会逐渐变大，这样就会在检测波阵面出现一个平面波，而且此平面波由于具有一定的偏转角度而形成扇形波束。通过计算机软件可以对工艺参数中的最小角度和最大角度进行设置来确定角度范围，然后按照不同的坡口形式和不同的板厚来确保扇形波束能够对整个焊缝截面进行全面覆盖。这样在采用超声相控阵检测技术对焊缝进行探伤检测的过程中，就可以通过一维的线性扫查方式来提高探伤效率。

二、超声相控阵技术在核工程无损检测中的应用

（一）汽轮机叶轮轮缘裂纹的检测

超声相控阵在核电领域的无损检测中发挥了重要的作用，本节以核电站的核心部件汽轮机为例，介绍超声相控阵在叶轮轮缘裂纹检测中的应用。在汽轮机转子中，叶轮部分常年处于高速旋转状态，在应力和腐蚀的共同作用下极易形成应力腐蚀裂纹。当这种裂纹发展到一定程度时就会导致叶片部分或整圈断裂，从而导致灾难性事故。因此，对于汽轮机叶轮轮缘裂纹的检测，在转子的运转、维修、报废的决策过程中是必不可少的。

外包菌型低压汽轮机叶轮轮缘部位结构复杂，检测探头放置位置受限，缺陷数量多、尺寸小且深度不同。因此，在不拆卸叶片的情况下，传统超声检测方法很难完成检测。超声相控阵凭借其灵活的声束、高检测灵敏度及高检测效率，可有效解决这一难题。超声相控阵灵活的偏转声束可以使探头放置在裂纹缺陷斜上方的平整检测面上，结合相控阵特有的扇形扫查工作方式，可在不移动探头的情况下完成纵切面上3个部位裂纹的检测。

（二）焊缝的检测

超声相控阵在焊缝检测中的应用已非常广泛，其中对管道环焊缝的检测是最常见的，本节就以油气管道环焊缝的检测为例，介绍超声相控阵在焊缝检测中的应用。对于焊缝，一般要按照ASTM标准将其分区域检测，将焊缝划分为7个检测区域，因此，需要多种不同入射角度的声束进行检测。使用传统的超声波探伤法对管道环焊缝进行检测时，超声探头需要沿着管道的周向和轴向进行频繁的移动扫描，检测过程复杂。应用超声相控阵对环焊缝进行探伤时，只需一次简单的线性扫查即可完成全焊缝检测，不需要复杂的扫查装置，不需要更换探头，只通过软件参数设置就可实现对焊缝区域的多角度扫查，能适应不同工况，整个检测系统具有更高的灵活性。

结束语：

超声波相控阵技术的快速发展，不仅可以快速解决难点的问题，还可以在一定程度上使电力设备能够得到安全稳定的运行，另外，运用超声波相控技术的检测，还可以对电力工业的建设起到一定的促进作用，在加强上其具有多角度、全扫描、高检测率等优点，可以有效的消除很大的隐患问题，更会为其以后的发展奠定一个很好的基础，朝着理想的目标进行前行。