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相控阵超声检测国际动态（精品）

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相控阵超声检测国际动态李衍（无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会，无锡２１４０２６）摘要：

相控阵超声（ＵＴ）有探头阵元激励（振幅和延时）由计算机控制，声束参数如角度、焦距和焦点等可通过软件调整的种种优点。

介绍了超声相控阵技术在工业上的应用类另日和实例动态，包括航空航天、核电设备、承压设备在制在用检测，具有对复杂几何形状或可接近性受限工件检测的适应性，对缺陷定量表征的优越性。

也介绍了相控阵应用的有关标准动态及法规对相控阵操作演示的立项要求，旨在为国内推广该新技术提供借鉴。

关键词：

超声检测；相控阵；工业应用；缺陷定量；操作演示；标准化中图分类号：

ＴＧｌｌ５．２８文献标识码：

Ａ文章编号：

１０００－６６５６（２００９】０１００５６０５ＷｏｒｌｄｗｉｄｅＴｒｅｎｄｏｆＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇＬＩＹａｈ（ＮＤＴＳｕｂｃｏｍｍｉｔｔｅｅｏｆＷｕ】ｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＳｏｃｉｅｔｙ－Ｗｕ妇２１４０２６－Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ｐｈａｓｅｄａｒｒａｙ（ＰＡ）ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｓｅａｒｃｈｕｎｉｔｓａｓｃａｎｂｅｅｘｃｉｔｅｄｓｉｚｅｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｄｅｌａｙｂｙｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｎｄｔｈｅｂｅａｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｎｇｌｅ。

ｆｏｃａｌｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｆｏｃａｌｓｐｏｔｃａｎｂｅａｄｊｕｓｔｅｄｂｙｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｏｕｔｌｉｎｅｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｓ－ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｅｒｏｓｐａｃｅｉｎｄｕｓｔｒｙ－ｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｅｔｃ．ＭａｉｎＯｎｉｔｓｅｍｐｈａｓｉｚｅｓａｒｅ【ｉＢｏｉｌｅｒａｎｄＰｒｅｓｐｕｔｏｎｉｔｓｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｔＯｔｈｅｏｂｊｅｃｔｓｗｉｔｈｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｓｈａｐｅ．ｏｒｗｉｔｈｌｉｍｉｔｅｄａｐｐｒｏａｃｈａｒｅａｓ－ａｎｄｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙＰＡａｓａｏｖｅｒｄｅｆｅｃｔｓｉｚｉｎｇａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ．Ａｌｓｏ．ｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎｏｆａｓｂａｓｉｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｕｒｓｐｅｃｉｆｉｅｄｃｏｕｎｔｒｙ．ｂｙｔｈｅｃｏｄｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＴｈｅｉｎｔｅｎｔｉｏｎｉｓｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｐｒｅａｄｉｎｇｔｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＫｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ；Ｐｈａｓｅｄａｒｒａｙ；ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；Ｄｅｆｅｃｔｓｉｚｉｎｇ；Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ；相控阵的超声显像法，十多年前就在医疗领域使用了，据悉最近又可通过四维图像，使胎儿显像更为鲜明。

