宋沁 姚軼謙 房體航

摘要：本文首先介紹了傳統(tǒng)超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的基本原理，其次列舉了核電領(lǐng)域的無損檢測(cè)需求，進(jìn)一步分析了三種超聲無損檢測(cè)新技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀。具體涉及的超聲無損檢測(cè)新技術(shù)包括相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)、電磁超聲檢測(cè)技術(shù)和激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)。在分別闡述三種新技術(shù)在核電領(lǐng)域的適應(yīng)性及發(fā)展性后，展望了隨著三種新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超聲無損檢測(cè)新技術(shù)被核電設(shè)備制造及在役核電站廣泛應(yīng)用的未來圖景。

關(guān)鍵詞：超聲新技術(shù);無損檢測(cè);核電領(lǐng)域;未來圖景

中圖分類號(hào)：TG115.285文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

核電設(shè)備的材料和結(jié)構(gòu)安全性以及核電站固有的輻射環(huán)境，對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)及結(jié)果的可靠性提出了更高的要求。超聲波檢測(cè)作為采用超聲波技術(shù)對(duì)材料、焊縫及部組件的缺陷進(jìn)行探測(cè)、定位、測(cè)量、評(píng)定和評(píng)價(jià)的檢測(cè)方式，具有穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于核電領(lǐng)域。

1傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1原理

超聲波檢測(cè)（UT），又稱超聲檢測(cè)或超聲波探傷，是一種無損檢測(cè)（NDT）技術(shù)。超聲波檢測(cè)是利用材料聲學(xué)特性的差異，基于超聲波的傳播特性和穿透時(shí)間的能量變化來檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)方法，可在不破壞原材料或部組件的前提下，直接對(duì)材料、焊縫及部組件的表面和內(nèi)部質(zhì)量的進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)定。

傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)主要包括脈沖回波技術(shù)和時(shí)差衍射（TOFD）技術(shù)。脈沖回波技術(shù)主要采用頻率范圍1～5Mhz的脈沖回波型超聲儀器，根據(jù)被檢材料或焊縫，按需利用直射波檢驗(yàn)、斜射波檢驗(yàn)、接觸法和/或液浸法進(jìn)行缺陷檢測(cè)。時(shí)差衍射技術(shù)則利用缺陷端部的衍射波傳播時(shí)間來進(jìn)行缺陷定位及判斷缺陷當(dāng)量大小。

1.2特點(diǎn)

超聲波檢測(cè)技術(shù)穿透能力強(qiáng)，在固體中的傳輸損耗很小，探測(cè)深度很大。靈敏度高，對(duì)反射體的位向、大小、形狀等方面檢測(cè)較為準(zhǔn)確。

但由于超聲波在非均勻界面上的反射和折射，且無法通過氣固界面，無法應(yīng)用于易凝露的運(yùn)行環(huán)境，受限于耦合劑。存在檢測(cè)盲區(qū)，材料、焊縫或部組件近表面缺陷及軸偏離底面情況下須輔助其他檢查手段，亦不適合粗糙、形狀復(fù)雜、小、薄或非均質(zhì)材料及部組件的檢測(cè)。

2核電領(lǐng)域無損檢測(cè)技術(shù)需求

隨著工業(yè)領(lǐng)域無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力更強(qiáng)、檢測(cè)精準(zhǔn)度更高、檢測(cè)速度更快，設(shè)備更智能化、便攜化、可靠化發(fā)展，核電領(lǐng)域無損檢測(cè)方法也在逐步發(fā)展。

核電承溫承壓、受照、冷鏈設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及工藝條件特殊，其選材已充分考慮機(jī)械、物理、化學(xué)性能，避免隨全壽期各工況變化、化學(xué)腐蝕以及各種粒子、射線輻照引起的材料失效。

