超聲波無損檢測新技術(shù)在核電領(lǐng)域的未來圖景

宋沁 姚軼謙 房體航

摘要：本文首先介紹了傳統(tǒng)超聲波無損檢測技術(shù)的基本原理，其次列舉了核電領(lǐng)域的無損檢測需求，進一步分析了三種超聲無損檢測新技術(shù)的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀。具體涉及的超聲無損檢測新技術(shù)包括相控陣超聲檢測技術(shù)、電磁超聲檢測技術(shù)和激光光電超聲檢測技術(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)的進一步發(fā)展，超聲無損檢測新技術(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;核電領(lǐng)域;未來圖景

中圖分類號：TG115.285文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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，對無損檢測技術(shù)及結(jié)果的可靠性提出了更高的要求。超聲波檢測作為采用超聲波技術(shù)對材料、焊縫及部組件的缺陷進行探測、定位、測量、評定和評價的檢測方式，具有穿透能力強、靈敏度高、檢測范圍廣、可實現(xiàn)自動化檢測等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于核電領(lǐng)域。

1傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)原理及特點

1.1原理

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

傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)主要包括脈沖回波技術(shù)和時差衍射（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、斜射波檢驗、接觸法和/或液浸法進行缺陷檢測。時差衍射技術(shù)則利用缺陷端部的衍射波傳播時間來進行缺陷定位及判斷缺陷當(dāng)量大小。

1.2特點

超聲波檢測技術(shù)穿透能力強，在固體中的傳輸損耗很小，探測深度很大。靈敏度高，對反射體的位向、大小、形狀等方面檢測較為準(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)用于易凝露的運行環(huán)境，受限于耦合劑。存在檢測盲區(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。

2核電領(lǐng)域無損檢測技術(shù)需求

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

核電承溫承壓、受照、冷鏈設(shè)備運行環(huán)境及工藝條件特殊，其選材已充分考慮機械、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驗證材料、焊縫及部組件可靠性，對于在役電站，更須定期進行在役檢查及評估，以確保核電運行安全性與可靠性;輻射防護要求則驅(qū)使核電站采用更自動化、遠(yuǎn)程化、非接觸式的檢測方式，減少檢測人員及設(shè)備受照劑量甚或避免表面放射性沾污。

核電領(lǐng)域無損檢測技術(shù)亟需隨整個社會的檢測技術(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，以彌補傳統(tǒng)超聲波無損檢測技術(shù)的不足并克服其檢測技術(shù)的難點。

3超聲波無損檢測新技術(shù)

3.1相控陣超聲檢測技術(shù)

（1）原理。相控陣檢測（PAUT）是超聲檢測的一種，其探頭由多個超聲探測晶片按給定規(guī)律分布排列而成，每一個晶片可分別設(shè)置聲束軸線和聲束焦點等參數(shù)，在基于預(yù)設(shè)的時間被逐一激發(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，且能實現(xiàn)波束聚焦、動態(tài)深度聚焦、偏轉(zhuǎn)、線性掃查和扇形掃描。

（2）特點。相位陣列遵循聚焦規(guī)則來激活不同的超聲波速度，每個超聲波速度具有形狀并且可以聚焦在不同的深度，從而允許對被測物體的缺陷進行更有針對性的檢測，并且具有更大的缺陷檢測能力。同時以執(zhí)行多角度掃描。在被測物體的掃描檢查期間，相控陣探頭可以交替地激勵芯片，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)的超聲檢測技術(shù)，相控陣超聲檢測技術(shù)具有檢測速度更快、可變角度掃査，圖像直觀，有利于缺陷判別的優(yōu)勢。

（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、高成本和相對較小的市場規(guī)模，在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用有限。過去幾十年來，隨著復(fù)合壓電芯片材料、脈沖信號控制和信號處理技術(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公司開始采用相控陣超聲檢測技術(shù)：大亞灣和嶺澳核電站將相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到常規(guī)島汽輪機低壓轉(zhuǎn)子葉片葉根的無損檢測;中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司將相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到核一級設(shè)備容器接管內(nèi)圓角區(qū)的無損檢測。

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

3.2電磁超聲檢測技術(shù)

（1）原理。電磁超聲檢測，是無損檢測領(lǐng)域的一項新技術(shù)。電磁超聲檢測技術(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)換直接在被測材料、焊縫或部組件表面的表層進行。當(dāng)靠近被測表面的線圈被通以高頻電流時，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，同時施以外界強磁場，使被測表面產(chǎn)生周期性振動，至此激發(fā)出電磁超聲波。而此時外界強磁場作用下的被測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)被測材料、焊縫或部組件的缺陷情況。

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

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

（4）發(fā)展性。電磁超聲檢測技術(shù)尚未作為核電設(shè)備的無損檢測技術(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，接收信號弱。這也促進了電磁超聲檢測技術(shù)的進步，目前主要包括電磁激勵裝置的優(yōu)化和生態(tài)信號的處理，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)。

隨著超聲檢測技術(shù)的發(fā)展，電磁超聲檢測技術(shù)具有無需耦合劑、非接觸式檢測等優(yōu)勢，且在表面不平滑或高溫材料的檢測中有著較強的優(yōu)勢，可以減少對被檢對象進行表面處理的工序，從而提高檢測效率;隨著對電磁超聲技術(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)無損檢測技術(shù)的有力補充。隨著檢測技術(shù)的進一步發(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，則熱彈性機制將起到重要作用。對于高功率密度的激光器，溫度的升高會部分溶解固體，甚至引起燒蝕，盡管熱彈性機制仍然存在，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)更符合無損檢測技術(shù)要求，以其為基礎(chǔ)的光電檢測即為一種新型無損檢測技術(shù)。

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

（3）適應(yīng)性。目前，激光光電超聲檢測技術(shù)已應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。激光光電超聲檢測技術(shù)可以定性和定量檢測材料的內(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)部的微缺陷檢測能力。激光光電超聲檢測技術(shù)作為一種非接觸無損檢測方法，能夠在高溫、高輻射和有毒等惡劣環(huán)境下進行高精度無損檢測。對于V形和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等形狀復(fù)雜的樣品，激光光電超聲檢測技術(shù)可在單次激發(fā)過程中產(chǎn)生多種超聲信號模式，可應(yīng)用于風(fēng)扇葉片、機翼主軸組件以及核電站某些關(guān)鍵部件的實時斷裂缺陷檢測。

（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，激光光電超聲檢測技術(shù)取得了長足的進步，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)用相對較少。因此，在下一個階段，應(yīng)加強對技術(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。

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行環(huán)境要求，對傳統(tǒng)超聲波無損檢測技術(shù)的廣泛適用性提出了挑戰(zhàn)，而超聲波無損檢測新技術(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新技術(shù)的研究步伐，將相控陣超聲檢測技術(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新技術(shù)向核電領(lǐng)域推廣。

在采用超聲波無損檢測新技術(shù)的同時，應(yīng)遵循相應(yīng)檢測法規(guī)、規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，由專業(yè)無損檢測人員，使用明確適用變素要求并被評定有效的程序文件，出具達(dá)到檢驗驗收準(zhǔn)則的報告，使無損檢測活動更有序高效，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

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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;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。