所谓四维，是指将三维图像实时显示，有栩栩如生的动画效果。

在工业领域的相控阵超声无损再建较容易。

但工业上，钢铁材料特别是焊缝检验不仅有纵波，还有横波和表面波及板波等波型产生，它们重叠显示在图像上，干扰图像识别。

而且，检测对象一般多较大，操作者多进行现场检测，所以必须用便携式设备。

最近，由于以计算机为中心的外围技术发展迅速，使得工业领域也能用相控阵设备进行超声检测了。

下面就相控阵超声检测技术的应用实例及其标准，介绍有关国际动态。

检测，几年前就能获得有足够分辨力的可判读图像，但设备价格不菲，实际应用非常有限。

在医疗领域，检查对象是人体，大部分由水分构成的人体组织，显示图像仅由纵波传播产生，故图像收稿日期：

２００８．０４＿０９作者简介：

李衍，男，高级工程师，主要研究方向为承压设备超声ＴＯＦＤ、相控阵和射线ＣＲ、ＤＲ等新技术应用及其标准化。

出版ＮＤＴ中高级教材译著《射线检测Ａ》《射线检测Ｂ》《超声检测Ａ》，及美ｔ无损检测手册》（射线卷．Ａ译）等；国外发表专著５篇。

１１．Ｉ相控阵ＵＴ在工业上的地位相控阵ＵＴ特征相控阵ＵＴ主要优点：

①超声波束方向可自由５６和９年奠３１卷第１奠万方数据变换。

②焦距可自由变换。

③扫查速度比机械扫查快。

④探头固定不动，就能使超声波束进行扫查。

⑤检测结果易于成像。

相控阵的缺点：

①装置规模大。

②探头大型。

③高价。

④结果判读有时较难。

但这些不足，随着计算机外围技术的发展，已得到很大改善。

这对相控阵ＵＴ的实用化，十分有利。

然而，还有好多对象，实际上适合于用传统法探测。

因此用什么探测方法必须根据检测对象决定。

目前，适于超声相控阵检测的实例大致有以下几种：

①探头不可能作机械扫查的工件或部位。

１．３操作演示的立项欧美对核电设备的超声探伤（ＵＴ）建立了专项认证制度，有资格认证操作演示（简称ＰＤ）的要求。

美国早在１９８９年就已在ＡＳＭＥ第Ⅺ卷中增补了有关操作演示的附录Ⅷ，遵循该法规要求，以电力研究所（ＥＰＲＩ）为中心，对有关检测系统包括检测人员、检测设备及检测方法等，建立了系统认证程序。

