趙榮 呂正艷

摘 ?要：本文以超聲波相控陣為研究視角，研究其技術(shù)理念，探索其在特種設(shè)備性能測(cè)試中的應(yīng)用方法，以期減少對(duì)特種設(shè)備產(chǎn)生的檢測(cè)危害，全面掌握設(shè)備情況，發(fā)揮超聲波相控陣的檢測(cè)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超聲波相控陣;探頭;聲束

引言

早期使用的檢測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，應(yīng)用性能逐漸處于末位淘汰狀態(tài)。超聲波相控陣被提出后，成功占據(jù)了檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵地位，成為檢測(cè)技術(shù)的主流應(yīng)用。

1.掃查法

1.1扇形掃查

扇形掃查檢測(cè)技術(shù)，是使用探頭設(shè)定檢測(cè)深度，啟用相同功能的芯片，以一個(gè)角度為切入點(diǎn)進(jìn)行全面掃查。在此種檢測(cè)過(guò)程中，選用一組陣元，針對(duì)被選陣元進(jìn)行各種聚集檢測(cè)，每次調(diào)整波束的檢測(cè)角度，獲得全新的扇形掃查范圍。此種檢測(cè)方法，適用于各類外觀特征、檢測(cè)條件欠佳的設(shè)備工件。此檢測(cè)方法借助參數(shù)校準(zhǔn)法，能夠獲取各類芯片掃查平面視圖。

1.2線性掃查

線性掃查檢測(cè)方法是調(diào)整全部陣元對(duì)應(yīng)的波束傳出角度，使其處于完全一致?tīng)顟B(tài)，借助相同聚焦理念，相控陣中啟用的探頭會(huì)激活一組陣元給予響應(yīng)。操作流程是：假設(shè)超聲波相控陣中，含有的陣元數(shù)量為n個(gè)，采取相鄰陣元組隊(duì)方式，組成陣元數(shù)量介于1與n之間;使用前期設(shè)定完成的聚焦方式，對(duì)一組陣元進(jìn)行激活處理，在相控陣探頭操作時(shí)，沿其方向進(jìn)行陣元位置調(diào)整，調(diào)整長(zhǎng)度為一個(gè)單位步長(zhǎng);使用相同的調(diào)整方法，進(jìn)行第二組陣元的激活處理，直至探頭處理完成。線性掃查技術(shù)具有高效率、排查精準(zhǔn)等使用優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)大規(guī)模設(shè)備中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

1.3動(dòng)態(tài)深層掃查

動(dòng)態(tài)聚焦掃查法是利用聲軸各深度條件完成點(diǎn)位聚焦，借助動(dòng)態(tài)芯片控制方式，進(jìn)行成像聚焦，在聲軸表面各深度位置形成動(dòng)態(tài)的聚焦過(guò)程。此種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在輕薄工件中具有較高的適用性。

2.參數(shù)設(shè)定

超聲波相控法在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用時(shí)，需要考量多重因素，比如掃描類型、芯片配置點(diǎn)位與個(gè)數(shù)、探頭角度、波束設(shè)計(jì)、聚焦區(qū)域等。此類因素對(duì)于檢測(cè)結(jié)果具有一定影響作用。因此，參數(shù)設(shè)定理念如下：

其一，保證波束能夠覆蓋被檢測(cè)主體的全部位置，比如外觀區(qū)、內(nèi)在熱效應(yīng)受干擾區(qū)、周邊6毫米范圍。其二，在儀器參數(shù)校準(zhǔn)完成時(shí)，進(jìn)行儀器認(rèn)證。其三，符合檢測(cè)的其他標(biāo)準(zhǔn)。參數(shù)設(shè)定方法：其一，掃描排查類型選定。對(duì)于特種設(shè)備進(jìn)行的焊縫探查工作，檢測(cè)時(shí)一般以扇形掃查方式為主。然而，在特定條件下，會(huì)發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在質(zhì)量問(wèn)題，可采取線性掃描排查的輔助方式。如果坡口位置并未完成熔合處理，存在質(zhì)量缺陷問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一組線性掃查，在掃查時(shí)保證波束與坡口相互垂直，具有較高的檢測(cè)效果。其二，波束類別選擇。在焊縫情況探測(cè)工作中，通常采取橫波波束掃查方式，借助一次反射方式，獲取掃查結(jié)果。針對(duì)不銹鋼焊縫情況，橫波波束檢測(cè)法，表現(xiàn)出性能衰減、信號(hào)干擾等檢測(cè)問(wèn)題。此時(shí)波束類型更換為縱向波角度輸入方式，能夠獲得更全面、更精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果。其三，波束角度。波束傾斜角度的可選范圍，在進(jìn)行選定時(shí)需要綜合考量楔塊、焊縫等介質(zhì)規(guī)格。傾斜角度的選擇區(qū)域，以供應(yīng)商給出的推薦參數(shù)區(qū)間為主要依據(jù)，盡可能選擇區(qū)間取值跨度較大的波束，確保檢測(cè)區(qū)域輻射的完整性。針對(duì)壁厚參數(shù)較高的焊縫，一組波束傾斜角度的最大取值區(qū)間，如果無(wú)法輻射整體被檢測(cè)主體，需要增加波束個(gè)數(shù)。其四，探頭偏轉(zhuǎn)角度。探頭在偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，一般表示被檢測(cè)主體位置與探頭前方的間隔距離。在焊縫含有余高問(wèn)題時(shí)，需要保障探頭偏轉(zhuǎn)角度的充足性，防止探頭前側(cè)位于焊縫余高表面，確保耦合完成。通常情況下，在保障被檢測(cè)區(qū)域無(wú)盲區(qū)的情況，調(diào)整探頭角度位置，能夠在探頭中心區(qū)進(jìn)行芯片激活操作。其五，芯片激活個(gè)數(shù)。如果芯片激活個(gè)數(shù)逐漸增加，芯片有效規(guī)格將會(huì)增大，輻射超聲波產(chǎn)生的能量會(huì)有所增加，遠(yuǎn)程質(zhì)量缺陷檢測(cè)效果有所增強(qiáng)，能夠聚焦的范圍更為寬廣，有效提升檢測(cè)有效性。然而，數(shù)量較多的激活狀態(tài)芯片，對(duì)于相控陣檢測(cè)功能給出了較高標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)普通材料進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，可激活芯片個(gè)數(shù)16個(gè)。如果材料管壁較厚、聲波衰減能力較高，需要配置更多數(shù)量的芯片。其六，相比一般超聲波表現(xiàn)出差異性，超聲波相控法在實(shí)際檢測(cè)操作時(shí)，能夠?qū)ΣㄊM(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦調(diào)整。在聚焦范圍內(nèi)聲波表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)有：能量大、較高的靈敏性、較強(qiáng)的影像獲取能力。因此，加強(qiáng)聚焦范圍設(shè)定，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果全面性與可用性具有重要影響。針對(duì)規(guī)格不大的焊縫，在聚焦區(qū)域選擇時(shí)，可設(shè)定在焊縫中心區(qū)。在焊縫壁厚參數(shù)增大的情況下，能夠合理劃分焊縫區(qū)域，將其分割成若干個(gè)數(shù)量，對(duì)各類波束聚焦區(qū)域逐一開(kāi)展檢測(cè)工作。與此同時(shí)，如果在檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)特定位置有質(zhì)量問(wèn)題，需要及時(shí)進(jìn)行深層聚焦，掌握質(zhì)量缺陷的具體情況。

