超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用研究

高博

摘 要：为稳步提升特种设备检测效能，促进现有无损检测模式的健全与完善，文章尝试以超声波相控阵技术作为切入点，着眼技术原理，立足技术特性，采取有效举措，实现特种设备无损检测技术合理化应用。

关键词：特种设备;无损检测;超声波;相控阵;技术应用

特种设备在使用过程中发生故障的机率较高。基于这种设备使用特点，相关团队转换思路，整合技术资源，将超声波相控阵技术纳入到设备检测体系之中，实现现有检测技术能力稳步提升，满足特种设备无损检测要求。

1.超声波相控阵技术原理

超声波相控阵技术原理开展全方位梳理，有助于技术团队全面掌握技术特性，为其在实践领域中的应用奠定坚实基础。

超声相控阵技术体系成熟，经过20多年的发展，在医学领域、设备检测领域得到广泛性应用。例如通过与计算技术、信息技术的联合应用，超声相控技术可以完成对核电站主泵隔热板、核废料罐电子树环的无损检测，极大提升了特种设备检测的便捷程度。超声相控阵技术思路与雷达电磁波相控阵技术类似，在辐射单元排列后，借助相关控制系统，对内置的阵列天线中辐射单元进行幅度和相位的微调，从而快速完成雷达波束的聚焦扫描，实现对相关细节信息精准捕捉。根据实际需求，超声相控阵排布结构也存在一定的差异，现阶段，往往采用一维线性阵列、二维矩形阵列、一维环形阵列三种形态，以确保雷达波束捕捉能力，确保检测任务的顺利完完成，具体排布如图1所示：

与其他技术相比，超声波相控技术稳定、可靠，具有较强实用性，并且对检测对象不会造成损伤，检测范围较大，检测速度较快，可以在较短的时间周期内，快速完成检测任务，获取检测区域相关数据。同时所获得检测结果更为直观，便于检测人员判定议检测对象基本状态，在此基础上，在采取组织人员开展设备维护管理。基于上述技术优势，超声波相控技术逐步成为现阶段特种设备无损检测的重要方式。

2.超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的重要方法

超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用，要求技术团队从实践角度出发，基于超声波相控阵技术原理，以科学性原则、实用性原则为框架，拓宽技术应用思路，创新技术应用方式，确保超声波相控阵技术应用水平。

2.1超声波相控阵技术探头类型科学选择

超声波相控阵技术在应用环节，技术团队需要做好探头选用工作，确保探头性能状态达到使用预期。结合过往经验，超声波相控阵探头可以从晶片阵列、频率、规格等维度出发，选择最佳探头类型。根据过往经验，在特种设备无损检测环节，探头晶片阵列方式往往以线性排布方式为主，在某些情况下，采取双线性排布，以确保整个探头超声波发出、捕获能力。探头频率对于检测结果有着最为直接的影响，当探头频率较高时，检测结果灵敏度较高，影像较为清晰，无损检测结果分析难度较低[1]。但是当频率参数过高时，衰减较为明显，会对无损检测结果分析造成干扰。这就要求在实际检测过程中，应当灵活选择探头频率。例如在碳钢缝隙检测环节，技术团队可以选择2.5MHz到5MHz的探头频率;对于不锈钢材质的焊缝，技术团队可以选择1MHz到2.5MHz的探头频率，借助频率科学选择，确保无损检测顺利开展。对于探头规格，要求技术团队根据特种设备无损检测基本情况，对探头规格作出调整，对于规格较大的检测对象，可以使用规格较大的探头，对于规格较小的检测对象，可以使用规格较小的探头，对部分结构特殊的检测对象，可以选择规格较小的探头，确保整个检测的流畅性。

2.2超声波相控阵技术声束精准化模拟

超声波相控阵技术在实现声束精准化模拟环节，技术团队可以使用Setup Builder软件，借助程序自身的数据运算能力，有效模拟声束，在处理过程中，可以将声学信号转化为可视化数据信息，从而精准定位差异化区域，实现超声波相控阵无损检测工作顺利开展。与其他相关技术相比，超声波相控阵技术依托系列软件，可以消除干扰信号，增强波束传输能力，为后续信号传输等工作稳步开展提供技术支撑。

2.3超声波相控阵技术扫查法合理化应用

超声波相控阵技术需要合理运用扫查法，实现对特种设备检测区域的全覆盖，避免检测技术运用不合理，影响最终技术应用成效。具体来看，技术人员可以选择扇形扫查、线性扫查等多种方式，根据特种设备检测要求，灵活选择检查方法。以扇形扫查为例，技术团队在综合评估特种设备检测任务后，选择以某个角度作为切入点开展全面扫查，快速完成聚集检测任务，同时利用参数校准等輔助手段，获得探头扫查平面视图，为后续无损检查结果评估提供数据支撑。

