相控阵检测较射线检测在实际应用中的优势

冷百广 马庚尧

摘 要：相控阵超声波检测在项目施工中作为一项新技术，越来越被检验人员重视和广泛应用。通过人员防护、现场作业、检测速率、数据存储、环境保护、发现缺陷的能力等多方面与传统射线检测进行比较，进一步突出相控阵检测在实际应用中存在的优势。

关键词：相控阵；射线；实际应用；优势

随着超声波系统技术的不断完善，相控阵检测与射线检测逐步成为相辅相成的两种检测技术。两种技术都可以探测工件或焊缝内裂纹、圆形缺陷、未熔合或未焊透等缺陷，因此在实际应用中，相控阵超声波检测越来越多的用来代替射线检测，且随着相控阵超声检测被广泛的接受与应用，相控阵超声检测的操作方法也逐步出现在各类检验规范之中。

相控阵超声技术是超声波技术的发展与延伸，初期主要应用于医疗领域，医学超声成像的原理是用相控阵换能器快速移动声束对被检器官进行成像。最初，系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限，然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技術逐渐应用于工业无损检测。而射线检测时产生的射线对人体具有生物辐射效应，达到一定的程度会对人体造成不可逆转的伤害。基于两种检测技术工作原理的不同，下面对相控阵检测的优势进行深度论述。

1.人员防护

射线检测时防护不当或连续工作时间过长，可能对人体造成大剂量短时间急性照射或小剂量长期慢性照射，其对人体的损伤时间和症状程度也各有不同。急性损伤一般早期即可表现出来，有些也会经过一段较长的潜伏期。早期的射线伤害有造血器官损伤、消化系统损伤型和中枢神经损伤等。射线的慢性伤害在判断上比较困难，因为受照后至发现症状之间历时较长，其因果关系不易判明，此外，射线引起的自觉症状和他觉症状没有任何特异性。而且射线检测时的安全半径一般在30米以外，在项目施工中通常需要进行隔离作业，如果现场施工区域较小，通常无法进行交叉作业，必要时只能夜间作业，对检验人员既有辐射危害也会因夜间工作产生身体损伤。

因此射线检测牵涉到时间防护和距离防护两个方面，除控制辐射时间和保持安全距离外，工作人员还需配备铅服、铅帽、铅手套等屏蔽防护装备。而相控阵超声检测对人体不存在辐射伤害，也没有其他人员伤害的因素，可以多工种进行交叉作业，也无需进行特殊防护装备，因而相控阵检测较射线检测在实际操作中更安全可行。

2.现场作业

目前使用的射线设备通常为X射线机，其体积较大，携带不够方便。有些预制口之外的现场焊口，因施工空间较小或施工区域的位置特殊性，往往无法摆放检测设备，或达不到安全半径的要求，增加多重施工时的危险因素。如高空现场口，摆放射线机困难的同时，检验人员登高作业更换射线底片，需多次上下脚手架，增加人员磕碰、高空坠落的伤害几率。

对于相控阵检测，经过技术不断提高、设备不断改进，相控阵超声设备变得越来越轻便，价格越来越便宜，使用起来也越来越容易操作。在实际应用中受施工空间的限制较小，同一道焊口即时可以完成检测作业，比射线设备在施工空间限制上具有更大优势。

3.检测速率

在检测速率上，相控阵检测比射线检测优势更加明显。以4寸双加强管线焊口为例，如使用射线检测，通常一道焊口要拍5-6张底片，每张底片拍摄时间为3分钟左右，更换底片时间为每张3分钟左右，拍摄一道焊口所需的时间大致为30分钟，加上设备位置调整、底片处理的时间，平均到每道焊口的时间往往在40分钟以上。而相控阵检测一道焊口所需的时间为3-5分钟，检测速率为射线检测的6-10倍，在项目施工时可极大的缩短工期，获得更多的经济效益。

4.数据存储

常规的射线检测数据存储方式为射线底片存储，由于拍摄条件、洗片条件或观片条件限制，常会出现影像不清晰或缺陷难以判断的情况，且底片保存时会因外界原因存在划伤底片的风险，如果整理不当或人为失误，也可能造成底片损坏或丢失。底片的存储也有时间的限制，一般射线底片最多保存5-7年，且随着保存的时间累积，完好的射线底片也会变的越来越模糊，偏离实际检测结果。

相控阵检测技术不仅可以实时进行超声数据分析，向焊接工程师或电焊工反馈数据信息和提供评估结果，还可以以电子格式出具检测报告和存储检测数据。依据目前通讯、数据拷贝和存储的能力，电子数据传输、存储及分析都极为便利。在保存便利的同时，数据随时可以真实清晰的还原检测结果，因此相控阵检测在数据存储方面的优势也逐步突出出来。

5.环境保护

射线检测完成后，在处理射线底片时，都会用到显影液和定影液。显影液的主要成分有米吐尔、菲尼酮、对苯二酚等，定影液的主要成分有硫代硫酸钠或硫代硫酸铵、硫酸铅钾（钾明矾）、硫酸铬钾（钾铬矾）、冰醋酸等。所使用的以上药液都含有多种化学物质，如果运输失误、使用不规范、回收不利或处理不当，都会对水源或土壤等造成污染，不利于环境保护。

相控阵超声检测时所使用的耦合剂为水或甘油，目前使用较多的是水，不仅随处可取，而且使用过程中和使用后，都不会对环境造成损害，这也是相控阵检测一项明显的优势。

6.发现缺陷的能力

射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射使其强度减弱。强度衰减程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿透的厚度。如果被透照物体（工件）的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于试件，该局部区域透过射线的强度就会与周围产生差异，即缺陷部位和完好部位的透射射线强度不同，底片上相应部位就会出现黑度差异。对于气孔、夹渣等体积性缺陷射线检测结果特别直观，而对于裂纹、未熔合等面积型缺陷，因厚度变化差小，检出率就会较低。同时，基于现在X射线透射的能力，检测工件最大的厚度限制在50-60mm，具有极大的局限性。

超声波检测缺陷的工作原理是，若在一个工件中存在一个缺陷，即造成了缺陷和材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。反射波的高度和形状因缺陷性质的不同而不同。而相控阵超声探头是一个较长的常规超声探头，将其切割成许多小的晶片，每个小晶片都可以独立激发，就像是将许多小的常规超声探头集成进入一个探头中。因此，相控阵检测对裂纹、未熔合等面积型缺陷特别敏感，还可测量出缺陷高度、深度等信息。同时，相控阵超声检测的最大厚度可达到200mm左右，基本可以满足所有被检工件厚度的要求。

另外，相控阵检测完成后通过对缺陷高度的测量、体积维度的判断和缺陷类型及长度的分析，从而对缺陷进行精确定量，以降低产品返修或报废的数量，还可以通过检测大数据的统一分析，改善焊接方法和焊接工艺。因此，在项目施工中使用相控阵超声检测代替射线检测已成为不可逆转的趋势。

参考文献：

[1] 百度词条

[2] 赵晓鑫，王伏喜，鄂楠，李斌.相控阵检测与射线检测的缺陷识别对比[J].无损检测，2016，38（1）：41-43.

[3] 钟志民，梅德松.超声相控阵技术的发展及应用[J].无损检测，2002，24（2）：69-71.

作者简介：

冷百广（1985.8-），男，助理工程师，烟台大学-轮机工程专业，学士，海洋石油工程股份有限公司，主要从事无损检测施工及研究工作.

马庚尧（1987.2-），男，助理工程师，天津大学-公共事业管理，海洋石油工程股份有限公司，主要从事无损检测施工及研究工作.