中国电建集团核电工程公司 侯卫师

核电站核级部件的无损检测要求直观、可记录、结果便于保存。相控阵技术检测效率和灵敏度高，适用于复杂结构检测，检测图像可视化，具有实时检出和评定缺陷的优点，试验数据可存储，因此在核电施工及在役检测中应用成为可能。

常规超声波检测由于定位准确、对面积型缺陷检测灵敏，在工业检测中得到广泛使用。但检测结果不直观、定性差、检测过程无法记录，且检测结果与检测人员的技术能力及责任心相关，因此在核电建设中因可追溯性差而应用较少。超声相控阵检测技术采用了声束的角度扫描和动态聚焦等技术，使检测效率和灵敏度得到提高，且可满足复杂结构检测的需求，而且由于检测图像可视化，因此具有实时检出和评定缺陷的优点，并且检测图形可记录，便于实现信息的追溯，因此在核电工程检测中应用成为可能。

1 相控阵超声检测原理及优点

1.1 相控阵超声检测原理

惠更斯原理：球形波面上的每一点（面源）都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面。

相控阵发射：多个换能器阵元按一定形状、尺寸排列，构成超声阵列换能器，分别调整每个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟（以计算机产生一系列不连续的时间延迟激发探头阵列），使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而形成发射聚焦和声束偏转等效果。

相控阵接收：换能器发射的超声波遇到目标后产生回波信号，其到达各阵元的时间存在差异。按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿，然后相加合成，就能将特定方向回波信号叠加增强，其他方向的回波信号减弱甚至抵消。同时，通过各阵元的相位、幅度控制以及声束形成等方法，形成聚焦、变孔径、变迹等多种相控效果。

1.2 相对常规检测（UTRT）优点

不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段；大多数现代的相控阵仪器有校准向导，这有助于快速而准确的校准多角度或者同步扫描，同时用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度；优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性；可以在不同的角度探测同一个缺陷，从而提交缺陷的检测概率而不需考虑这些缺陷的方位。

能够以各种标准的显示格式（A扫、S扫、C扫、D扫）来绘制返回信号数据；与常规超声检测技术相比，采用超声相控阵检测技术可以实现在有限的范围内，使用较少的探头完成检测区域的全面扫查；通过成像技术提供大量的直观信息，准确检测出工件内的缺陷信息，直接而且准确地反应工件的声学和力学性质；实现了超声波检测的可记录性。

1.3 相控阵超声技术的局限性

相控阵仪器及配套探头软件比常规仪器贵10～20倍，需要拥有计算机、成像及超声方面知识复合型人员，数据分析会非常耗时。

2 相控阵检测技术应用案例

管道环焊缝检测。相控阵超声检测技术已被广泛用于输油管道、海洋石油平台、火电受热面管道焊缝、动力管道环形焊缝。以管道环形焊缝为例，通过调整相控阵探头的扫查角度、探头距焊缝中心长度等参数，使相控阵超声波声束覆盖整个焊缝，实现了焊缝检测的全覆盖。

叶根检测。目前对叶根的无损检测方法：磁粉检测、涡流检测只能检测根部端面2mm左右纵深的区域；渗透检测只能检测根部端面开口型缺陷；叶根沿转子轴向厚度太大，射线检测也无法进行；传统超声检测灵敏度达不到要求，无法实现检测区域的全覆盖。相控阵技术可以通过施加不同的延迟法则，实现对叶根全体积的检测。

压力螺栓的检测。压力螺栓在螺纹根部易产生裂纹缺陷、造成螺栓的断裂，现有的无损检测方法为渗透、超声波检测。由于螺纹形状特性，造成渗透检测过程中难以对缺陷形成有效的判定，致使漏检率增大。超声波检测对螺纹的回波与缺陷波混杂在一起难以判定。相控阵技术具有较高的缺陷分辨率，可以更好的反应齿根裂纹缺陷。