2.4超声波相控阵技术参数定向化设置

特种设备无损检测环节，为确保超声波相控阵技术应用成效，技术团队需要认真做好技术参数定向优化与科学设置。具体来看，在探头选型以及扫查法确定过程中，应当保证检测波束可以覆盖特种设备全部区域，例如需要确保波束应当覆盖检测区域外延6毫米。同时开展系列仪器设备参数校正工作，确保仪器设备始终处于良性运转状态，更好地服务于特种设备无损检测系列工作，搭建完备的技术平台。

3.超声相控阵检测案例分析

为持续增强超声相控阵检测方案实用性，推动其在设备无损检测领域中合理化应用，技术团队应当立足过往经验，通过必要的案例分析，总结技术规律，推动超声相控阵技术在实际检测领域中的合理化应用。

3.1检测对象分析

本次案例分析主要以焊缝缺陷检测作为主要研究对象，通过论证超声相控阵检测对象的制备、检测方案的设置，验证超声相控检测技术应用成效，旨在通过数据对比分析，验证超声相控阵检测技术优势，理顺技术应用思路，突出检测重点，确保相关技术合理化应用。研究过程中，选择20号钢等作为试验对象，试验对象内部缺陷主要包括裂纹、气孔、残渣，检测对象长度为800毫米，厚度为20毫米。

3.2构建检测条件

在应用超声相控阵检测技术进行焊接缝缺陷检测时，为消除检测误区，排除干扰因素影响，检测人员需要综合各方面因素考量，构建科学、完备的检测条件，以确保相关检测工作有序开展。由于超声相控阵技术灵敏度较高，信息处理能力较强，检测人员可以在较短时间内，快速评估检测对象基本状态。在这一过程中，检测人员需要熟悉超声相控探伤仪信号特征，根据信号特征，掌握检测对象基本状态。例如在A型显示中，横轴表示超声波在检测对象内部的传播时间，纵轴保超声波在检测对象内部的波幅高度。在B型显示中，主要根据A型扫描数据，结合积分电路推演出焊接缝内部缺陷的长度、宽度，计算缺陷横截面积。在C型显示中，将被检测对象内部缺陷的焊缝进行水平投影。在D型显示中，将被检测内部缺陷的焊缝的纵向裂缝进行垂直投影。通过对四种型号波形数据的全面掌握，检测人员可以快速判定故障缺陷分布位置、尺寸规格等基础信息，为后续相关评估检测工作开展提供数据支撑。实际操作环节，在进行C型显示与D型显示环节，检测人员需要配备扫查架、编码器等辅助设备，实现信息快速获取。

3.3组织常规检测

在检测过程中，为确保整个研究活动的有效性，对于对接焊缝区域，检测人员率先使用X射线进行检测，作为现阶段精准度较高的检测手段，X射线检测精准度较高，可以对焊接过程中形成的气孔、残渣、裂缝、未熔合等病害进行判定。为确保本次研究的有效，检测对象，率先利用X射线对检测对象进行检测分析，将检测结果作为验证超声波相控阵检测重要依据。完成上述工作后，检测人员使用相关检测仪器设备，开展检测工作，并实时记录缺陷数据。相关检测结果如表1所示：

从最终的检测结果来看，相控阵检测技术可以实现缺陷定量分析，检测精度较高，操作难度较低，涉及检测流程较少，符合现阶段检测工作开展要求。同时超声相控阵检测技术操作简单，检测人员可以在较短时间内，快速完成相关检测工作。

3.4评估检测数据

超声波相控阵技术应用环节，同步获取大量检测数据，为提升检测有效性，实现检测数据高效应用，检测人员应当做好检测数据分析评估工作，通过数据的高效处置，全面反应检测对象基本情况，确保整个超声波相控阵检测成效。超声波相控阵技术应用过程中，会生产大量数据，需要检测人员根据实际需要，开展定性与定量研究，通过数据发掘，剥离干扰因素，确定检测对象潜在隐患，顺利完成无损检测任务。为确保检测成效，确保检测结果精准性，有必要从检测技术原理出发，定向做好检测样本比较工作。基于这种技术定位，在实际检测环节，应当设定超声波相控阵反应指数，预先框定超声波相控阵检测数据，从检测结果来看，超声波相控阵检测技术对于缺陷故障的检测能力较强，检测结果较为直观，同时检测技术灵敏度较高，可以快速完成气孔、未焊透、残渣以及裂纹等缺陷评估。与常规超声波检测技术相比，超声波相控阵检测技术在软件系统驱动下，可以快速调整探头倾斜角度，根据以往经验，探头检测过程中，倾斜范围在30°到85°之间，探头角度灵活，持续增强了检测过程全面性，消除检测盲区，实现了检测工作的数字化。

结语

超声波相控阵作为成熟高效的技术模式，充分满足特种设备无损检测基本要求，全面兼顾检测精准度与检测灵敏度。为持续发挥技术优势，文章在厘清超声波相控阵技术特性的前提下，采取有效举措，健全完善超声波相控阵技术应用体系，实现技术融入与管理衔接。

参考文献：

[1]段軍志.超声波相控阵技术在特种设备无损检测中的应用研究[J].科学技术创新，2021（32）：11-13.