汪寧寧

（中國(guó)電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

在檢測(cè)水工金屬性結(jié)構(gòu)的安全上，超聲相控陣技術(shù)是新發(fā)展方向，相比傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)，其主要優(yōu)勢(shì)就是能對(duì)聲束指向?qū)嵤└咝Ф`活的控制，借助相位控制能快速移動(dòng)或者是偏轉(zhuǎn)聲束來(lái)掃查，不需要使用復(fù)雜化機(jī)械掃查的裝置，能精確檢測(cè)出復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)生的損傷。在水利水電的行業(yè)中，由于水工金屬性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，常規(guī)化的超聲波檢測(cè)達(dá)不到安全檢測(cè)要求，而超聲相控陣技術(shù)能達(dá)到無(wú)損檢測(cè)效果，具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值[1]。

1 超聲相控陣技術(shù)原理與特征

超聲相控陣技術(shù)簡(jiǎn)稱為PAUT，其基本原理是：對(duì)換能器陣列內(nèi)各個(gè)陣元激勵(lì)脈沖或接收脈沖的時(shí)序、規(guī)則進(jìn)行控制，調(diào)整從各個(gè)陣元接收（發(fā)射）聲波來(lái)自（到達(dá)）物體中某點(diǎn)時(shí)候的相位關(guān)系，陣列內(nèi)各個(gè)陣元所發(fā)射超聲波就能積累為新波陣面，其達(dá)到的效果和換能器轉(zhuǎn)變空間排列的形式后產(chǎn)生的效果相似，以此調(diào)整換能器陣列輻射的聚焦特征和波束指向。

之后，合成各個(gè)陣元中接受到的信號(hào)，以合適形式展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)聲成像。概括而言，相控陣通過(guò)對(duì)壓電元件接收與發(fā)射脈沖信號(hào)發(fā)生的時(shí)間延遲進(jìn)行控制，從而有效控制波束發(fā)射方向，實(shí)現(xiàn)全方位掃描結(jié)構(gòu)的目的。

超聲相控陣技術(shù)中陣元延遲的時(shí)間能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)化改變，超聲相控陣在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，主要借助聲束角度能夠動(dòng)態(tài)化聚焦、可控這兩個(gè)主要特點(diǎn)。借助軟件對(duì)聲束的方向、焦點(diǎn)尺寸、焦柱長(zhǎng)度進(jìn)行控制，能有效提升檢測(cè)的可靠性、檢出缺陷的概率以及信噪比和分辨率。借助計(jì)算機(jī)對(duì)超聲相控陣中的聲束進(jìn)行控制，其掃描模式基本上有三種：深度聚焦（簡(jiǎn)稱DF）、扇形掃描（簡(jiǎn)稱S-Scan）、電子掃描（簡(jiǎn)稱E-Scan）。

聲束掃描三種模式在任何截面位置都不用超聲換能器讓聲束在步進(jìn)軸的方向上做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，僅僅用軟件對(duì)各個(gè)陣元激發(fā)的順序與延時(shí)進(jìn)行控制即可，從而實(shí)現(xiàn)聲束快速偏轉(zhuǎn)或者移動(dòng)，有效掃描當(dāng)前的截面。

要想提升聲束偏轉(zhuǎn)的能力，一般要利用物理斜鍥塊做輔助。常規(guī)化超聲檢測(cè)一般采用光柵式掃查，超聲相控陣技術(shù)在檢測(cè)腐蝕和焊縫上一般采取單軸直線式掃查，借助位置編碼器在掃查軸上對(duì)搜索數(shù)據(jù)位置進(jìn)行標(biāo)定，自動(dòng)記錄下檢測(cè)數(shù)據(jù)。超聲相控陣的檢測(cè)速度比常規(guī)化超聲檢測(cè)的掃查要快上差不多一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 水工金屬性結(jié)構(gòu)中超聲相控陣技術(shù)在檢測(cè)焊縫中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用到檢測(cè)中厚板的對(duì)接焊縫中

