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(jié)果便于保存。相控陣技術(shù)檢測效率和靈敏度高，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)可存儲，因此在核電施工及在役檢測中應(yīng)用成為可能。

常規(guī)超聲波檢測由于定位準(zhǔn)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(jié)果不直觀、定性差、檢測過程無法記錄，且檢測結(jié)果與檢測人員的技術(shù)能力及責(zé)任心相關(guān)，因此在核電建設(shè)中因可追溯性差而應(yīng)用較少。超聲相控陣檢測技術(shù)采用了聲束的角度掃描和動態(tài)聚焦等技術(shù)，使檢測效率和靈敏度得到提高，且可滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xiàn)信息的追溯，因此在核電工程檢測中應(yīng)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(luò)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(gòu)成超聲陣列換能器，分別調(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)等效果。

相控陣接收：換能器發(fā)射的超聲波遇到目標(biāo)后產(chǎn)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(fù)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(shù)現(xiàn)代的相控陣儀器有校準(zhǔn)向?qū)В@有助于快速而準(zhǔn)確的校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的顯示格式（A掃、S掃、C掃、D掃）來繪制返回信號數(shù)據(jù)；與常規(guī)超聲檢測技術(shù)相比，采用超聲相控陣檢測技術(shù)可以實現(xiàn)在有限的范圍內(nèi)，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(shù)提供大量的直觀信息，準(zhǔn)確檢測出工件內(nèi)的缺陷信息，直接而且準(zhǔn)確地反應(yīng)工件的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì)；實現(xiàn)了超聲波檢測的可記錄性。

1.3 相控陣超聲技術(shù)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(fù)合型人員，數(shù)據(jù)分析會非常耗時。

2 相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用案例

管道環(huán)焊縫檢測。相控陣超聲檢測技術(shù)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(diào)整相控陣探頭的掃查角度、探頭距焊縫中心長度等參數(shù)，使相控陣超聲波聲束覆蓋整個焊縫，實現(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)檢測區(qū)域的全覆蓋。相控陣技術(shù)可以通過施加不同的延遲法則，實現(xiàn)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(chǎn)生裂紋缺陷、造成螺栓的斷裂，現(xiàn)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(shù)具有較高的缺陷分辨率，可以更好的反應(yīng)齒根裂紋缺陷。

目前核電常規(guī)島無損檢測現(xiàn)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(xiàn)在：射線檢測效率較低；工業(yè)射線對人體有害；一定范圍內(nèi)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(jié)果無可記錄圖像、無法為后期的質(zhì)量驗證提供數(shù)據(jù)。

3 相控陣技術(shù)驗證

為了進一步驗證相控陣技術(shù)的可靠性，分別進行了試驗室驗證、現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)上相控陣超聲檢測優(yōu)于射線檢測、與數(shù)字超聲波相當(dāng)，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(shù)的可靠性，現(xiàn)場加工Φ273×30的含缺陷管件，內(nèi)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(jié)果：射線檢測、超聲波、相控陣檢測缺陷數(shù)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(xiàn)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(shù)現(xiàn)場驗證工作，隨機從現(xiàn)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(xiàn)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(jié)果：在圓形缺陷的檢出率方面，射線檢測共發(fā)現(xiàn)31個、超聲波發(fā)現(xiàn)45個，而相控陣檢測發(fā)現(xiàn)47個；咬邊。射線檢測發(fā)現(xiàn)3個、相控陣檢測發(fā)現(xiàn)2個、超聲波檢測發(fā)現(xiàn)3個；內(nèi)凹缺陷。射線檢測發(fā)現(xiàn)1個；夾潭。相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)1個。通過以上數(shù)據(jù)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(jié)果：射線檢測發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的最小缺陷為點狀（ADG-010-W010，5GCT-117-P7）。在發(fā)現(xiàn)缺陷的最小尺度上大體相當(dāng)。

在缺陷定量方面，相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷較射線探傷定量大一些，根據(jù)分析，與波的傳有關(guān)；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(jié)語

通過試驗室驗證和現(xiàn)場實際焊縫相結(jié)合進行相控陣超聲檢測試驗驗證結(jié)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(shù)據(jù)的可記錄性滿足試驗結(jié)果可追溯性的要求，相控陣對缺陷測長較超聲波檢測準(zhǔn)確。相控陣超聲檢測技術(shù)可以運用到現(xiàn)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。