目前核电常规岛无损检测现状：目前核电常规岛碳素钢或低合金钢管道环形焊缝主要采用射线检测，有时辅以常规超声波检测方法，在检测过程中存在明显的缺点和局限性，主要体现在：射线检测效率较低；工业射线对人体有害；一定范围内因辐射影响无法多点施工，检测能力不足；常规超声波检测无法得到缺陷直观图像，定性困难，检测结果无可记录图像、无法为后期的质量验证提供数据。

3 相控阵技术验证

为了进一步验证相控阵技术的可靠性，分别进行了试验室验证、现场实际焊缝验证。

3.1 试验室验证

通过采购××模具厂制作焊缝自然缺陷试块，和现场加工含缺陷焊缝分别进行射线检测及相控阵超声检测分析。

购买模具厂加工的焊缝自然缺陷试块编号G05 13195，规格Φ159×300×8，材料为20#，焊接方法为手工电弧焊，内埋气孔、夹渣、未焊透缺陷，分别进行相控阵超声检测、射线检测。通过对厂家出具的检测报告、以及相控阵超声检测、射线检测结果：G05 13195试件中三个缺陷，相控阵、超声波全部检测出，但相控阵、超声波数据有差异。而射线检测仅检测出气孔和未焊透2项。在对缺陷的检出个数上相控阵超声检测优于射线检测、与数字超声波相当，但相控阵对缺陷直观显示强。

为了更好验证相控阵超声检测技术的可靠性，现场加工Φ273×30的含缺陷管件，内埋气孔、夹渣、未焊透缺陷，分别进行相控阵超声检测、超声波、射线检测。检测结果：射线检测、超声波、相控阵检测缺陷数量分别为18、20、23；最小缺陷。射线检测为1.5、超声波为2.1、相控阵检测为1.9；最大缺陷。射线检测为15.3、超声波15、相控阵检测为16.4。

3.2 现场实际焊缝验证

为了更好地对相控阵检测进行分析和统计，在XX5号机组进行相控阵技术现场验证工作，随机从现场已检焊缝（射线检测）抽检17只进行相控阵试验与常规射线检测比对。抽检焊缝规格涉及Φ168×7、Φ168×12.5、Φ219×9、Φ335.6×17.5、Φ323×16、Φ406×22.2、Φ457×14.2、Φ559×14.2七种规格。

3.2.1 缺陷检出率

通过对现场随机抽取的17只焊口进行检出缺陷统计分析，缺陷检出结果：在圆形缺陷的检出率方面，射线检测共发现31个、超声波发现45个，而相控阵检测发现47个；咬边。射线检测发现3个、相控阵检测发现2个、超声波检测发现3个；内凹缺陷。射线检测发现1个；夹潭。相控阵超声检测发现1个。通过以上数据分析，相控阵超声检测对缺陷的检出率略高于常规射线检测及超声波检测。

3.2.2 缺陷尺寸对比

对射线检测、相控阵检测对不同类型最大缺陷尺寸的统计对比结果：射线检测发现的最小圆形缺陷大小为1mm（分别在5ARE-042-P1、ADG-010-W0105、GCT-117-P7三道焊缝上），相控阵发现的最小缺陷为1mm（ADG-010-W010）。检出缺陷的最小尺寸均为1mm，超声波发现的最小缺陷为点状（ADG-010-W010，5GCT-117-P7）。在发现缺陷的最小尺度上大体相当。

在缺陷定量方面，相控阵发现的缺陷较射线探伤定量大一些，根据分析，与波的传有关；在缺陷的检出方面，相控阵检出的缺陷较射线多。

大体上，对缺陷的识别相控阵超声检测与射线检测基本一致。

4 结语

通过试验室验证和现场实际焊缝相结合进行相控阵超声检测试验验证结果，在缺陷的检出率以及最小缺陷的检出尺寸方面，相控阵超声检测能检出大部分缺陷，优于常规超声波检测。在检测效率方面，相控阵检测不受时间、空间制约，检测效率明显高于射线检测。相控阵超声检测数据的可记录性满足试验结果可追溯性的要求，相控阵对缺陷测长较超声波检测准确。相控阵超声检测技术可以运用到现场实际焊缝检测活动。局限性：目前相控阵仪器和探头价格较贵，检测成本较高。