與常規(guī)工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械部件不同的是，核電領(lǐng)域須首要考慮核安全要求及輻射防護(hù)要求：核安全要求促使核電設(shè)備在制造期間采用無損檢測(cè)驗(yàn)證材料、焊縫及部組件可靠性，對(duì)于在役電站，更須定期進(jìn)行在役檢查及評(píng)估，以確保核電運(yùn)行安全性與可靠性;輻射防護(hù)要求則驅(qū)使核電站采用更自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化、非接觸式的檢測(cè)方式，減少檢測(cè)人員及設(shè)備受照劑量甚或避免表面放射性沾污。

核電領(lǐng)域無損檢測(cè)技術(shù)亟需隨整個(gè)社會(huì)的檢測(cè)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)及精密加工技術(shù)等發(fā)展而逐步得以提高和改進(jìn)，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的不足并克服其檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)。

3超聲波無損檢測(cè)新技術(shù)

3.1相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

（1）原理。相控陣檢測(cè)（PAUT）是超聲檢測(cè)的一種，其探頭由多個(gè)超聲探測(cè)晶片按給定規(guī)律分布排列而成，每一個(gè)晶片可分別設(shè)置聲束軸線和聲束焦點(diǎn)等參數(shù)，在基于預(yù)設(shè)的時(shí)間被逐一激發(fā)后，可形成聚焦超聲波陣列，既能控制波陣面的形狀和方向，且能實(shí)現(xiàn)波束聚焦、動(dòng)態(tài)深度聚焦、偏轉(zhuǎn)、線性掃查和扇形掃描。

（2）特點(diǎn)。相位陣列遵循聚焦規(guī)則來激活不同的超聲波速度，每個(gè)超聲波速度具有形狀并且可以聚焦在不同的深度，從而允許對(duì)被測(cè)物體的缺陷進(jìn)行更有針對(duì)性的檢測(cè)，并且具有更大的缺陷檢測(cè)能力。同時(shí)以執(zhí)行多角度掃描。在被測(cè)物體的掃描檢查期間，相控陣探頭可以交替地激勵(lì)芯片，在這種情況下，掃描可以快速且高精度地完成。相控陣超聲傳感技術(shù)的固有數(shù)據(jù)非常豐富，從而為二次分析提供了有用的條件，并使得通過成像測(cè)量的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化。

相較于常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度更快、可變角度掃査，圖像直觀，有利于缺陷判別的優(yōu)勢(shì)。

（3）適應(yīng)性。相控陣超聲技術(shù)初期應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，如醫(yī)用超聲。由于相控陣系統(tǒng)的復(fù)雜性、波在固體中傳播的復(fù)雜性、高成本和相對(duì)較小的市場(chǎng)規(guī)模，在工業(yè)無損檢測(cè)中的應(yīng)用有限。過去幾十年來，隨著復(fù)合壓電芯片材料、脈沖信號(hào)控制和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，相控陣技術(shù)越來越受到各界的關(guān)注，部分核電站和核電檢測(cè)公司開始采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)：大亞灣和嶺澳核電站將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)島汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片葉根的無損檢測(cè);中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到核一級(jí)設(shè)備容器接管內(nèi)圓角區(qū)的無損檢測(cè)。

（4）發(fā)展性。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)檢測(cè)性可以提高檢測(cè)速度，減少操作人員在放射性環(huán)境中工作時(shí)的照射時(shí)間。能夠適應(yīng)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)或焊縫的超聲波檢測(cè)，檢測(cè)的可達(dá)性和適用性好;檢測(cè)效率高、檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)直覺和實(shí)時(shí)性高;缺陷的定性和定量分析更加準(zhǔn)確可靠。作為先進(jìn)的超聲波檢測(cè)技術(shù)的代表，相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)將愈具優(yōu)勢(shì)，也將具有更大的發(fā)展前景，在核電領(lǐng)域無損檢測(cè)中得以廣泛應(yīng)用。

3.2電磁超聲檢測(cè)技術(shù)

