中国电建集团核电工程有限公司 山东省 济南市 250000
摘要：相控阵技术是一种多声束扫描成像检测技术，通过控制聚焦深度、偏转角度和波束宽度形成不同的虚拟探头（VPA），从而可对试件进行高速、全方位和多角度的检测，且图像化的检测结果更加直观。相控阵超声波技术能够对一些存在自然缺陷的试块进行全覆盖检测并定量，检测结果误差能够满足规范要求，可以用于焊缝检测工作。
关键词：相控阵；检测；应用
引言
超声相控阵检测技术技术可以通过计算机软件对声束角度、聚集距离及焦点尺寸进行控制；能够用单个多晶片相控阵探头对同一位置的焊缝进行多角度的检测；能够检测复杂几何形状焊缝，且具有较好的机动性与灵活性；能够与机械夹具配合使用，高速、全面扫查整个试件；能够通过计算机对信号与数据进行采集处理，使超声检测结果显示更直观，此外，该技术可以对数据进行存储及转移，便于后续的离线分析。采用超声相控阵检测技术对海上平台工艺管线焊缝进行检测，检查时间、检测成本均有显著降低，对一些接由于空间受限而导致常规超声无法完成检测的焊缝，也能够通过一次扫描进行全覆盖检测。目前，相控阵超声波检测在奥氏体不锈钢管道环焊缝的检测工作中取得了良好的效果。
1超声相控阵检测技术概述以及基本原理
1.1概述
相控阵检测是一种通过对阵列传感器各独立阵元按一定的延迟法则进行激励、接收，合成特定形式声场，通过超声波数据以图像的形式显示出来的一种无损检测技术。通过时间延迟相继激发探头中多个晶片，每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的波束，通过软件调整，新波束的角度、焦距、焦点尺寸等均可根据检测需要予以改变。与传统TOFD、超声测厚、Ａ型脉冲回波检测等无损检测技术相比，相控阵检测技术的一个探头即具备多个性质相同的晶片，通过控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度形成不同的虚拟探头（VPA），从而可对试件进行高速、全方位和多角度的检测，在扫查过程中可形成大量A扫和C扫数据，且通过相控阵仪器数据处理可实现以S扫的形式显示出来。
1.2基本原理
根据费尔马原理，可以计算出晶片的激发时间和延迟时间，使所有晶片产生的柱状波（球面波）的波前在同一时间到达空间的同一点，波束都是柱状聚焦或球面聚焦的，基于缺陷的反射波被晶片接收来检测，通过聚焦法则计算器，计算出每个晶片的延时，从而得出波束偏转和聚焦的深度和角度，检测得到的模拟信号经过调整，可在多个视图中显示。利用超声探测仪按预先设定的波前延时值触发各通道相控阵装置，从而形成激励脉冲，通过各压电阵元均产生声束，使阵列探头中各单元发射的超声波叠加形成入射波前。接收时，通过界面或者缺陷反射波，按预定的延时值，接受回波信号并进行累加，经过超声探测仪处理即显示出来。
2超声相控阵技术在焊缝缺陷检测的研究及应用
2.1管道对接焊缝检测
对于管道而言，尤其是整齐管道、主给水管道、再热冷段蒸汽管道以及再热热段蒸汽管道扥的焊缝，其承受着一定的压力以及温度，如果出现泄漏问题，情况不严重可能造成机组停机，如果情况严重还有可能造成人员伤亡的现象。因此，管道焊接中焊缝检测是至关重要的一个环节。对接焊缝坡口一般有V型、U型、双V型三种形式。采用传统的超声波探伤方法对管道对接焊缝进行检测时，探头要在焊缝两侧频繁移动，检测过程十分复杂。采用相控阵超声探头检测对接焊缝时，可通过扫描仪和编码器实现对接焊缝的全体积扫描。在检测过程中，关键检测参数由软件自行设定，不需要更换探头，不需要频繁地来回移动探头，也不需要复杂的夹紧装置。需要注意的是，只有保证探头楔块前端与焊趾之间的距离，才能保证探头发出的声束能覆盖整个被检截面，然后沿焊缝轴线纵向移动即可完成检测。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2接管座角焊缝检测