欧洲也将相当于美国操作演示认证的同样规定，引入欧洲检测人员资格鉴定网络中。

操作演示的基本思路是：

验证所用方法和条件能检出试样中典型缺陷（通常是指至少三种面状缺陷：

表面开口裂纹、底面开口裂纹和内部埋藏裂纹）。

即不管是手工探伤、ＴＯＦＤ或相控阵方法，均需达到缺陷检测目的。

因②形状复杂的工件。

③缺陷定量要求用图像显示时。

最近，特别是对核电设备的在用检测，对大厚度加氢反应器接管焊接接头的在制检测，有将相控阵检测列为ＵＴ操作演示和认证的一项要求，足以显示其地位重要。

１．２核电站在用检测最近，相控阵ＵＴ与ＴＯＦＤ之所以并驾齐驱于工业领域，起因于核反应堆冷却剂再循环管道的在用超声检测中遇到了新问题。

具体情况如下：

由于在ＳＵＳ３１６Ｌ材料的焊缝表面产生的应力腐蚀裂纹向焊缝金属内部伸展，用常规横波斜探头的端部回波法进行裂纹测高，发现测高值偏小。

为此，操作演示认证也可谓间接承认相控阵超声检测的一种方式。

２相控阵Ｕｒｒ的应用情况２．１应用实例分类近几年来，相控阵ＵＴ的应用虽未普及，但世界上均有应用实例报告。

例如，在第１６届世界无损检测会议上，有关相控阵ＵＴ的论文有２６篇，其中６篇是有关实际设备的应用实例。

此外，在有关无损检测的各种学术演讲和专业期刊上，也常有相控阵应用实例的介绍。

其代表作有Ｊ．Ｇｒａｎｎｉｌｌｏ和Ｍｏｌｅｓ博士在美国无损检测学会会刊《材料评价》２００５年４月号上，就相控阵ＵＴ的实际应用与未来动向作了详细描述和评价。

文中对介绍的应用实例，按应用特点作了分类，见表１。

表１相控阵ＵＴ应用实例分类按应用特点分类应用实例１汽轮机叶片根部应力腐蚀裂纹的检测电子扫描法（探头静止不动，声束变位变向）５桥梁螺栓的检测６飞机起落架的检测超声成像后对焊缝缺陷进行定量３对接焊缝的检测复杂形状部位的图像解析１容器接管部位腐蚀减薄的检测２螺纹螺牙的检测１氢致裂纹的检测缺陷成像后进行评介２激光焊缝的检测３复合材料的检测１奥氏体不锈钢小口径管焊缝的检测２在用核电站管道应力腐蚀裂纹的检测３密封垫圈下的法兰腐蚀检测４传动轴、心轴的检测２桥梁结构Ｔ型焊接接头的检测此，核电设备质量管理机构决定立项提高再循环管道缺陷超声定量精度，用实际管道上切割下来的有裂纹试样进行一系列试验。

试验时，除使用横波和纵波端部回波法、爬波法及变型波法外，还采用相控阵法，结果彰显相控阵的技术优势。

据悉，日本电建部门于２００４年在修订的《核电设备超声在用检测指南》中，增补了附录《缺陷超声测深要领》，提到了在用变型波法对裂纹粗略测深后，即需采用相控阵ＵＴ使裂纹端部超声成像，而后进行定量评价，如图１所示。

图１相控阵裂纹测高应用实例年第３１鬈第１期５７万方数据英国无损检测学会会刊《ＩＮＳＩＧＨＴ＞＞２００６年４月号和美《材料评价）２００７年１月号，均为相控阵ＵＴ专辑。

因此，相控阵ＵＴ已成了世界瞩目之新技术。

以下择要介绍有关实例。

２．１．１缺陷测高效果不理想。

２．１．３复杂形状部位的检测针对容器接管焊接接头之类形状复杂部位的接管直径和壁厚、检测位置、应检出的缺陷位置和方向，对相控阵检测探头布置、超声波束角度和扫查方法等，进行了计算模拟，并据此制定了检测程序，如图２所示。

在核电设备检测中，相控阵检测能有效减少受射线辐照的危险，也能在缩短检测时间和提高可靠性的前提下有效采集数据。

以缺陷定量为目的相控阵探头能对薄板缺陷测高，是因其可通过聚焦效应，提高方位分辨力；可利用压电复合型晶片，提高时间分辨力；还可借助于扇形扫查图像，提高缺陷端部的可识别性。

