第二章 相控阵检测技术 (2).pdf

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1、三峡大学 材料与化工学院 主讲人：侯东芳 无损检测新技术及应用 内容 大纲 第一章 绪论 第二章 相控阵检测技术 第三章 TOFD检测技术 第四章 声发射检测技术 第五章 红外热成像检测技术 第六章 其他无损检测新技术 第二章 相控阵检测技术 The Second Chapter 1. 超声相控阵技术的发展历史 120世纪30年代 1937年，美国率先开始相控阵技术的研究，并于20世纪50年代 中期应用于舰载相控阵雷达。 220世纪50年代 受相控阵雷达技术的启发， 1954年，开始提出超声相控阵技术， 并逐步在医学人体超声成像方面得到了较成功的应用。 320世纪90年代 随着电子技术和计算机

2、技术的快速发展，20世纪90年代，超声 相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。 综述及国外研究进展 近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转声束偏转及聚聚 焦性能焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳 秒级脉冲信号控制、数据处理分析、软件技术和计算机 模拟等多种高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应 用。使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用 于工业无损检测。 目前，在国外，以相控阵超声检测技术为代表的新 型管道全自动超声检测仪已经进入实用阶段，代表了管 道焊缝检测技术的发展方向。90年代末，加拿大R/D TECH公司首先将相控阵检测技术应用于管道探伤领域， 开发了相控阵全自动超声

3、检测系统。 相控阵国内研究进展 2000年8月由中国石油天然气管道科学研究院等单位组成了研究开发实 体，于2001年5月在中国石油天然气集团公司申请立项了“大口径环焊 缝相控阵超声波无损检测设备研制”科技开发项目，并于2003年3月顺 利通过了中国石油天然气集团公司的鉴定，该项目的研制成功填补了 国内空白，达到了国外同类产品的水平。 相控阵技术目前在国内真正做到大量应用的尚只有西气东输工 程，在航空系统和核工业系统等一些部门也有少量的应用； 西气东输：2000年9月在青海湖畔的实验段中，引进的 PipeWIZARD相控阵全自动超声检测系统。2001年，从西气东输 一标段的实验段，截至一标段主体

4、管线完工时，实际检测了焊 缝6919道，其结果和射线底片结果的符合率达80以上，还检 出了大量在射线底片上不明显的未熔合缺陷； 科研院所：清华，天津大学，西安交大，大连理工，上海交通 大学； 实验室的相控阵仪器：OminiScanOminiScan 相控阵的优点 探头尺寸更小； 检测难以接近的部位； 检测速度快，检测灵活性更强； 可实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的检测 ； 通过局部晶片单元组合对声场控制，可实现高速电子 扫描，对试件进行高速，全方位和多角度检测； 由于以下因素可以节约系统成本： 探头更少 机械部分少 2. 超声相控阵检测原理 常规的超声波检测技术通常采用一个压电晶片产生超声波。

5、一个压电晶片只能 产生一个固定的声束，且传递方向和方式不能改变。 超声相控阵检测技术的关键是相控阵超声波探头由多个小的晶片按照一定的序列组成， 检测时，按照预定的规则和时序对探头中的一组或全部晶片分别进行激活按照预定的规则和时序对探头中的一组或全部晶片分别进行激活，即在不同 的时间内相继激发探头中的多个晶片，每个激活晶片发射的超声波束相互干涉形成新的 波束，并通过软件调整，新的波束的角度、焦距、焦点尺寸等均可根据检测需要予以并通过软件调整，新的波束的角度、焦距、焦点尺寸等均可根据检测需要予以 改变。改变。 详见教材第16页 超声相控阵检测技术的特点 （1）生成可控的声束角度和聚焦深度 （2）可

6、对试件进行高速、全方位和多角度检测 （3）不移动探头或尽量少移动探头 （4）通常不需要复杂的扫查装置，不需更换探头 （5）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。 超声相控阵系统组成超声相控阵系统组成 延时和聚焦 详见教材第17页 脉冲发射和回波接收时的声束和 时间延迟（同相位、同振幅） 相控阵波束发射 相控阵波束接收 3. 3. 超声波相控阵探头 超声相控阵超声相控阵换能器换能器的原理的原理: : 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。 换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，每个晶片称 为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各

7、个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的 波阵面。 同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接 收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式 显示。 详见教材第24页 典型的相控阵探头内部结构 同轴电缆 压电晶片 衬块 晶片连线 匹配层压电晶片 金属镀膜 阵列探头阵列探头的的种类种类: : 线阵列探头 Example of angled beam generated by flat probe by means of variable delay Example of focused linear scan beam Electronic linear scan (B-