接管座角焊缝作为电站锅炉检验中的重点检验和监测部位，其质量优劣直接影响电站锅炉运行的安全可靠性。角焊缝在焊接过程中常出现未焊透、未融合和裂纹等面积型缺陷。由于超声波检测对此类缺陷十分敏感，检测灵敏度较高，常规超声波检测成为目前管座角焊缝常用的内部检测方法。但是，由于接管座角焊缝坡口形状和结构较为复杂，利用超声波进行检测时，易受到管座曲率、壁厚和马鞍状焊缝形式的影响，加之探测位置的局限，常规超声波检测面临着缺陷信号识别难度大、缺陷的定位困难及难以确保焊缝完整覆盖等问题。利用模拟仿真软件，将超声相控阵检测技术应用于对管座角焊缝的检测，并配备扫查器实现自动化检测。通过对比可知，利用超声相控阵检测技术能确保检测质量。
2.3汽轮机叶片叶根检测
我国电站大型汽轮机装机规模机组已成为主力机组，叶片工作参数标准越来越高，安全可靠性愈显重要。汽轮机中要求最高、工作量最大的部件是汽轮机转子，每一个叶片的叶根在高温、高压、高速转动中，承受着数十吨甚至数百吨的离心力、弯力和扭力，使得转子在高速旋转的过程中可能导致叶片叶根裂纹的产生，甚至导致叶根断裂，对汽轮机安全可靠性造成威胁。叶根、轮槽和键槽等的结构复杂，利用超声波检测汽轮机转子时，普通的单一探头难以进行检测。运用相控阵换能器对汽轮机转子叶根进行检测时，叶片可以不用拆卸，这不但可以提高检测效率，而且还可以避免拆卸过程中产生损伤。菌型叶根有单菌、双菌和三菌。根据受力分析，一般认为第一槽处有较大应力，容易产生裂纹。在检测时，受常规超声波检测特点的影响以及叶根结构所限，只能对第一齿根进行检测，即采用纵波和横波在检测面上对第一槽处进行检测，其余部位无法检测，而采用超声相控阵检测技术，可以在有限的范围内，使用较少的探头实现检测区域的全面扫查。采用超声相控阵对菌型叶根进行检测，超声相控阵检测技术能识别叶根试件上的人工缺陷，并能对叶根第一齿进行全覆盖检测，解决了大容量机组叶根超声波检测的难题，为、电网的安全稳定运行提供了保障。
2.4小径管检测
锅炉过热器、省煤器、水冷壁、再热器管称为锅炉“四管”。一般情况下，受热面管通常称为小径管，所用直径为32～89mm，管壁为4～12mm。近年来，超临界、超超临界机组不断增多，机组在运行过程中受到的温度、压力不断增加，对所用的小径管质量提出了越来越高的要求。锅炉“四管”因为长期处于高温、高压的环境中，极易产生高温蠕变、内壁水侧腐蚀、外壁向火侧腐蚀、外壁侵蚀及磨损和疲劳，严重者会导致爆管事件，影响机组的安全稳定运行，给带来巨大的经济损失。菌型叶根扇扫下特征反射波成像图常规超声检测耦合性差、声速扩散、反射率低，只能以固定角度反射声速，存在一定的盲区。同时，由于电站锅炉小口径管排比较密集，空间狭窄，不适合窄位置运行，检测效率和缺陷检测效果不能满足工作要求。采用相控阵超声检测传感器和楔块设计，利用超声相控阵检测技术检测锅炉小口径管道对接焊缝，可实现锅炉受热面管道焊缝裂纹的多角度、盲区扫描，且检测灵敏度高，可有效消除相关隐患。另外，在电力工业建设和检修中，对粗晶奥氏体钢也可以使用超声相控阵检测，应用超声相控阵技术可以检测到不同深度的缺陷。
结束语
超声相控阵检测技术对管道对接焊缝、接管座角焊缝、汽轮机叶片叶根和小径管缺陷的检出具有非常明显的作用。近年来，超声相控阵技术在工业无损检测中得到了越来越广泛的应用，且发展前景广阔。超声相控阵技术的发展，会促进难点问题的解决，为电力设备的安全稳定运行，起到保驾护航的作用。
参考文献
[1]陈超,张华知,汪雪梅,王志斌.相控阵技术对焊缝缺陷检测的研究及应用[J].科技创新导报,2019,16(04):96-97.
[2]罗万光,唐光勇,张亚平.基于超声相控阵技术的集箱管座角焊缝缺陷检测方法[J].锅炉技术,2018,49(02):43-50.
论文作者:路梦磊,傅晓春
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/13
标签：相控阵论文; 超声论文; 缺陷论文; 波束论文; 检测技术论文; 超声波论文; 管道论文; 《防护工程》2019年10期论文;