相控陣技術在核電工程中的應用驗證

中國電建集團核電工程公司 侯衛(wèi)師

核電站核級部件的無損檢測要求直觀、可記錄、結果便于保存。相控陣技術檢測效率和靈敏度高，適用于復雜結構檢測，檢測圖像可視化，具有實時檢出和評定缺陷的優(yōu)點，試驗數據可存儲，因此在核電施工及在役檢測中應用成為可能。

常規(guī)超聲波檢測由于定位準確、對面積型缺陷檢測靈敏，在工業(yè)檢測中得到廣泛使用。但檢測結果不直觀、定性差、檢測過程無法記錄，且檢測結果與檢測人員的技術能力及責任心相關，因此在核電建設中因可追溯性差而應用較少。超聲相控陣檢測技術采用了聲束的角度掃描和動態(tài)聚焦等技術，使檢測效率和靈敏度得到提高，且可滿足復雜結構檢測的需求，而且由于檢測圖像可視化，因此具有實時檢出和評定缺陷的優(yōu)點，并且檢測圖形可記錄，便于實現信息的追溯，因此在核電工程檢測中應用成為可能。

1 相控陣超聲檢測原理及優(yōu)點

1.1 相控陣超聲檢測原理

惠更斯原理：球形波面上的每一點（面源）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡就是該時刻總的波動的波面。

相控陣發(fā)射：多個換能器陣元按一定形狀、尺寸排列，構成超聲陣列換能器，分別調整每個陣元發(fā)射信號的波形、幅度和相位延遲（以計算機產生一系列不連續(xù)的時間延遲激發(fā)探頭陣列），使各陣元發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而形成發(fā)射聚焦和聲束偏轉等效果。

相控陣接收：換能器發(fā)射的超聲波遇到目標后產生回波信號，其到達各陣元的時間存在差異。按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后相加合成，就能將特定方向回波信號疊加增強，其他方向的回波信號減弱甚至抵消。同時，通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法，形成聚焦、變孔徑、變跡等多種相控效果。

1.2 相對常規(guī)檢測（UTRT）優(yōu)點

不移動探頭或盡量少移動探頭可掃查厚大工件和形狀復雜工件的各個區(qū)域，成為解決可達性差和空間限制問題的有效手段；大多數現代的相控陣儀器有校準向導，這有助于快速而準確的校準多角度或者同步掃描，同時用單軸扇形掃查替代柵格形掃查可提高檢測速度；優(yōu)化控制焦柱長度、焦點尺寸和聲束方向，在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性；可以在不同的角度探測同一個缺陷，從而提交缺陷的檢測概率而不需考慮這些缺陷的方位。

能夠以各種標準的顯示格式（A掃、S掃、C掃、D掃）來繪制返回信號數據；與常規(guī)超聲檢測技術相比，采用超聲相控陣檢測技術可以實現在有限的范圍內，使用較少的探頭完成檢測區(qū)域的全面掃查；通過成像技術提供大量的直觀信息，準確檢測出工件內的缺陷信息，直接而且準確地反應工件的聲學和力學性質；實現了超聲波檢測的可記錄性。

1.3 相控陣超聲技術的局限性

相控陣儀器及配套探頭軟件比常規(guī)儀器貴10～20倍，需要擁有計算機、成像及超聲方面知識復合型人員，數據分析會非常耗時。

2 相控陣檢測技術應用案例

管道環(huán)焊縫檢測。相控陣超聲檢測技術已被廣泛用于輸油管道、海洋石油平臺、火電受熱面管道焊縫、動力管道環(huán)形焊縫。以管道環(huán)形焊縫為例，通過調整相控陣探頭的掃查角度、探頭距焊縫中心長度等參數，使相控陣超聲波聲束覆蓋整個焊縫，實現了焊縫檢測的全覆蓋。

葉根檢測。目前對葉根的無損檢測方法：磁粉檢測、渦流檢測只能檢測根部端面2mm左右縱深的區(qū)域；滲透檢測只能檢測根部端面開口型缺陷；葉根沿轉子軸向厚度太大，射線檢測也無法進行；傳統(tǒng)超聲檢測靈敏度達不到要求，無法實現檢測區(qū)域的全覆蓋。相控陣技術可以通過施加不同的延遲法則，實現對葉根全體積的檢測。

壓力螺栓的檢測。壓力螺栓在螺紋根部易產生裂紋缺陷、造成螺栓的斷裂，現有的無損檢測方法為滲透、超聲波檢測。由于螺紋形狀特性，造成滲透檢測過程中難以對缺陷形成有效的判定，致使漏檢率增大。超聲波檢測對螺紋的回波與缺陷波混雜在一起難以判定。相控陣技術具有較高的缺陷分辨率，可以更好的反應齒根裂紋缺陷。