对ＡＳＭＥ第Ⅺ卷附录Ⅷ规定的奥氏体不锈钢和铁素体钢中缺陷的检出与测长方法，电力研究所用了三个１．５ＭＨｚ的矩阵探头，其中两个用于探环缝，一个用于探纵缝。

为对缺陷测高定向，用相控阵探头端部回波法，在设有人工线槽和自然缺陷的试块和试样上作了验证试验，以提高试验效率和定量精度。

ＡＳＭＥ规范案例２２３５－９确认，对厚度１２．７ｍｍ（ａ）焊缝形状以上的焊缝，允许用自动ＵＴ取代ＲＴ。

ＵＴ的优点是安全卫生，检测结果能及时反馈，对板厚方向的缺陷能测深定高，故特别适用于维护检测。

据此，只要能满足操作演示的必要条件，就可用基于脉冲回波法的自动探伤和ＴＯＦＤ法代替ＲＴ。

为此，特展示了便携式和全自动相控阵ＵＴ装置的试验结果。

同时，对检出缺陷进行定量，依据断裂力学判明合格与否。

例如，对管道焊缝，用通常的射线照相无法进行评价，必须用ＵＴ对缺陷进行定量，虽然端部回波法和ＴＯＦＤ法均适用，但相控阵ＵＴ聚焦声束法显得更有效。

２．１．２奥氏体不锈钢焊缝等粗晶材料的检测对结晶粗大不均匀的材料，用相控阵作了检测试验。

例如，曾用低频５００ｋＨｚ的相控阵探头探测离心铸造的不锈钢管焊缝，检出了热疲劳裂纹和机械疲劳裂纹。

但，用端部回波法，因回波不好识别，缺陷定量就有困难。

另外，为对异种钢焊缝中的裂纹进行测高，也曾用手工相控阵ＵＴ作了试验。

以ＡＳＭＥ第Ⅺ卷附录Ⅷ规定的尺寸＜３．８ｍｍ的缺陷为目标，曾将２４条裂纹种植在９根不同规格的管子焊缝内，采用相控阵ＵＴ与ＴＯＦＤ两法作了探测试验。

对锻造不锈钢管焊缝，将２ＭＨｚ的纵波斜角和横波斜角相控阵探头置于焊缝两侧，对热影响区的电火花加工的窄槽，作了检测评价。

结论是缺陷的检出和测长均优，能满足操作演示验证所要求的条件，但探头骑跨焊缝探伤时，端部回波识别有困难，５８２００９年囊３１卷囊１■图２压力容器管座焊缝及其根部相控阵检测示例（ｂ）检测示意相控阵ＵＴ能任意改变超声波的扫查方向或聚焦位置。

因而，可在探头固定不动的状态下，使检测部位产生图像显示，由显示结果自动判定工件合格与否。

有专家对具有复杂形状、内面加工沟槽的铝制品作了相控阵超声检测和验收评定，效果很好。

对反应器等压力容器进行超声检测时，由于表面凹凸和管接头等曲面影响，探头接触不良，有可能使灵敏度降低，缺陷漏检。

为此，又开拓了能使探头接触面形状自由改变的新一代相控阵探伤的新方法。

每次，用紧贴阵列传感器上部的形状测定器读出的数据，对每一阵元触发延迟时间进行修正，使之在试件中产生给定的超声波束。

２．１．４航空材料和部件的检测在起落架滚轮中，插入６４阵元、频率１０ＭＨｚ、长５０ｒｎａ－＇ｎ的阵列传感器，并在探测面涂一层薄薄的耦合剂，而后进行探伤。

探头静止不动，通过电子扫描，使超声波束进行变向聚焦扫查，得到Ｂ显示图像；也可使滚轮转动，通过探头机械扫查，得到Ｃ显示图像。

对飞机铝制机翼封口部位和碳纤维复合材万方数据图３管道焊缝现场棚控阵扫查机构（探头架沿焊接导轨转动，架Ｅ有２个线阵探头，该布置性能优于一般多探头技术。

）图４在制压力容器的相控阵扫查机构（容器转动，探头架固定，有２个线阵列探头作线扫查和电子扫描。

）图５用机器人扫杳器枪测形状复杂的曲而容器（探头盘卜装有ＴＯＦＤ和脉冲网波两套相控阵探头。

）料中的裂纹及未贴合等缺陷，均能有效检出。

对航空部件，包括飞机涡轮发动机圆盘用的合金材料将相控阵产生的超声声场、缺陷检测精度及超声波检测灵敏度余量和分辨力等性能与普通探头作了比较，发现今后建立超声检测中的缺陷检出界限等数据库，已成当务之急。

