超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用研究

赵荣 吕正艳

摘  要：本文以超声波相控阵为研究视角，研究其技术理念，探索其在特种设备性能测试中的应用方法，以期减少对特种设备产生的检测危害，全面掌握设备情况，发挥超声波相控阵的检测价值。

关键词：超声波相控阵;探头;声束

引言

早期使用的检测技术表现出检测结果不准确、检测时间长等问题，应用性能逐渐处于末位淘汰状态。超声波相控阵被提出后，成功占据了检测技术的关键地位，成为检测技术的主流应用。

1.扫查法

1.1扇形扫查

扇形扫查检测技术，是使用探头设定检测深度，启用相同功能的芯片，以一个角度为切入点进行全面扫查。在此种检测过程中，选用一组阵元，针对被选阵元进行各种聚集检测，每次调整波束的检测角度，获得全新的扇形扫查范围。此种检测方法，适用于各类外观特征、检测条件欠佳的设备工件。此检测方法借助参数校准法，能够获取各类芯片扫查平面视图。

1.2线性扫查

线性扫查检测方法是调整全部阵元对应的波束传出角度，使其处于完全一致状态，借助相同聚焦理念，相控阵中启用的探头会激活一组阵元给予响应。操作流程是：假设超声波相控阵中，含有的阵元数量为n个，采取相邻阵元组队方式，组成阵元数量介于1与n之间;使用前期设定完成的聚焦方式，对一组阵元进行激活处理，在相控阵探头操作时，沿其方向进行阵元位置调整，调整长度为一个单位步长;使用相同的调整方法，进行第二组阵元的激活处理，直至探头处理完成。线性扫查技术具有高效率、排查精准等使用优势，在工业大规模设备中具有广泛应用价值。

1.3动态深层扫查

动态聚焦扫查法是利用声轴各深度条件完成点位聚焦，借助动态芯片控制方式，进行成像聚焦，在声轴表面各深度位置形成动态的聚焦过程。此种无损检测技术，在轻薄工件中具有较高的适用性。

2.参数设定

超声波相控法在实际检测应用时，需要考量多重因素，比如扫描类型、芯片配置点位与个数、探头角度、波束设计、聚焦区域等。此类因素对于检测结果具有一定影响作用。因此，参数设定理念如下：

其一，保证波束能够覆盖被检测主体的全部位置，比如外观区、内在热效应受干扰区、周边6毫米范围。其二，在仪器参数校准完成时，进行仪器认证。其三，符合检测的其他标准。参数设定方法：其一，扫描排查类型选定。对于特种设备进行的焊缝探查工作，检测时一般以扇形扫查方式为主。然而，在特定条件下，会发现部分区域存在质量问题，可采取线性扫描排查的辅助方式。如果坡口位置并未完成熔合处理，存在质量缺陷问题，需要设计一组线性扫查，在扫查时保证波束与坡口相互垂直，具有较高的检测效果。其二，波束类别选择。在焊缝情况探测工作中，通常采取横波波束扫查方式，借助一次反射方式，获取扫查结果。针对不锈钢焊缝情况，横波波束检测法，表现出性能衰减、信号干扰等检测问题。此时波束类型更换为纵向波角度输入方式，能够获得更全面、更精准的检测结果。其三，波束角度。波束倾斜角度的可选范围，在进行选定时需要综合考量楔块、焊缝等介质规格。倾斜角度的选择区域，以供应商给出的推荐参数区间为主要依据，尽可能选择区间取值跨度较大的波束，确保检测区域辐射的完整性。针对壁厚参数较高的焊缝，一组波束倾斜角度的最大取值区间，如果无法辐射整体被检测主体，需要增加波束个数。其四，探头偏转角度。探头在偏转角度时，一般表示被检测主体位置与探头前方的间隔距离。在焊缝含有余高问题时，需要保障探头偏转角度的充足性，防止探头前侧位于焊缝余高表面，确保耦合完成。通常情况下，在保障被检测区域无盲区的情况，调整探头角度位置，能够在探头中心区进行芯片激活操作。其五，芯片激活个数。如果芯片激活个数逐渐增加，芯片有效规格将会增大，辐射超声波产生的能量会有所增加，远程质量缺陷检测效果有所增强，能够聚焦的范围更为宽广，有效提升检测有效性。然而，数量较多的激活状态芯片，对于相控阵检测功能给出了较高标准。对普通材料进行实际检测，可激活芯片个数16个。如果材料管壁较厚、声波衰减能力较高，需要配置更多数量的芯片。其六，相比一般超声波表现出差异性，超声波相控法在实际检测操作时，能够对波束进行动态聚焦调整。在聚焦范围内声波表现出的优势有：能量大、较高的灵敏性、较强的影像获取能力。因此，加强聚焦范围设定，对于检测结果全面性与可用性具有重要影响。针对规格不大的焊缝，在聚焦区域选择时，可设定在焊缝中心区。在焊缝壁厚参数增大的情况下，能够合理划分焊缝区域，将其分割成若干个数量，对各类波束聚焦区域逐一开展检测工作。与此同时，如果在检测过程中，发现特定位置有质量问题，需要及时进行深层聚焦，掌握质量缺陷的具体情况。

3.储存罐检测应用

德国籍以SCHMITTE为代表的研究人员，针对超声波相控法進行了深入研发，借助此检测技术的高效性优势，在特种设备核废料储存罐中开展了检测研究。在检测期间，对于此类特种设备，联合使用了超声波相控仪器进行检测，仪器数量为7台。在检测时，对设备换能器进行有效控制，成功控制换能器个数达到13个。在检测期间，选择扇形扫查方式，遵循各类聚焦理念，利用扫描设备触发换能器，使特种设备表层给出轴向运动反馈。与此同时，改变设备转动方向，让储存罐进行圆周性地旋转，对其进行高效全面的质量扫描与检查。

4.汽轮机检测应用

汽轮机在工业生产活动中具有较高应用频率的特种设备。在实际生产运行时，汽轮机的运行条件，具有温度高、压力高、离心力作用强、弯矩作用明显等特点，极易引起汽轮机发生质量问题。与此同时，汽轮机自身外观形状表现出不规律性，在焊缝质量检测中具有一定难度。传统检测方法，难以排查不规律区域的检测干扰问题，引起检测结果不具参考价值的问题。因此，在质量检测时引入超声波相控法，以保障检测结果的零盲区与真实性。在实际检测期间，借助CAD模型导入方法，使用聚焦法则进行检测模拟，同时引入检测仪器，在汽轮机中添加检测探头，采取横波方式、扇形扫描类型，准确获取焊缝质量问题。对于汽轮机中规格较小的检测区，比如叶片区，使用专用探头进行检测。以汽轮机叶根探测为例，检测时以汽轮机叶片上区锁孔位置为主，查看其裂纹出现情况。探测流程如下：

其一，获取超声波束的传输路径，选出最优扫查方案，开展实测。其二，在汽轮机转子第四、第五级位置，叶根外侧形状不规律，存在人为形成的质量缺陷问题。其三，为保障检测的有效性，使用的探头规格为64单元，以此检测叶根全部范围，64个单元含有3个检测分区，便于查看各个方向的质量问题。3个分区中，每个分区含有24个单元，每个单元对应一组相控阵。检测完成时，能够获取120帧影像，反馈出120个聚焦的检测结果。

结语

综上所述，超声波相控阵在实践应用时，其检测技术是对被检测主体进行全面、全角度的探测，兼具检测的高效性，在聚焦区间调整、波束方向优化、缺陷问题探查等方面，表现出技术优势。

参考文献

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