目前核電常規(guī)島無損檢測現狀：目前核電常規(guī)島碳素鋼或低合金鋼管道環(huán)形焊縫主要采用射線檢測，有時輔以常規(guī)超聲波檢測方法，在檢測過程中存在明顯的缺點和局限性，主要體現在：射線檢測效率較低；工業(yè)射線對人體有害；一定范圍內因輻射影響無法多點施工，檢測能力不足；常規(guī)超聲波檢測無法得到缺陷直觀圖像，定性困難，檢測結果無可記錄圖像、無法為后期的質量驗證提供數據。

3 相控陣技術驗證

為了進一步驗證相控陣技術的可靠性，分別進行了試驗室驗證、現場實際焊縫驗證。

3.1 試驗室驗證

通過采購××模具廠制作焊縫自然缺陷試塊，和現場加工含缺陷焊縫分別進行射線檢測及相控陣超聲檢測分析。

購買模具廠加工的焊縫自然缺陷試塊編號G05 13195，規(guī)格Φ159×300×8，材料為20#，焊接方法為手工電弧焊，內埋氣孔、夾渣、未焊透缺陷，分別進行相控陣超聲檢測、射線檢測。通過對廠家出具的檢測報告、以及相控陣超聲檢測、射線檢測結果：G05 13195試件中三個缺陷，相控陣、超聲波全部檢測出，但相控陣、超聲波數據有差異。而射線檢測僅檢測出氣孔和未焊透2項。在對缺陷的檢出個數上相控陣超聲檢測優(yōu)于射線檢測、與數字超聲波相當，但相控陣對缺陷直觀顯示強。

為了更好驗證相控陣超聲檢測技術的可靠性，現場加工Φ273×30的含缺陷管件，內埋氣孔、夾渣、未焊透缺陷，分別進行相控陣超聲檢測、超聲波、射線檢測。檢測結果：射線檢測、超聲波、相控陣檢測缺陷數量分別為18、20、23；最小缺陷。射線檢測為1.5、超聲波為2.1、相控陣檢測為1.9；最大缺陷。射線檢測為15.3、超聲波15、相控陣檢測為16.4。

3.2 現場實際焊縫驗證

為了更好地對相控陣檢測進行分析和統(tǒng)計，在XX5號機組進行相控陣技術現場驗證工作，隨機從現場已檢焊縫（射線檢測）抽檢17只進行相控陣試驗與常規(guī)射線檢測比對。抽檢焊縫規(guī)格涉及Φ168×7、Φ168×12.5、Φ219×9、Φ335.6×17.5、Φ323×16、Φ406×22.2、Φ457×14.2、Φ559×14.2七種規(guī)格。

3.2.1 缺陷檢出率

通過對現場隨機抽取的17只焊口進行檢出缺陷統(tǒng)計分析，缺陷檢出結果：在圓形缺陷的檢出率方面，射線檢測共發(fā)現31個、超聲波發(fā)現45個，而相控陣檢測發(fā)現47個；咬邊。射線檢測發(fā)現3個、相控陣檢測發(fā)現2個、超聲波檢測發(fā)現3個；內凹缺陷。射線檢測發(fā)現1個；夾潭。相控陣超聲檢測發(fā)現1個。通過以上數據分析，相控陣超聲檢測對缺陷的檢出率略高于常規(guī)射線檢測及超聲波檢測。

3.2.2 缺陷尺寸對比

對射線檢測、相控陣檢測對不同類型最大缺陷尺寸的統(tǒng)計對比結果：射線檢測發(fā)現的最小圓形缺陷大小為1mm（分別在5ARE-042-P1、ADG-010-W0105、GCT-117-P7三道焊縫上），相控陣發(fā)現的最小缺陷為1mm（ADG-010-W010）。檢出缺陷的最小尺寸均為1mm，超聲波發(fā)現的最小缺陷為點狀（ADG-010-W010，5GCT-117-P7）。在發(fā)現缺陷的最小尺度上大體相當。

在缺陷定量方面，相控陣發(fā)現的缺陷較射線探傷定量大一些，根據分析，與波的傳有關；在缺陷的檢出方面，相控陣檢出的缺陷較射線多。

大體上，對缺陷的識別相控陣超聲檢測與射線檢測基本一致。

4 結語

通過試驗室驗證和現場實際焊縫相結合進行相控陣超聲檢測試驗驗證結果，在缺陷的檢出率以及最小缺陷的檢出尺寸方面，相控陣超聲檢測能檢出大部分缺陷，優(yōu)于常規(guī)超聲波檢測。在檢測效率方面，相控陣檢測不受時間、空間制約，檢測效率明顯高于射線檢測。相控陣超聲檢測數據的可記錄性滿足試驗結果可追溯性的要求，相控陣對缺陷測長較超聲波檢測準確。相控陣超聲檢測技術可以運用到現場實際焊縫檢測活動。局限性：目前相控陣儀器和探頭價格較貴，檢測成本較高。