王天曜 劉文強(qiáng) 尚其鐸(山東省安泰化工壓力容器檢驗(yàn)中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

超聲檢測(cè)是檢測(cè)技術(shù)的重要分支，經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，它已經(jīng)在國(guó)防建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)超聲檢測(cè)的研究不斷深化，超聲相控陣技術(shù)得以面世并日益受到大家的重視。

1 超聲相控陣檢測(cè)的發(fā)展歷史

到了二十世紀(jì)60年代科學(xué)家提出實(shí)時(shí)扇掃的理念并率先用在了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。這是因?yàn)樵卺t(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲傳播的介質(zhì)一般都是人體組織，耦合良好，而且在這樣的介質(zhì)中傳播，超聲波入射角和聲速非常接近，界面處的折射少有發(fā)生。在這種情況下超聲信號(hào)的分析就相對(duì)容易。

二十世紀(jì)80年代，相控陣開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，這時(shí)整套設(shè)備系統(tǒng)還非常大，至少需要兩人操作。主要是應(yīng)用在電站設(shè)備尤其是核電設(shè)備的檢測(cè)上。二十世紀(jì)90年代以來(lái)，電子技術(shù)和軟件技術(shù)快速發(fā)展，使得高效率、低能耗的架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，相控陣技術(shù)愈加成熟，設(shè)備運(yùn)算速度和便攜性能大大提升。

又具備了高速便攜的優(yōu)點(diǎn)，從而使其在更多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。

2 超聲相控陣檢測(cè)的技術(shù)原理及特點(diǎn)

2.1 超聲相控陣檢測(cè)的技術(shù)原理

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)是通過(guò)單晶片探頭發(fā)射聲束，在特殊條件下使用時(shí)為了減小盲區(qū)和提高檢測(cè)分辨率，也會(huì)采用雙晶探頭或是單晶聚焦探頭。但是無(wú)論哪種情況，超聲場(chǎng)在介質(zhì)中的傳播均是軸向單一方向。這樣就限制了超聲對(duì)不同方向缺陷的檢出能力。

相控陣超聲雖然仍屬于脈沖反射法的范疇，但在聲場(chǎng)特性、信號(hào)處理、生成圖像、設(shè)備功能等方面，卻與常規(guī)超聲有很大不同。最典型特征為，超聲相控陣使用的探頭是將若干個(gè)獨(dú)立的壓電晶片按照一定規(guī)律分布排列，組合成晶片陣列組合。激發(fā)時(shí)，對(duì)激發(fā)各陣元的脈沖施加預(yù)先設(shè)定的延遲時(shí)間，根據(jù)惠更斯原理，每個(gè)晶片發(fā)射超聲波形成的波前，經(jīng)過(guò)相互干涉，形成了新的波陣面。這樣就能有效地控制聲束的方向與形狀，實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)(圖1)和聚焦(圖2)。基于計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)步，相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備是一套性能先進(jìn)的數(shù)字化儀器組合，包括設(shè)備主機(jī)、顯示設(shè)備、相控陣超聲探頭等，能夠記錄檢測(cè)過(guò)程的全部信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，生成并顯示運(yùn)行得出的不同方向投影的圖像。

圖1 偏轉(zhuǎn)聲束的形成

圖2 聚焦聲束的形成

2.2 超聲相控陣檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)

(1)由于能對(duì)聲束進(jìn)行有效的控制，使聲束到達(dá)常規(guī)超聲檢測(cè)無(wú)法到達(dá)的“死角”，從而使復(fù)雜幾何形狀工件的檢測(cè)成為可能；

(2)可以在不移動(dòng)探頭的情況下做高速電子掃查，對(duì)工件進(jìn)行高速、全方位和多角度的檢測(cè)；

(3)可以引入建模技術(shù)，通過(guò)對(duì)缺陷位置、形狀和尺寸的分析，能夠更容易和準(zhǔn)確地判斷缺陷性質(zhì)和形成原因；

(4)超聲相控陣檢測(cè)使用的探頭能適應(yīng)更多情景，一個(gè)探頭就能涵蓋多種應(yīng)用，不用頻繁的更換探頭，省時(shí)省力；

(5)與TOFD檢測(cè)一樣，超聲相控陣檢測(cè)的結(jié)果也能夠成像記錄，可永久保存并能精準(zhǔn)追溯。

2.3 超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)存在的局限性

(1)仍然屬于一種超聲檢測(cè)技術(shù)，因此它同常規(guī)A超一樣也受工件表面粗糙度、耦合質(zhì)量、被件材料冶金狀態(tài)、溫度等工藝因素的影響；

(2)就目前的超聲波相控陣探傷儀來(lái)說(shuō)，儀器調(diào)節(jié)較A超復(fù)雜，調(diào)節(jié)正確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，并且受到軟硬件的技術(shù)限制；

(3)就目前市場(chǎng)情況，超聲波相控陣探傷儀和探頭價(jià)格比較昂貴，據(jù)了解目前我國(guó)只有個(gè)別廠家能生產(chǎn)出超聲波相控陣探傷儀，許多廠家正在研發(fā)中。

3 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在化工設(shè)備檢測(cè)領(lǐng)域的幾種典型應(yīng)用

3.1 化工動(dòng)設(shè)備

3.1.1 軸類(lèi)工件的檢測(cè)

如圖3所示，在役軸類(lèi)工件的變截面處一般容易產(chǎn)生疲勞裂紋，此種缺陷的產(chǎn)生會(huì)大大降低軸的使用壽命，用一般超聲方法對(duì)變截面部位進(jìn)行檢測(cè)往往會(huì)受到檢測(cè)幾何空間的限制；而相控陣探頭則可以放在軸的某個(gè)位置處，利用扇形掃查，將波束聚焦在每一個(gè)相應(yīng)位置，使各變截面處的疲勞裂紋同時(shí)得到檢測(cè)。

圖3 變截面軸類(lèi)工件相控陣檢測(cè)示意圖

3.1.2 轉(zhuǎn)子葉片根部檢測(cè)

轉(zhuǎn)子葉片根部長(zhǎng)時(shí)間受到交變應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，超聲相控陣可以使聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦，能輕松應(yīng)對(duì)其不規(guī)則的外形特征。

圖4 葉片根部缺陷相控陣檢測(cè)示意圖

3.2 化工靜設(shè)備

3.2.1 壓力管道環(huán)向?qū)雍缚p檢測(cè)

比起常規(guī)超聲，用相控陣檢測(cè)壓力管道環(huán)向?qū)雍缚p時(shí)，在探頭角度選取和檢測(cè)自動(dòng)化方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性。大部分壓力管道一般壁厚不會(huì)太厚，曲率相對(duì)較大，這就對(duì)探頭角度(K值)提出了較高的要求，使用常規(guī)超聲檢測(cè)效果不是太好。

3.2.2 螺栓

螺紋根部裂紋是螺栓最常出現(xiàn)的缺陷，常規(guī)超聲檢測(cè)很難把螺紋反射波和螺紋根部裂紋產(chǎn)生的回波區(qū)分開(kāi)來(lái)。采用超聲相控陣技術(shù)則可以應(yīng)對(duì)這種情況。從圖5和表1可以看出，能較容易的分辨出缺陷回波。

圖5 螺栓螺紋根部裂紋超聲相控陣檢測(cè)