8、scan) image showing relative hole position and depth across the length of a linear array The sound beam sweeps through a series of angles to The sound beam sweeps through a series of angles to generate an approximately cone-shaped cross-sectional generate an approximately cone-shaped cross-sectional

9、 image. It should be noted that in this example, by sweeping image. It should be noted that in this example, by sweeping the beam the phased array probe is able to map all three the beam the phased array probe is able to map all three holes from a single transducer position.holes from a single trans

10、ducer position. 4. 相控阵声束扫描模式 （1）线性扫描 （2）扇形扫描 （3）深度聚焦扫描 （1）线性扫描 激活晶片组 （2）扇形扫描 超声相控阵扇形扫描 传统超声波焊缝扫查 （3）动态深度聚焦扫描 超声相控阵动态深度聚焦扫描 传统超声波聚焦探头 扇形扫查和线形扫查结合 动态深度聚焦扫描检测图像 Mechanical Displacement c = velocity in material FOCUS DEPTH (PULSER) DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER) Beam displacement 扫查方向 声 束 方 向 5. 超声相控阵检测的基本

11、组成 详见教材第21页 6. 超声相控阵检测技术的扫描模式 详见教材第29页 （1）相控阵双向和单向扫描模式 详见教材第29页 （2）相控阵线性扫描模式 详见教材第30页 （3）相控阵偏向扫描模式 详见教材第30页 （4）相控阵螺旋和螺线扫描模式 详见教材第30页 （3）相控阵偏向扫描模式 详见教材第30页 7. 超声相控阵检测技术的图像显示 详见教材第31页 （1）A扫描视图 （2）B扫描视图 （3）C扫描视图 （4）D扫描视图 1 2 3 TOFD技术D扫描视图（焊缝根部未熔合） 详见教材第32页 使用超声相控阵探头探伤主要是利用安的声束角度可控和可动态聚集两大特点。 详见教材第32页 9

12、. 超声相控阵检测技术的工程应用 在核工业的应用 在核动力装置及设备中，厚壁工 件、粗晶材料和复杂形状工件多， 设备和管道中某些焊缝可达性及 可检性差而申请免检多。 此时，应用相控阵技术可提高检 测效率，减少辐照时间，扩大超 声检测 应用范围，取得显著 的经济效益和社会效 益。 超声相控阵检测技术在海洋平台 结构环焊缝检测中的应用（1） 对海洋平台结构特殊构件环焊缝 检测，规范允许使用10%20% 射线检测和100%的超声检测。 但由于射线探伤效率太低，而且 还必须具备现场射线防护措施， 所以在工程中应用不是很方便； 虽然海洋平台结构的超声检测不 需防护措施，但手工超声探伤存 在重复性和可靠性

13、方面的问题。 9. 超声相控阵检测技术的工程应用 （1）汽轮机转子检测 汽轮机转子分类 套装套装整锻整锻焊接焊接组合组合 套装转子：部件单独铸造，用热套工艺加工 轴轴 轴套轴套 叶轮叶轮 联轴节联轴节 键键 套装转子 整锻转子：主轴和叶轮应用整体毛坯加工而成 加工中的整锻转子 焊接转子：若干实心轮盘、端轴单独铸造，然后焊接加工 焊接转子 组合转子：高压部分整锻，中、低压部分套装 组合转子 （1）汽轮机转子检测 涡轮叶片根部的扇形扫查 涡轮焊接转子检测 （2）窄间隙对接焊接接头坡口缺陷检测 与检测面垂直或近 似垂直的缺陷 与检测面垂直或近 似垂直缺陷的检测 （3）电站锅炉管座角焊缝检测 安放式角

14、焊缝插入式角焊缝 电站锅炉角焊缝的结构形式 占多数 t 管座角焊缝常规超声波检测的技术难点及问题 电站锅炉接管座角焊缝相控阵超声波检测案例 电站锅炉接管座角焊缝相控阵超声波检测案例 详见参考文献 （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比 检测对象 相控阵超声波检与射线检测工艺 （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比 双壁双影透照方式 （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比 （4）小口径管对接焊接接头相控阵检测与射线检测对比 第二章 相控阵检测技术 详见参考文献 总结与回顾 1. 超声相控阵技术的发展历史 2. 超声相控阵检测原理 3. 超声相控阵检测探头 4. 超声相控阵声束扫描方式 5. 超声相控阵检测系统的基本组成 6. 超声相控阵检测技术的扫描模式 7. 超声相控阵检测技术的图像显示 8. 超声相控阵检测技术的优点和局限性 9. 超声相控阵检测技术的工程应用 Any Question? 答疑时间