２．１．５其它除上所述外，还对管道壁厚的测定及减薄情况的相控阵ＵＴ图像显示，作了探讨。

２．２核电设备的焊接检查２００６年５月，在美国圣地亚哥召开了第五届国际原子能和承压设备无损评价会议。

主办方是与核电站有关的机关，故涉及特性验证的论文甚多，其中，有关超声波的论文占总数的４０％，而相控阵论文又占ＵＴ论文数的一半，特别引人注目。

由此可见，在核电设备的检查中，相控阵ＵＴ是最重要的一项检测技术；实际上在工业领域中，相控阵装置也是实际应用最多的一种检测设备。

２．３承压设备的焊缝检查锅炉、压力容器和压力管道等承压设备的对接接头，无论直径大小、壁厚厚薄，均可采用相控阵超声检测提高检测效率和可靠性，实现检测结果多维显示。

图３～６即展示了管道、容器、球罐和小径薄壁管等对接焊缝在制检测的示例。

图７底面开口裂纹的Ａ扫描和相控阵Ｓ（扇形）扫描显示图形（壁厚９．５ｍｍ）图６锅炉管制造过程中的相控阵检测（扫查器夹在被枪管子上，阵列探头绕管子旋转。

）３相控阵ＵＴ标准３．１日本标准在日本工业标准ＪＩＳＺ３０７０：

１９９８＜＜钢焊缝超声波自动探伤方法》中，规定了两种图像显示技术：

一种是用普通单探头作自动扫查、自动记录的平面显示（Ｃ显示）和断面显示（Ｂ显示），另一种是用相控阵的线性扫查和扇形扫查的图像显示。

图７和图８表示分别用手动探伤和相控阵端部回波法，对壁厚图８表面开口裂纹的Ａ扫描和相控阵Ｓ（扇形）扫描显示图形（壁厚９．５ｍｍ）为９．５ｍｍ的底面开口裂纹和表面开口裂纹进行测高的图像显示比较示例。

硼年第３１卷第１期万方数据５９３．２美国标准３．２．１人工缺陷和自然缺陷的试块、试板、试管、试样，进行操作演示和技能认证。

另一方面，由于大型核电设备和承压设备也都开始用相控阵等ＵＴ技术对缺陷进行定量评价，在这方面急需相控阵技术和验收条ＡＳＭＥ标准ＡＳＭＥ锅炉压力容器法规第Ｖ卷《无损检测》第四章Ｔ－４２１．１将相控阵法的应用列入计算机成像技术（简称ＣＩＴ），并在附录Ｅ中指出ＣＩＴ技术包括开口合成法、宽带全息照相法、相控阵法、ＴＯＦＤ法、数据自动采集成像法等。

ＡＳＭＥ要求实施超声检测前，应制定书面规程，提出了必须量化的ＵＴ工艺规程要求共２０个，其中１５个主要素，５个副要素。

在２００７版中，对ＴＯＦＤ检测工艺规程，还特别追加了６项特定性变素（包括仪器型号和制造者，仪器软件，扫查方向和扫查范围，缺陷测长方法等。

３．２．２件的标准化，对有关动向当拭目以待。

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２３．《相控阵超声检测装置和系统的特性评价标准指南》，该标准规定了实施相控阵ＵＴ时的一般通则。

标准正文解释了术语定义，提出了相控阵ＵＴ技术的概要和一般程序；在附录中则规定了波束形状等使用注意事项，相控阵阵元效率等硬件性能测定方法，以及线性等ＵＴ装置一般性能的评价方法。

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要．：

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由：

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因此，图１０曲线并不重合，与磁滞回线相类似。

４结语在忽略地磁场波动等因素的前提下，可以认为：

在地磁环境中，应力集中导致的畸变磁场的变化幅度（峰峰值），主要受拉伸方向磁场分量大小的影响，垂直拉伸方向的磁场对畸变幅值的影响十分微弱。

在地磁场中简单地使用畸变幅度的大小判断应力集中的程度并不是通用的可靠判断方法，但试验中发现在固定应力下磁场畸变的幅度与拉伸方向上磁场分量大小成近线性关系的性质也有可以用来减弱甚至去除由于检测时地磁场方向不同而带来的干扰，进而得到与检测时地磁场方向无关的结果。

瞳］ＤｕｂｏｖＡ八ＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓｏｆｍｅｔａｌａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂｙｍｅａｎｓｏｆｍｅｔａｌｍａｇｎｅｔｉｃＣｈＳＮＤＴ７ｔｈＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈｍｅｍｏｒｙ［Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｎｏｆＮＤＴａｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｓｈａｎｔｏｕ：

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