摘要：近年来，随着无损检测技术发展和相应检测设备的研发更新，在常规无损检测方法的基础上，出现了一些新的检测技术。如超声波相控阵检测(PAUT)、红外热成像检测、衍射时差法超声检测、声发射检测等技术。其中超声波相控阵检测技术在焊缝检测应用中的应用日益成熟，它利用高性能的数字化仪器把特种设备焊缝检验中存在的缺陷呈图像直观地显现出来。本文从超声波相控阵检测技术的优势出发，结合其应用原理、缺陷识别技术以及如何提高检测人才的培养、提高工作人员的安全意识等策略。探索超声波相控阵检测特种设备焊缝检验中的应用。
关键词：超声波相控阵；特种设备；检测技术
引言
传统的检测技术在检测效率、缺陷检出率和检测准确性方面存在一定不足，
超声波相控阵检测用于承压特种设备焊缝检验并充分发挥其优势，弥补其它检测方法的不足，在检测中可以实现焊缝全覆盖检测，有利于及时发现焊缝中存在的各种内部缺陷，对增强检验结果准确性、切实提高检测质量具有积极影响。
1超声波相控阵检测技术应用原理与优点
1.1应用原理
超声相控阵探头是由多个压电晶片按照一定的规律进行分布排列，相控阵设备按照预先设置好的法则，采集单元发射实际信号经相控阵单元进行阵列切换为有延时的脉冲信号，脉冲信号激励探头中晶片进行声波发射，发射后的声波干涉形成所需入射波。入射波经反射形成反射波，经相控阵探头接收转变为回波信号，回波信号由相控阵单元按相应法则移相并合成为接收信号，由采集单元采集回相控阵设备。通过对各个阵元的有序晶元，可得到灵活的偏转及聚焦声束，联合线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等独特的工作方式，使其比传统的超声波检测技术的速度更快、灵活度更高。
1.2相控阵超声波检测焊缝的优点
（1）可根据需要设置超声波入射角度范围，应用于常规超声波探伤难以检测的复杂结构焊缝与扫查区域受限焊缝。（2）回波与焊缝结构图像化显示，缺陷判断更准确，减少误判率，更易区分缺陷信号与非缺陷信号。（3）无需更换不同角度的探头，也无需进行前后锯齿形扫查，采用扇形扫查可覆盖焊缝全截面；实际检测时只需先确定探头位置，再沿焊缝方向直线扫查即可完成对整条焊缝的检测。
2超声相控阵检测关键技术
阵列换能器：阵列换能器是超声相控阵系统中的关键部件，直接影响相控阵检测的性能和成像质量。为了实现动态聚焦、动态孔径、动态变迹、波束形成等相控效果，需要精心设计制造高性能的阵列换能器。当探头的参数不适合时，探头的声场分布除了主瓣外还会出现栅瓣和较高的旁瓣。栅瓣是伪像的主要原因之一，而旁瓣的出现一方面降低了主瓣的能量，降低了系统的分辨率，另一方面旁瓣也可以造成伪像。由于系统的横向分辨率主要去决定于主瓣的宽度，因此要提高系统的横向分辨率，减小主瓣宽度是有效方法之一。因此，阵列换能器的设计准则为：消除栅瓣、抑制旁瓣、最小化主瓣宽度。压电陶瓷作为传感元件在智能材料结构中已经得到了较为广泛的应用，但是就传感性能来说，纯陶瓷压电元件本身还存在着一些难以克服的缺点，而压电复合材料不仅可以克服压电陶瓷元件诸多固有的缺点，还具有高灵敏度、低声阻抗、柔韧性好和容易加工成型等特性，而且通过合理设计其结构，可获得压电正交异性，其驱动器能够产生定向的应力波，传感元件能感受特定方向的信号，克服由结构构件侧面形成反射干扰信号的难题，减少应力波在传播过程中阻尼衰减的影响，从而突出缺陷反馈的有效信号，提高信噪比和分辨率。
3超声波相控阵检测技术在承压特种设备焊缝检验中的应用
