超声相控阵技术在工业上的应用

超声相控阵技术在工业上的应用

作者：刘晓睿刘斯以吴斌斌

来源：《硅谷》2012年第17期

摘要: 超声相控阵技术最早应用在医疗领域,从上个世纪80年代起,超声相控阵技术开始应用到核电领域。20多年以来,超声相控阵技术在工业上的应用范围越来越广泛,在电力、航空、航天、石化等行业都能够看到它的身影。相信随着相控阵设备价格的不断下降、人员培训规模的日益扩大以及相关标准的逐步建立与完善,工业相控阵技术的应用会越来越普及。

关键词: 超声相控阵;工业应用;线性扫查;扇形扫查

1 超声相控阵技术简介

普通超声探头通常由一个晶片来产生超声波,其声束的传播角度是唯一的,在实际检测中,为了防止漏检,通常需要进行不同角度的扫查。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。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。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。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。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。

上世纪80年代,出现了工业用相控阵系统,这种系统非常的大,需要把数据传入电脑来进行

数据处理和图像展示,至少需要两个人来操作。这类设备大部分都是用在在役电站的检查中,特别是核电领域。上世纪90年代以来,随着电子和软件技术的发展,依靠低功率的电子元件、低能耗的结构,结合微处理器技术,使得电池驱动的相控阵设备的产生成为可能。1997年,RD/TECH

公司发布了便携式的相控阵设备Tomoscan FOCUS,它使得相控阵信号产生、数据处理、显示和分析都能在一台仪器上完成,从此相控阵技术的应用领域更加广阔。下面将介绍一些国外相控

阵应用的实例。

2 电力

Figure 1 Example of blade root inspection

超声相控阵技术可以检测电站汽轮机叶根的应力腐蚀裂纹。汽轮机的几何形状比较复杂,

被检工件的接触面有限,在检测时需要保证缺陷漏检率越小越好,利用超声相控阵技术可以根据

应用来优化探头设计,依据声线追踪功能来改进扫查工艺,同时还能使用相对较高的探头频率,利用CAD覆盖功能直观的显示缺陷的位置,利用扇形扫查可以进行多角度的扫查,因此相比常规超声来说,检出率要高,另外由于采用电子扫查取代栅格扫查,因此检测速度要快得多[1]。

Figure2 The simulation of ultrasonic fiedld about nozzle using PAUT using PAUT

长期以来,接管的检测主要采用常规超声的方法,由于接管几何形状的复杂性需要考虑仪器的设置,接管的壁厚以及曲率效应的影响,加上常规超声的A扫显示方式,因此判读接管缺陷需要耗费大量的时间,国外的研究表明,结合自动扫查架和编码器,利用相控阵自动扫查接管的内表面和外表面是可行的[2]。

Figure 3 Example of austenitic stainless steel piping welds inspection using PAUT

利用相控阵进行小口径奥氏体管焊缝检测,这类焊缝都是气焊的,轮廓是接近垂直的,管焊缝的壁是很薄的,管道之间的空间非常狭小[3]。检测这类焊缝要采用手动扫查或者小型的扫查器,同时由于安全方面的原因,在应用中是不允许使用射线的。这项应用需要快速而可靠的检测方法,并且保证所有数据被记录。奥氏体不锈钢管焊缝的检测可以利用两个阵列来产生横波,在扫查上使用线性扫查和并采用编码器记录数据,另外在扫查上也能使用扇扫,并且数据以C扫描的形式显示。

利用常规自动超声技术检测核电站管道焊缝的晶间应力腐蚀裂纹需要在焊缝两侧进行至少五次扫查,每一次的扫查方式都是栅格扫查,需要花费大量的时间和人力[4]。EPRI的NDE中心工作人员完成了奥氏体和铁素体管道焊缝缺陷的自动超声相控阵缺陷检出和测长的附录规程

8[5]。他们的研究发现,相控阵的主要优势在于它的多线扫查技术,这种技术在检测速度、焊缝覆盖和可靠性上与常规超声相比有很大的优势。为了保证声束的覆盖,在扫查前利用ZETEC公司的3D声线追踪软件做声束覆盖仿真。在探头上使用1.5MHz的2D阵列探头,每个阵列有15个晶片。

