相控阵超声在印度电建项目中的应用

相控阵超声在印度电建项目中的应用

晁鑫

（山东电力建设第三工程公司山东青岛266100）

摘要：目前印度电建项目，随着对质量的重视程度增加，无损检测比例也越来越高，导致射线探伤时间激增，由于射线检验在时间上和工程进度有直接冲突，而相控阵超声检验正好可以解决射线探伤带来的时间冲突问题，因此，相控阵超声这种较为先进的检验方法的应用，为更好的确保焊接质量及加快工程进度提供了保障。

关键词：相控阵超声;印度电建;无损检测

1引言

目前，印度电力市场发展正处于高速阶段，众多大型电建项目都在规划建设之中，各国电建公司都在印度电建市场竞争激烈，因此用最短时间、高效率、低成本完成电厂建设，才能确保具备较强的竞争优势。近年来，随着相控阵技术的不断发展，相控阵超声技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视，因此为在印度电建市场中使用相控阵超声技术来逐步代替射线检验技术来控制焊接质量和加快工程进度提供了可行性。

2印度电建市场及其无损检测现状

作为正在高速发展中的国家，印度电力资源日趋紧张。由于印度国情及当地技术能力有限，分包商的施工能力与国内相比差距很大，如不能科学规划，很难在最短的时间以高效率和低成本完成电厂建设项目。

目前印度电建市场对质量越来越重视，尤其是焊接质量。按照印度锅炉规程(IBR)的规定，电厂锅炉焊口的检验比例远低于我们国内标准。此外，由于其检验工艺和验收标准执行美国ASME标准，直接导致了无损检测的工作量数倍的增加，对比国内标准和国内项目执行情况，检验压力相当巨大。

此外，印度无损检测领域秉承了欧美对常规超声波检验所谓的偏见，认为常规超声波检验人为影响因素巨大，对重要部件的检验不信任常规超声波检验结果，对射线检验的依赖性较强。而印度射线检验现状和国内区别很大，X射线机在印度电厂施工项目中极少的应用，大部分探伤公司都没有配备，只能依靠伽马源进行射线探伤，而且由于钴60这种高强度辐射的伽马源在使用上限制太多，因此安装现场只能依靠单一的伽马源铱192进行射线探伤，并且伽马源现场使用的最大能量有着严格的限制，这就决定了部分中厚壁管道的射线检验时间过长。

3超声相控阵技术简介

相控阵探头是由许多独立的晶片构成的,每个晶片都能被单独激发，施加不同的时间延迟,以实现声束的角度和聚焦可在很大的范围内变化。这些探头由特殊的装置驱动,能够在每个通道独立的、同步的发射和接收信号。电建项目中相控阵超声检验使用的常规探头安装楔块，形成一个角度声束组件，利用水作为耦合剂，探头频率一般在2MHz~10MHz范围内。超声相控阵的一个重要特性就是可以通过软件来改变超声波束的特性。根据系统软件设置,每个晶片都能通过不同的时间延时来激活,并发射和接收超声信号。并另外扫查角度范围、聚焦深度和焦点尺寸等也都能通过软件控制，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，增强了检测设置的灵活性和性能。然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像，因而在一定程度上克服了常规超声由于声束的方向性造成的在缺陷检出和定量上的限制。

超声相控阵的两个重要特性是偏转和聚焦,这些特性在理论上的实现都是基于波的叠加和干涉以及惠更斯原理。相控阵探头根据晶片的排布可以分成环阵、一维线阵、扇形环阵、二维矩阵、曲率线阵等。超声相控阵技术在扫查方式上主要分为线性扫查、扇形扫查、动态深度聚焦等,在显示方式上分为A显示、B显示、C显示、D显示、S显示等。接下来介绍常用的三种扫描形式：

A扫描：A扫描是超声波数据最基本的表现形式，或称波形显示，在波形显示图中，竖轴代表波形，横轴代表时间，平面上的红色线段表示闸门，闸门的作用是选择波形曲线的一部分进行分析，一般是对回波波幅和深度进行测量。

S扫描：S扫描是相控阵设备特有的图像，这种扫描一般分为两种主要形式。一种形式是使用零度界面楔块，在医学成像中经常应用。另一种形式是使用塑料楔块增加入射声束的角度，以生产横波，这是在电建项目对接焊缝相控阵检验的应用形式。每个定义的角度生成一个相应的声束，每个角度的波形响应被数字化，以颜色编码，并在屏幕上以适当的角度绘制，生成一个横截面图像。

C扫描：C扫描是一个二维数据图像，表现为被测样件的顶视图或平面图。被测样件的每一点都被映射到图中相应的位置，每个位置会由不同的颜色表示其在闸门内信号的波幅或深度，通过追踪数据在XY坐标平面上的位置，可以为平面工件生成平面图像；通过跟踪轴位置和角度位置，可以为柱面工件生成平面图像。