（1）原理。電磁超聲檢測(cè)，是無損檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)通過電磁感應(yīng)原理激發(fā)和接收超聲波，它的能量轉(zhuǎn)換直接在被測(cè)材料、焊縫或部組件表面的表層進(jìn)行。當(dāng)靠近被測(cè)表面的線圈被通以高頻電流時(shí)，線圈附近區(qū)域?qū)⒁螂姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生同頻渦流場(chǎng)，同時(shí)施以外界強(qiáng)磁場(chǎng)，使被測(cè)表面產(chǎn)生周期性振動(dòng)，至此激發(fā)出電磁超聲波。而此時(shí)外界強(qiáng)磁場(chǎng)作用下的被測(cè)表面將感生出表面波，并在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電壓變化情況將反應(yīng)被測(cè)材料、焊縫或部組件的缺陷情況。

（2）特點(diǎn)。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，對(duì)表面粗糙度的要求比較低，并且大大減少了適應(yīng)工作量;不需要與受控對(duì)象直接接觸，可用于高溫在線檢測(cè);不需要使用耦合劑;檢測(cè)的效率高，具體表現(xiàn)在檢測(cè)速度快、需求通道數(shù)量少。同時(shí)，電磁超聲換能器可在一定激發(fā)條件下，實(shí)現(xiàn)自行選擇波形模式，聚焦在被測(cè)物體（導(dǎo)體）中，用于缺陷的量化和定位。

（3）適應(yīng)性。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)只能對(duì)導(dǎo)電性或鐵磁性材料進(jìn)行檢測(cè)，其明顯的優(yōu)勢(shì)，在核電領(lǐng)域設(shè)備的金屬部件檢測(cè)方面具有良好的適應(yīng)性。

（4）發(fā)展性。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)尚未作為核電設(shè)備的無損檢測(cè)技術(shù)之一被引入，其中主要原因是電磁超聲換能器的換能效率比壓電換能器低，且靈敏度太高，容易受環(huán)境影響，傳輸效率低，接收信號(hào)弱。這也促進(jìn)了電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，目前主要包括電磁激勵(lì)裝置的優(yōu)化和生態(tài)信號(hào)的處理，電磁超聲波傳導(dǎo)技術(shù)和激光電磁超聲技術(shù)是基于這種開發(fā)和生產(chǎn)的新技術(shù)。

隨著超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，電磁超聲檢測(cè)技術(shù)具有無需耦合劑、非接觸式檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，且在表面不平滑或高溫材料的檢測(cè)中有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以減少對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行表面處理的工序，從而提高檢測(cè)效率;隨著對(duì)電磁超聲技術(shù)的研究，及精密電子發(fā)射器、接收器、換能器的研發(fā)，電磁超聲技術(shù)也許在不久的將來，也將成為傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的有力補(bǔ)充。隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其終將在核電站的設(shè)備及部件的檢查中發(fā)揮作用。

3.3激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)

（1）原理。激光超聲的產(chǎn)生方法可分為直接法和間接法兩大類：直接法是采用激光直接作用于被測(cè)材料，通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用激發(fā)超聲波;間接法，利用被測(cè)材料周圍的其他物質(zhì)作為媒介以產(chǎn)生超聲波。一般認(rèn)為，在固體中激光激發(fā)超聲波機(jī)制，可根據(jù)入射激光的功率密度和固體表面的條件而變化。對(duì)于清潔、自由的固體表面，如果激光入射的功率密度低且激光能量不足以溶解固體，則熱彈性機(jī)制將起到重要作用。對(duì)于高功率密度的激光器，溫度的升高會(huì)部分溶解固體，甚至引起燒蝕，盡管熱彈性機(jī)制仍然存在，但燒蝕效果仍起決定性作用。為避免表面產(chǎn)生損傷，直接法中的熱彈激發(fā)更符合無損檢測(cè)技術(shù)要求，以其為基礎(chǔ)的光電檢測(cè)即為一種新型無損檢測(cè)技術(shù)。