Figure 4 Simulation of concrete inspection using PAUT

在核电领域,对于压水堆来说,安全壳显得非常重要,因为在发生核事故时,将由它来阻挡放射性物质的传播。安全壳很厚,成分是混凝土。整个密封结构是圆柱形的,并且有个半球形的顶。随着操作环境和服役条件的变化,这个密封结构可能老化,为了保证结构性能极其密封性,需要对其进行检测。IRSN资助了一个研究项目,这个项目的主要工作是研究混凝土墙中裂纹的检测方法[6]。

3 航空

Figure5 Phased array system in EADS

在航空领域,EADS军用飞行器是用来评价超声设备及其耦合情况的系统,这个系统主要用来进行老旧飞机的维护,它的应用集中于碳纤维复合材料结构及其腐蚀问题的检测[7]。传统的检测方式是使用X/Y扫查器以及一个单探头做单线扫查,这种检测方法速度慢而且是不能移动的。对于双曲面的飞机结构来说,普通的呈条形排列的并且拥有一个大而平的底面的阵列的检测效果并不好,还可能对飞行器表面造成损害,但是被检工件表面的耦合依然是必须的,因此需要使用一个柔韧的耦合系统,并且使用软楔块。在这个应用中,在柔软的隔膜表面和阵列表面加上了水延迟块,柔软隔膜表面是和被检结构的凹凸程度相吻合的。

Figure 6 Inspection result using TESI

UDRI的工程师开发了一种全自动相控阵系统来检测美国空军的涡轮喷气式发动机部件中的缺陷[8]。这个系统使用了不同工业领域的先进技术,它由以下部件组成:一个六轴机械手、自动探头切换装置、旋转式水槽、数字相机成像系统以及超声相控阵系统。这个涡轮引擎主动维护系统(TESI)有以下创新性:机械的准确度、圆柱形的旋转水槽、探头的切换能力、超声相控阵探头和设备、防碰撞系统、图形用户界面。

4 航天

在航天领域,NASA开始利用超声相控阵技术替代射线来检测航天飞机主引擎的接管焊缝[9],另外还用超声相控阵技术检测德尔塔4型运载火箭以及航天飞机的外箱体。未来,欧洲阿丽亚娜运载火箭各级将通过焊接技术结合在一起,利用超声相控阵技术检测焊缝缺陷是一个理想的解决方案。

Figure7 Aerospace materials inspection using phased array ultrasonic

5 铁路

在铁路应用方面,2006年7月,美国交通部发布了《超声相控阵在钢轨缺陷检测中的应用》研究报告[10],这个项目是由联邦铁路管理机构(FRA)和美国铁路协会(AAR)共同赞助的,该项目旨在验证能够检测钢轨内部缺陷的无损检测技术。该研究报告的第一部分首先验证了利用超声相控阵技术检测横向缺陷的可行性。通过研究发现,在使用线性阵列的情况下,利用超声相控阵技术对轨头横向缺陷的定量是可靠的。该研究报告的第二部分主要讨论了哪种相控阵探头最适合轨头缺陷的定量。在文章的最后部分认为在铁路运行的情况下,在FAST机构的现场进行相控阵检测是可行的。

RAILECT是一个欧洲公司和研究机构参与的项目,开始于2008年,该项目的目的在于开发一种超声检测方法、传感器和系统来对铝热钢轨焊缝做体积检测[11]。该项目的内容包括开发和验证不同位置缺陷的超声模型,开发一个包含超声相控阵和常规超声技术的多探头检测系统以及相关的分析软件。在该项目中Kaunas技术大学的超声学院利用CIVA软件做了大量的仿真工作,并将结果发表在ULTRAGARSAS杂志上,该项目的另一个参与方KCC公司开发了相应的数据分析软件,这个软件能够帮助维护人员快速找到缺陷的位置并判定缺陷的严重程度。