超声相控阵技术在无损检测领域的应用

超声相控阵技术在无损检测领域的应用相控阵技术相控阵技术与传统NDT技术对比概要超声相控阵技术背景超声相控阵工作原理超声相控阵在无损检测中的应用超声相控阵技术的优点超声相控阵技术应用超声相控阵技术最早应用于军用雷达。现在医院里采用的B超也是基于相控阵技术。加拿大OlympusNDT公司（即以前的R/DTech）最早将相控阵技术引入到工业无损检测领域。目前在世界范围内有超过1000台超声相控阵系统正应用于不同无损检测领域，包括电厂、石化、船舶、航空航天、工业在线、锅炉压力容器、长输管线等。超声相控阵技术背景超声相控阵定义通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位置和焦点尺寸。相控阵探头类型12345678910111213141516X=-7.9,Y=-8.0--X=7.9Y=8.01234567891011121314151617181920212223242526272829303132X=-3.9,Y=-1.9--X=3.9Y=1.9线形阵1维线形阵2维矩形阵相控阵探头类型12345678910111213141516X=-4.4,Y=-4.4--X=4.4Y=4.412345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061X=-6.5,Y=-6.5--X=6.5Y=6.5•圆形阵–1维环形阵–2维扇形阵相控阵探头设计参数相控阵探头晶片由复合材料制成，比常规压电陶瓷材料探头的信噪比高10-30dB。将复合材料用机械方法切割成若干个小晶片，每个晶片都可以单独激发。相控阵扫查类型•线形扫查：阵列中每组晶片都使用相同的聚焦法则。•扇形扫查：使用同一组晶片，但聚焦法则不同。•动态深度聚焦：通过硬件随时改变接收晶片的聚焦法则实现的。波束形成•每一个晶片的激发时间可以单独控制，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加。如果所有晶片的激发时间都相同，形成的波阵面为纵波。电子扫查探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。扫查宽度局限于:–阵列中晶片的数量–采集系统支持的通道数量波束偏转•波束偏转是通过软件控制每一个晶片激发的延时使波阵面沿特定角度传播来实现的。DirectionofenergyDirectionofenergy波束聚焦•波束聚焦是通过软件控制每一个晶片的触发时间使波前在指定的位置进行叠加实现的。焦点尺寸取决于所用晶片的大小和数量。FocussedtocrossatthispointFocussedtocrossatthispoint相控阵脉冲发射/接收相控阵三维视图IndexaxisScanaxisVC-SIDE(B)VIEWUsoundaxisIndexaxisUsoundaxisVC-END(D)VIEWScanaxisVC-TOP(C)VIEWIndexaxisScanaxis超声相控阵技术典型应用焊缝检测-线性扫查焊缝检测-扇形扫查全自动超声相控阵焊缝检测T型焊缝扫查厚壁压力容器焊缝检测法兰盘腐蚀检测插管焊缝检测螺栓检测涡轮燕尾槽/转子检测螺纹检测完好工件有缺陷工件异种金属粗晶材料焊缝检测TRLPA探头腐蚀检测动态深度聚焦厚壁工件检测MechanicalDisplacementc=velocityinmaterialFOCUSDEPTH(PULSER)DYNAMICFOCUSING(RECEIVER)Beamdisplacement非DDFDDF超声相控阵技术优势实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读；相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快；相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现的功能，如对复杂工件的检测；容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度高；扫查装置简单，便于操作和维护；检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用。相控阵技术与常规NDT技术的对比常规超声（UT）的局限性（1）：–检测速度慢：以焊缝检测为例，常规超声需采用多种角度探头进行栅格扫查，如进行自动检测，扫查装置复杂；–检出率低：由于焊缝中缺陷的走向和特征各异，常规超声只能发现反射效果较好的缺陷；–定量精度低：常规超声通常依靠波幅法进行缺陷定量，但波幅受缺陷的走向、性质、位置等多种因素的影响，因此依靠波幅定量缺陷非常不准确；–检测结果受人为因素影响大：检测结果受操作人员职业素质，技术水平和工作经验等多方面因素的影响，不同的操作人员对同一个工件进行检测可能会得出不同的检测结果。传统无损检测技术的局限性常规超声（UT）的局限性（2）：–成像单一：常规超声只有简单的A扫描，不能可靠反映出缺陷的整体特征，缺陷定性能力差；–无法存储检测数据：常规超声不能完全存储检测数据，不能进行离线分析和数据回读；–应用范围小：常规超声只能对几何形状简单的工件进行检测，对诸如角焊缝、搭接焊缝等复杂的结构检测时，几何反射信号会干扰操作人员对检测结果判断的准确性。传统无损检测技术的局限性射线检测（RT）的局限性（1）：–安全性低：射线对人体有伤害，化学药剂对环境有污染；–检测速度慢：射线检测需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，检测效率低。另外，射线检测时需要清场，影响其他部门的作业；–缺陷检出率弱：射线只对体积型缺陷（如气孔）敏感，而对于对黑度影响不大但危害性严重的面状缺陷（如未熔合、裂纹等）的检出率很低；–缺陷定量能力差：射线仅能确定缺陷的长度，而不能确定缺陷的埋藏深度和自身高度；–无法实现过程控制：由于射线不能实时成像和获得检测结果，因此不能实现过程控制；传统无损检测技术的局限性射线检测（RT）的局限性（2）：–检测成本高：射线检测需要消耗底片、药液，现场需要进行防辐射保护，检测周期长，都会增加检测成本；–数据存储要求高：与超声检测相比，射线底片的存储则需要更多的空间和保护措施。–现场检测操作不方便：射线设备笨重，不适于空间有限的部位检测传统无损检测技术的局限性磁粉（MT）的局限性：–只能检测表面或近表面缺陷；–只能探伤铁磁性材料，如铁、钴、镍及其合金；–不适用于奥氏体不锈钢的检测；–不能确定缺陷的自身高度；–无法存储检测数据；传统无损检测技术的局限性渗透（PT）的局限性：–只适用于检测材料表面开口缺陷；–所用试剂有一定的毒性；–要求工件表面光洁度高；–不能检测多孔性材料；–检测数据不能保存；传统无损检测技术的局限性相控阵技术几乎涉及到国内所有无损检测领域，包括：–航空：黎明、航空动力机械、成飞、西飞、哈飞、昌河飞机等–航天：航天四院、航天二院、航空材料研究所、东安发动机厂–核工业：武汉核动力运行研究所、核动力设计研究院、上海锅炉厂、哈动力–船泊：江南造船厂、渤海船舶重工、中国船舶工艺研究所–兵工：江麓机械厂、重庆铁马、山西柴油机厂–电力：华北电科院、河北电科院、江苏电科院、浙江电科院、东北电科院、辽宁电科院、天津电科院–石油：中海油、中国石油天然气管道公司、四川石油管理局、大庆石油管理局等相控阵技术应用领域–化工：新疆独山子石化、云南大为–制造业：一重、二重、上海锅炉厂、上海森松等–冶金：宝钢、兴澄特钢、石钢、沙钢、南钢、北钢等–特种设备：中国特检中心、合肥通用所、江苏特检、浙江特检、天津特检、杭州特检、武汉锅检、广州锅检、山东锅检等–院校：北京航空航天大学、南京航空航天大学、北京理工大学、南京工业大学、华中科技大学、西安交通大学、天津大学等相控阵技术应用领域