3.儲(chǔ)存罐檢測(cè)應(yīng)用

德國(guó)籍以SCHMITTE為代表的研究人員，針對(duì)超聲波相控法進(jìn)行了深入研發(fā)，借助此檢測(cè)技術(shù)的高效性優(yōu)勢(shì)，在特種設(shè)備核廢料儲(chǔ)存罐中開(kāi)展了檢測(cè)研究。在檢測(cè)期間，對(duì)于此類特種設(shè)備，聯(lián)合使用了超聲波相控儀器進(jìn)行檢測(cè)，儀器數(shù)量為7臺(tái)。在檢測(cè)時(shí)，對(duì)設(shè)備換能器進(jìn)行有效控制，成功控制換能器個(gè)數(shù)達(dá)到13個(gè)。在檢測(cè)期間，選擇扇形掃查方式，遵循各類聚焦理念，利用掃描設(shè)備觸發(fā)換能器，使特種設(shè)備表層給出軸向運(yùn)動(dòng)反饋。與此同時(shí)，改變?cè)O(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)方向，讓儲(chǔ)存罐進(jìn)行圓周性地旋轉(zhuǎn)，對(duì)其進(jìn)行高效全面的質(zhì)量掃描與檢查。

4.汽輪機(jī)檢測(cè)應(yīng)用

汽輪機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中具有較高應(yīng)用頻率的特種設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)的運(yùn)行條件，具有溫度高、壓力高、離心力作用強(qiáng)、彎矩作用明顯等特點(diǎn)，極易引起汽輪機(jī)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題。與此同時(shí)，汽輪機(jī)自身外觀形狀表現(xiàn)出不規(guī)律性，在焊縫質(zhì)量檢測(cè)中具有一定難度。傳統(tǒng)檢測(cè)方法，難以排查不規(guī)律區(qū)域的檢測(cè)干擾問(wèn)題，引起檢測(cè)結(jié)果不具參考價(jià)值的問(wèn)題。因此，在質(zhì)量檢測(cè)時(shí)引入超聲波相控法，以保障檢測(cè)結(jié)果的零盲區(qū)與真實(shí)性。在實(shí)際檢測(cè)期間，借助CAD模型導(dǎo)入方法，使用聚焦法則進(jìn)行檢測(cè)模擬，同時(shí)引入檢測(cè)儀器，在汽輪機(jī)中添加檢測(cè)探頭，采取橫波方式、扇形掃描類型，準(zhǔn)確獲取焊縫質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于汽輪機(jī)中規(guī)格較小的檢測(cè)區(qū)，比如葉片區(qū)，使用專用探頭進(jìn)行檢測(cè)。以汽輪機(jī)葉根探測(cè)為例，檢測(cè)時(shí)以汽輪機(jī)葉片上區(qū)鎖孔位置為主，查看其裂紋出現(xiàn)情況。探測(cè)流程如下：

其一，獲取超聲波束的傳輸路徑，選出最優(yōu)掃查方案，開(kāi)展實(shí)測(cè)。其二，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第四、第五級(jí)位置，葉根外側(cè)形狀不規(guī)律，存在人為形成的質(zhì)量缺陷問(wèn)題。其三，為保障檢測(cè)的有效性，使用的探頭規(guī)格為64單元，以此檢測(cè)葉根全部范圍，64個(gè)單元含有3個(gè)檢測(cè)分區(qū)，便于查看各個(gè)方向的質(zhì)量問(wèn)題。3個(gè)分區(qū)中，每個(gè)分區(qū)含有24個(gè)單元，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一組相控陣。檢測(cè)完成時(shí)，能夠獲取120幀影像，反饋出120個(gè)聚焦的檢測(cè)結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲波相控陣在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，其檢測(cè)技術(shù)是對(duì)被檢測(cè)主體進(jìn)行全面、全角度的探測(cè)，兼具檢測(cè)的高效性，在聚焦區(qū)間調(diào)整、波束方向優(yōu)化、缺陷問(wèn)題探查等方面，表現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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