某水電站制作壓力鋼管使用的材料是WDB620鋼材，采用的焊接方法是手工電弧焊、氣體保護(hù)焊。鋼材下平段管節(jié)板的厚度是42mm，鋼材的管徑是4.7m，鑒于鋼材的管徑比較大，其環(huán)焊縫、縱焊縫和平板對(duì)接式焊縫幾乎差不多。通過(guò)扇形掃查，超聲相控陣的橫波發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度范圍是40o到70o，角度分辨率是0.5o，聚焦的深度能夠達(dá)到50mm，步進(jìn)偏移是50mm。在掃查一條環(huán)焊縫時(shí)發(fā)現(xiàn)有缺陷，通過(guò)掃描能發(fā)現(xiàn)缺陷位置最高波的聲束角度（聚焦法則）、波幅、缺陷深度、焊縫截面中缺陷和焊縫中心偏離的距離、鍥塊前端和缺陷之間的距離以及缺陷高度和具體定位等等信息。借助超聲相控陣技術(shù)，能將中厚板對(duì)接焊縫中存在的缺陷及時(shí)無(wú)損地檢測(cè)出來(lái)，應(yīng)用效果比較好。

2.2 應(yīng)用到水工金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)受限位置和復(fù)雜結(jié)構(gòu)中

某水電站所用岔管是內(nèi)加強(qiáng)的月牙肋型，其布置方式是非對(duì)稱的Y型，借助兩個(gè)岔管分三個(gè)支管供給水輪機(jī)所需要的水。岔管所用鋼材也是WDB620鋼材，采取的焊接方法是氣體保護(hù)焊，其月牙肋板厚度是128mm，和月牙肋板焊接到一起的瓦片厚度是52mm。在月牙肋板的外緣位置和主支管、支管外緣的相貫線在橢圓曲線中，而相貫線各處曲率并不相同，肋板和瓦片間角度逐漸變化，所以從頂部位置至腰線位置至底部位置，焊縫坡口的角度都是逐漸變化的，只在頂部位置、底部位置和附近狹小焊縫的長(zhǎng)度空間中，焊縫類似T型，在腰線位置月牙肋版和瓦片角度最小。受限于結(jié)構(gòu)，不能將探頭放置到肋板端頭中實(shí)施0o聲束的垂直入射，只好在瓦片位置安裝探頭實(shí)施橫波扇形形式的掃查。把每側(cè)的組合焊縫都分成兩個(gè)對(duì)稱的部分，焊縫結(jié)構(gòu)在對(duì)稱位置相同，就可以采取相同工藝進(jìn)行掃查。在兩個(gè)對(duì)稱部分焊縫的長(zhǎng)度區(qū)間中，不同位置所采取的檢測(cè)工藝也不一樣。為了保證聲束能全面覆蓋焊縫體積，并盡可能提升檢測(cè)的效率，能把兩個(gè)對(duì)稱部分焊縫分為多個(gè)小段，各個(gè)小段中的焊縫結(jié)構(gòu)就可以近似認(rèn)為是相同的，從而采取一樣的檢測(cè)工藝，實(shí)施單軸直線式的編碼掃查。

3 超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)水工金屬式結(jié)構(gòu)焊縫的優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)，超聲相控陣技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)：其一，具有較高的檢測(cè)效率。超聲相控陣技術(shù)采取的是單軸直線式的扇形掃描，比光柵掃查的效率更高。其二，使用更加靈活化。

超聲相控陣的探頭能對(duì)波束深度、偏轉(zhuǎn)角度、聚焦深度等進(jìn)行隨意控制，缺陷取向不同也能使用相同探頭，能依據(jù)需求設(shè)置掃查方式，同時(shí)能靈活變換不同檢測(cè)模式，不用調(diào)整或變換機(jī)械。其三，少許移動(dòng)或不移動(dòng)探頭能對(duì)高能構(gòu)建各區(qū)域進(jìn)行掃查，能在一定程度上解決空間受限、可接近性比較差等問題。

4 結(jié)語(yǔ)

在檢測(cè)水工金屬結(jié)構(gòu)的安全性方面，超聲相控陣技術(shù)是發(fā)展新方向，能有效控制聚焦深度和波束方向，多方位掃描結(jié)構(gòu)，且其檢測(cè)效率高，不會(huì)損壞到結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，其應(yīng)用前景比較廣泛。

[1]伍衛(wèi)平, 范欽紅, 韓志剛,等. 基于超聲相控陣技術(shù)的水工金屬結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)[J].大壩與安全, 2016（3）.