4相控阵在电厂建设无损检测中的应用流程

要想相控阵超声技术应用于电厂建设无损检测中，需要获得业主和监理的首先批准，然后由业主向锅炉检察官提出申请，经锅炉检察官现场审核相控阵超声演示实验后，由锅炉检察官决定是否批准相控阵超声的许可申请。正式的许可颁发以后，现场就可以开展正式的相控阵超声检验。

相控阵超声检验对人员资质的要求：印度已经有专门的机构对相控阵人员进行培训和授权，颁发相控阵超声资质证书，但仅限中级资质，暂时还没有相应的高级资质。因此在人员资质要求方面，操作和判定结论人员需具至少备中级资质，审核则需要具备ASNT超声三级资质。

表面准备及耦合剂：扫描区域应清除焊接飞溅及其他可能影响探头的运动、耦合或声能传输进入材料的状态。任何表面条件，如几何，涂料等妨碍超声检查的应记录以便对扫描进行适当校正。耦合剂应采用与被检材料兼容的且具备良好耦合效果的材料，对于本机组中大口径焊口均采用水作为耦合剂，采用压力喷水装置保证耦合效果持续不间断。

超声相控阵检测设备：超声相控阵设备采用脉冲回波的方式,包含16、32或者64个独立脉冲发射和接收通道，能够产生和显示波形、截面及扇形扫查图像，这些图像可以存储以便于以后随时检查调用。设备同时拥有多种分析能力，包括A扫显示和使用标尺的软件读出，B、C和扇形扫查图像的导出对缺陷的分析非常有益。另外，数据显示软件也能用在远端的电脑上进行数据重放，可以便于不在现场的高级人员随时进行审核。

相控阵系统校准：设备主要是校验相控阵设备的线性，包括屏高线性和波幅控制的线性。系统的校准主要是聚焦法则、时间基准、灵敏度和楔块延时校准。系统校准确认包括完整的检测系统，在合适的校准块或者模拟试块上，扫查范围和TCG校准将被核实，校准块和待测的工件需具有相同表面和成分，这样的校准将被确认。现场可以使用焊接代样材料制作相应规格的试块。

扫查及扫查范围：完整检验扫查区域包括焊缝和焊缝的每一侧上（HAZ区）至少25mm或者长度壁厚T的区域。根据焊口的实际情况选择相应的扫查角度（例如40到60度或者55到70度），可以设置多个通道进行扇形和电子扫查。除非校准成更高的速率，否则扫查速度应不超过50mm/s。

记录/评价标准和波幅判断：评价人员具有相控阵超声二级或者超声三级的水平时，评价超声检测的结果才是可以接受的。所有超过DAC或者TCG20%的反射体信号将被仔细研究，以确定反射体的类型；超过DAC或者TCG的50%的显示，信号将被记录下来。然后区分信号是由几何学还是由冶金学产生的。整个值得记录的显示将被确定形状、性质和在反射体中的位置。所有检测的结果将记录在系统数据报告表格中。

整个相控阵超声的检验及评判过程均由承包商工程师及监理旁站监督，以保证检测结果的真实性，最终的检测报告需要分包商、承包商、监理及锅炉检察官签字确认归档。

4结语

1用相控阵超声对焊缝进行检测时，无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动，而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查，对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成，也采用手动方式完成，可实现快速检测，检测效率非常高。:

2相控阵超声与传统的手工超声检测和射线检测相比，相控阵具有检测结果直观、重复性好，可实时显示，在扫查的同时可对焊缝进行分析、评判。也可打印、存盘，实现检测结果的永久性保存。缺陷定位准确，检测灵敏度高。作业强度小，无辐射伤害无污物，与工程进度不存在时间冲突，可以节约宝贵的工程时间。

3相控阵超声在实际应用过程中也存在其局限性：对工件表面光滑度要求较高,对现场手工焊焊缝表面缺陷检出率较低，需要辅助表面探伤以防漏检，而且对温度有一定的敏感性。仪器调节过程相对复杂，调节准确性对检测结果影响大，检测成本相对较高。

4针对现场小径管探伤，虽然ASME规范给出了小径管相控阵探伤的可行性方案，经过演示实验对缺陷的检出率和准确性都较高，但是实际检验中，相对于演示实验中的高检出率和准确性，实际检验过程中，由于受到现场检验条件限制，操作过程中探头移动过程中的耦合不良会造成缺陷的漏检，而且部分缺陷很难判定，经过与射线检验的底片对比得到证实，由于其较高的检测灵敏度，较大可能会将允许存在的缺陷判定为不合格缺陷。因此对于8mm以下厚度的小径管还是建议以射线检验为主，以避免造成不必要的漏检和返修工作。

参考文献

[1]Olympus-AdvancesinPhasedArrayUltrasonicTechnologyApplications.

[2]ASMEBoilerandPressureVesselCodeSectionVNondestructiveExamination-2013

[3]ASMEB31.1PowerPiping-2012