陈杨新

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院南昌分院，江西 南昌 330006）

传统的检测技术在准确性方面存在一定不足，其应用价值逐渐低落，被超声波相控阵检测技术取代已经成为必然发展趋势。将该技术应用于承压特种设备焊缝检验并充分发挥其优势，可以实现焊缝全覆盖检测，有利于及时发现焊缝中存在的各种内部缺陷，对增强检验结果准确性、切实提高检测质量具有积极影响。

1 超声波相控阵检测技术应用原理与优点

1.1 含义与原理

超声波相控阵检测技术的思想来源是雷达电磁波相控阵技术，后者通过控制排成阵列的辐射单元相位与幅度调整电磁波辐射方向，以此实现快速聚焦扫描的目的。与此相似，超声波相控阵检测技术利用单一晶片探头激发超声波，由于超声波在同一传播方向上角度不变，所以在应用该技术开展检验工作时，应注意角度的调整，避免出现漏检问题。

1.2 优点与特征

经过试验证明，超声波相控阵检测技术的特征表现为波束偏转与波束聚焦两方面，图1左侧表示波束偏转，右侧代表波束聚焦。其应用优势主要包括以下几点：第一，生成的波束角度与聚焦深度具有可控性；第二，能够对从全方位、多角度对设备进行高速检测；第三，在检验过程中既不需要移动和更换探头，也不必采用复杂装置；第四，控制聚焦范围与波束方向的能力比较强，有利于提高缺陷检出率，降低设备故障发生率。

图1 超声波相控阵检测技术特征表现

2 超声波相控阵检测技术在承压特种设备焊缝检验中的应用

2.1 科学选择探头

超声波相控阵检测技术对探头质量要求较高，因此为了确保该技术在承压特种设备焊缝检验中充分发挥自身功能优势，必须科学选择探头。首先，需要对探头的晶片阵列进行选择，目前应用价值比较高的阵列主要有线性、矩形、环形等几种，其中使用范围最广的是线性阵列。其次，确定并调整探头频率，频率越高，探头的灵敏度越高、分辨力越强，检验结果越真实，但在实际使用过程中需要根据焊缝所处设备的材质确定频率，具体可参考：晶粒细的碳钢频率范围是2.5～5（MHz），晶粒粗的不锈钢焊缝频率区间为1～2.5（MHz）[1]。最后，保证探头尺寸的合理性，对于壁厚焊缝，可以选择尺寸较大的探头，原因是其包含的晶片数量较多，能够利用聚焦法则一次性激发多组功能不同的波束，焊缝检验的覆盖范围比较广；对于壁薄且不平整的焊缝，为了突破空间与形状的限制，应选择尺寸相对较小的探头。

2.2 应用声束模拟软件检测

特种设备焊缝检验区域主要包括焊缝内部、邻近区域、热影响区，为了保证超声波相控阵检测技术发出的波束有效覆盖所有被检区域，应采用声束模拟软件对波束传播进行模拟，以此实现提高超声波相控阵检测质量的目的。Setup Builder声束模拟是目前应用性较强的一款软件，以理论声学公式为基础，对不同型号换能器在不同环境与工艺条件下产生的波束进行计算，为检验工作提供参数支持，充分发挥该软件的作用，对改善波束信噪比与增强穿透力具有重要意义。

2.3 结合实际情况采用不同扫查法

在应用超声波相控阵检测技术对特种设备焊缝进行检验时，应根据实际情况选择扫查法。现阶段比较常用的扫查法主要是分区扫查与线性扫查：第一，分区扫查法是指将焊缝分为若干分区，对每个分区的高度进行控制，针对每个分区安排一组超声波波束，基于焊缝坡口角度确定波束检测角度，以此完成焊缝检验工作；为了确保分区扫查效果，通常会采用专用校准试块进行控制，根据不同材质、不同直径、不同壁厚的特种设备选择针对性较强的试块，为提高焊缝检验工作质量提供支持[2]。第二，线性扫查是指沿着特种设备焊缝做直线运动，在应用线性扫查法时，超声波波束的主要面向对象的整个焊缝被检区域，相较于传统的锯齿形扫查法，线性扫查法覆盖的区域更广；另外，该扫查法需要利用多个探头进行焊缝检验，但因为运动方向单一且操作方式简单，因而可以将其与自动化技术相结合，如此既能提高超声波相控阵检测效率，又能优化人力资源配置，对减少人为操作失误、规避漏检现象具有积极影响。

2.4 基于实际确定工艺参数

为了提高超声波相控阵检测效果，检测人员在正式开展相关工作之前需要先综合分析实际情况，并基于此确定参数，目前对检测结果影响性较强的参数主要有波束类型、波束角度、激发的晶片数量、探头偏移、聚焦范围等。若想保证确定的工艺参数符合超声波相控阵功能充分发挥要求，检测人员还需要遵循以下基本原则：波束覆盖范围必须概括热影响区、检测区，以及除此之外的6mm区；利用经仪器对初步设置好的参数进行调校，确保可以成功通过认证试块认证；符合超声波相控阵检测标注规范中提出的其他要求。

检测人员在确定工艺参数时，可以借鉴以下方法降低影响因素的限制：第一，波束类型，面对晶粒相对较粗且材质为不锈钢的承压特种设备焊缝检测，检测人员需要采用纵波角度入射法，相较于传统横波波束的一次反射法，能够有效解决衰减严重、信噪比差等问题。第二，波束角度，在选定该角度范围时，检测人员要充分考虑承压特种设备焊缝尺寸等实际情况，基于此科学选择楔块，主要原因是波束角度一般在厂家推荐的楔块阈值内，为了保证检测效果，应尽量扩大波束范围，尤其是壁厚相对较大的焊缝，若是波束范围过小，便无法全面覆盖被检区域，会减弱检测结果的真实性。第三，激发的晶片数量与位置对检测结果影响性较大，被激发的晶片数量越多且位置正确，有效晶片的尺寸就会越大，极大程度上增强了发现远距离缺陷的能力，对扩大可聚焦范围、提高检测质量具有积极影响；正常条件下，晶片数量以16为最佳，其他情况可以根据壁厚、声波衰减系数适当增加或减少[3]。第四，探头偏移是指承压特种设备焊缝中心与探头前沿的距离，当焊缝存在余高时，必须保证探头偏移足够，这是避免因探头前沿压在焊缝余高上使其无法耦合的关键，对此检测人员要在保证覆盖被检区域的前提下，对探头偏移进行调节，促使被激发的晶片始终处于探头中间位置。第五，聚焦范围，超声波相控阵与常规超声波的不同之处在于前者可以实现波束的动态聚焦，当聚焦区域内的超声波能量较强时，检测设备的灵敏度与分辨力相对较高，因此针对尺寸较小的尺寸，检测人员要将聚焦范围设置在焊缝中间；对于某区域的特定缺陷，聚焦范围应集中于一点；面对壁厚逐渐增加的现象，可以先将焊缝划分为不同区域，再分别采用不同波束进行聚焦检测。

3 结束语

综上所述，超声波相控阵检测技术能够对设备进行全方位、多角度的高速检测，在控制聚焦范围、调整波束方向、检测缺陷等方面具有良好作用。因此为了确保该技术优势在特种设备焊缝检验充分发挥，必须科学选择探头、合理应用声束模拟软件并基于实际情况选择扫查法，以此弥补传统检测技术的不足。