3.1科学选择探头
首先，需要对探头的晶片阵列进行选择，目前应用价值比较高的阵列主要有线性、矩形、环形等几种，其中使用范围最广的是线性阵列。其次，确定并调整探头频率，频率越高，探头的灵敏度越高、分辨力越强，检验结果越真实，但在实际使用过程中需要根据焊缝所处设备的材质确定频率，具体可参考：晶粒细的碳钢频率范围是2.5~5（MHz），晶粒粗的不锈钢焊缝频率区间为1~2.5（MHz）。最后，保证探头尺寸的合理性，对于壁厚焊缝，可以选择尺寸较大的探头，原因是其包含的晶片数量较多，能够利用聚焦法则一次性激发多组功能不同的波束，焊缝检验的覆盖范围比较广；对于壁薄且不平整的焊缝，为了突破空间与形状的限制，应选择尺寸相对较小的探头。
3.2在特种设备检测中的应用
特种设备种类较多，结构也更为复杂，其对技术的要求和使用的安全性方面有更高的要求。超声相控阵技术相对于传统的超声波监测技术，其检测的范围更加广泛，数据结果也更具可靠性。例如，在超声波相控阵检测设备方面，德国SCHMITTE等对其进行了新的开发，主要是用于快速自动检测核废料储存罐。此类设备利用了七台通道超声波相控阵检测仪的同时控制了十三个换能器，启用了扇形扫描功能，即利用了多种聚焦法则，用门市扫描机构带动换能器的原理，在核废料储存罐的表面做轴向运动，同时旋转机构带动此储存罐做周向旋转运动，以此完成核废料储存罐的整体、快速和高效的自动扫描。
3.3工艺参数选择
工艺参数的选择应遵循以下基本原则：（1）波束能够覆盖被检焊缝所有体积、热影响区及其以外6mm的区域。（2）所设置的参数经仪器调校后，应在认证试块上认证成功。（3）符合标准规范的其他要求。①扫描方式。在焊缝检测中，通常使用扇形扫描（S扫），但在某些特殊情况下，为发现某特定区域的缺陷，可辅以线性扫查（S扫）方式，如针对坡口未熔合缺陷，设置一组与坡口垂直的线性扫查是非常有效的。②波束类型在焊缝检测中，通常采用横波波束的一次反射法进行扫查。对于晶粒相对粗大的不锈钢焊缝，横波波束存在衰减严重、信噪比差的问题。这种情况下采用纵波角度入射可获得较好检验结果。③波束角度。波束角度范围的选定则应综合考虑选择的楔块及焊缝尺寸，角度范围应在楔块厂家推荐值的范围内，尽量选择大范围的波束，以覆盖被检验区域。对于壁厚大的焊缝，一组最大范围波束仍不能有效覆盖被检区域时，则应增加一组或多组波束。④探头偏移。探头偏移一般指焊缝中心到探头前沿的距离。在焊缝存在余高的情况下，应保证有足够的探头偏移，避免探头前沿压在焊缝余高上而导致无法耦合，通常在保证覆盖被检区域的前提下，调节探头偏移使得被激活晶片处于探头的中间位置。⑤激发晶片数量。被激发晶片的数量越多，有效晶片的尺寸就越大，辐射超声波的能量也就越大，发现远距离缺陷的能力越强，可聚焦的范围广，对检测有利。
结语
随着超声波相控阵检测技术在工业领域的广泛应用，国内于2016年发布国标GB/T 32563-2016《无损检测 超声检测 相控阵检测方法》。2017年电力行业发布电力标准DL/T 1718-2017《火力发电厂焊接接头相控阵检测技术规程》。虽然石油化工装置常用的无损检测标准NB/T 47013《承压设备无损检测》还暂未将相控阵检测纳入其中，但是按照当前的发展趋势，伴随着规范标准的改版升级相控阵检测势必会在承压设备的检测中逐渐应用，并在今后特种设备无损检测中扮演着举足轻重的角色。
参考文献
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