（2）特點(diǎn)。激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)是一種新型的無損檢測(cè)技術(shù)，它不需要與被檢測(cè)物件相接觸，并且靈敏度高。該技術(shù)的基本原理是借助激光脈沖在被檢測(cè)物件內(nèi)部激發(fā)超聲波，再通過激光束，對(duì)超聲波的傳播路徑進(jìn)行探測(cè)，據(jù)此獲取被檢測(cè)物件的相關(guān)信息，如內(nèi)部缺陷、厚度以及材料參數(shù)等。該技術(shù)在核電檢測(cè)中的適應(yīng)性體現(xiàn)在：非接觸性，避免了耦合劑對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響;具有高檢測(cè)頻率帶寬（吉赫茲）的特點(diǎn)，具有測(cè)量微小缺陷裂紋的能力，故而檢測(cè)靈敏度高，可達(dá)亞納米級(jí);可用于表面幾何形狀復(fù)雜及超薄材料及部組件的檢測(cè)。

（3）適應(yīng)性。目前，激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)可以定性和定量檢測(cè)材料的內(nèi)部缺陷。激光產(chǎn)生的脈沖寬度非常窄，其最大頻率可以達(dá)到幾千兆赫。產(chǎn)生的波長只有幾微米，可以提高材料內(nèi)部的微缺陷檢測(cè)能力。激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)作為一種非接觸無損檢測(cè)方法，能夠在高溫、高輻射和有毒等惡劣環(huán)境下進(jìn)行高精度無損檢測(cè)。對(duì)于V形和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等形狀復(fù)雜的樣品，激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)可在單次激發(fā)過程中產(chǎn)生多種超聲信號(hào)模式，可應(yīng)用于風(fēng)扇葉片、機(jī)翼主軸組件以及核電站某些關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)斷裂缺陷檢測(cè)。

（4）發(fā)展性。近年來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，激光光電超聲檢測(cè)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，突破了眾多瓶頸。由于激光定位本身的不穩(wěn)定性，其在核電領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。因此，在下一個(gè)階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)技術(shù)穩(wěn)定性的研究，以確保它能夠更廣泛地用于核電領(lǐng)域無損檢測(cè)。

4 結(jié)語

綜上所述，核電設(shè)備的核安全要求以及核電站放射性運(yùn)行環(huán)境要求，對(duì)傳統(tǒng)超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的廣泛適用性提出了挑戰(zhàn)，而超聲波無損檢測(cè)新技術(shù)突破了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷限制。如今我們應(yīng)加快超聲波無損檢測(cè)新技術(shù)的研究步伐，將相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用至核島主設(shè)備在役檢查，將電磁和激光光電這兩種超聲波無損檢測(cè)新技術(shù)向核電領(lǐng)域推廣。

在采用超聲波無損檢測(cè)新技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)遵循相應(yīng)檢測(cè)法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，由專業(yè)無損檢測(cè)人員，使用明確適用變素要求并被評(píng)定有效的程序文件，出具達(dá)到檢驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則的報(bào)告，使無損檢測(cè)活動(dòng)更有序高效，確保制造過程中的核電設(shè)備、在建或在役核電站安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]ASME BPVC.V-2017.Nondestructive Examination[S].

[2]李春亮，施同飛，房麗云，吳景春.超聲波檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀[J].中國建材科技，2016，25（5）：133-133.

收稿日期：2019-07-05

作者簡介：宋沁（1987—），女，漢族，廣東深圳人，本科，工程師，研究方向：核電儀控與輻射監(jiān)測(cè);姚軼謙（1987—），男，漢族，河北石家莊人，本科，工程師，研究方向：核工程;房體航（1993—），男，漢族，吉林敦化人，本科，助理工程師，研究方向：核電儀表。