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工業(yè)相控陣超聲檢測介紹—相控陣超聲檢測發(fā)展簡史及現(xiàn)狀

2011 年，筆者首次在北京機床展上目睹奧林巴斯展示的工業(yè)相控陣超聲檢測設備，當時初涉無損檢測行業(yè)的我，為其成像功能所震撼。然而，當我了解到其昂貴的價格，并發(fā)現(xiàn)相控陣儀器在焊接檢測中無法做到像在試塊上那樣獲取清晰的缺陷圖像時，我認為相控陣檢測或許只是一個概念，甚至是一個噱頭，至少在民用領域如此。

當時，A型數(shù)字超聲波探傷設備尚未全面普及，智能手機仍備受質(zhì)疑，電動汽車還被視為富人的玩具。時至今日，13 年過去，工業(yè)相控陣檢測早已不再是一個概念，隨著硬件和軟件的不斷發(fā)展，以及行業(yè)對檢測要求的日益提升，工業(yè)相控陣檢測的應用將越來越廣泛。

我們將推出工業(yè)相控陣超聲檢測專題系列，助力大家深入了解這一領域，敬請關注！

相控陣超聲檢測發(fā)展簡史及現(xiàn)狀History and Current Status of Phased Array Ultrasonic Testing

相控陣超聲技術是借鑒相控陣雷達技術的原理而發(fā)展起來的，相控陣雷達天線是由許多輻射單元排成陣列組成,通過控制陣列天線中各個單元上電流的幅度和相位,得到所需要的方向圖和波束指向,或者在一定的空間范圍內(nèi)合成靈活快速的聚焦掃描的雷達波束。

相控陣超聲技術初期主要應用于醫(yī)學領域，有關研究從上世紀50年代末60年代初開始，至80年代中期，醫(yī)學領域相控陣技術進入實用階段，主要是對人體組織進行成像（俗稱B超），另外，還可配套大功率超聲儀器，利用其可控聚焦特性使人體內(nèi)目標組織局部升溫熱療，并減少非目標組織的功率吸收。時至今日，醫(yī)學相控陣超聲技術在研發(fā)和應用上仍然領先于工業(yè)相控陣技術。醫(yī)學相控陣歷史上有過多次重大改進，包括使用軟件程序進行探頭優(yōu)化設計、波速預測計算、精確的波束位置計算、超高分辨率成像，以及用脈沖多普勒法進行流體流動速度評估等。

工業(yè)領域的超聲技術應用比醫(yī)學領域復雜得多，主要有以下原因：

1. ?醫(yī)學領域中超聲傳播的介質(zhì)是人體的組織，在這些組織中，超聲信號擁有基本一致聲速和聲阻抗，因而折射現(xiàn)象和波型轉(zhuǎn)換在界面處很少發(fā)生，這使得超聲信號的識別變得相對簡單；
2. 醫(yī)學領域中檢測的目標對象是人體器官或組織，其形狀結(jié)構的個體差異很小，這給信號分析的標準化工作帶來極大方便；
3. 人體表面是光滑、柔軟、連續(xù)的，所以耦合也比較好。缺陷的外形和幾何尺寸千差萬別、各不相同，給信號分析帶來很大難度；
4. 缺陷中的介質(zhì)與材料本體的聲阻抗往往相差極大，從而導致聲波往往不能穿透并在缺陷表面形成反射、衍射和波型轉(zhuǎn)換，材料中存在的聲波類型也極其復雜；
5. 市場相對較小、成本高等原因也是制約工業(yè)相控陣技術發(fā)展的重要原因。

90年代后期，隨著微電子技術、計算機等高新技術的飛速發(fā)展，促成了集相控陣信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)處理、顯示和分析等功能于一臺體積不大的電池驅(qū)動型便攜式相控陣儀器上實現(xiàn)，同時工業(yè)相控陣探頭設計和制造技術進一步完善，在歐美等國家，相控陣超聲逐步開始應用于石油天然氣長輸管線焊縫檢測、海洋平臺結(jié)構環(huán)焊縫檢測及核電站檢測等領域。2000年以后，工業(yè)相控陣技術應用的檢測對象和應用領域越來越多。

• 1998年美國發(fā)布石油天然氣鋼質(zhì)管道對接接頭多通道分區(qū)檢測標準（ASTME1961）；
• 2011年歐盟發(fā)布相控陣術語標準（EN16018）；
• 2012年國際標準化組織（ISO）發(fā)布關于焊縫檢測的相控陣方法標準（ISO13588）；

國內(nèi)在相控陣超聲檢測理論、相關技術及應用方面的研究相對滯后，始于2000年初，但近年來發(fā)展很快。

?2001年，西氣東輸天然氣管道建設過程中引進國外全自動超聲檢測（AUT）設備進行了多通道分區(qū)檢測，嚴格意義上屬于采用相控陣設備進行多通道分區(qū)的A+B型脈沖反射法超聲檢測和TOFD檢測，中石油同時配套制訂了SY/T0327-2003《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲波檢測》標準，后于2009年制訂了適用于在役管道的檢測標準SY/T6755-2009《在役油氣管道對接接頭相控陣超聲及多探頭檢測》。2002年，安徽理工大學研究了檢測管道焊縫的相控陣超聲儀器。2003年，清華大學設計實現(xiàn)了16通道相控陣超聲檢測實驗系統(tǒng)，研究了數(shù)字波形相位延時的原理和實現(xiàn)方法，達到了較高的發(fā)射延時分辨率。2005年，大連理工大學研究了相控陣超聲精確延時控制技術．完成了通道控制方案的設計。應用研究方面，2007年，中國特種設備檢測研究院在新疆獨山子石化1000萬噸/年煉油及120萬噸/年乙烯改擴建工程開展了將相控陣超聲應用于承壓設備焊接接頭；2009年，西南交通大學開展了將相控陣超聲技術應用于車輪輪輞探傷；2010年，北京航空材料研究所開展了將相控陣超聲技術應用于航空復合材料制品。相控陣檢測應用標準方面，航天一院制訂了QJ20045-2011《鋁合金攪拌摩擦焊相控陣超聲檢測方法》，2013年中國特檢院制訂了Q/CSEI01-《鋼制承壓設備焊接接頭相控陣超聲檢測》；2017年安徽電建一公司制訂了DL/T1718-2017《火力發(fā)電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規(guī)程》；2021年NB/T47013.15《承壓設備無損檢測相控陣超聲檢測》發(fā)布。在工業(yè)相控陣超聲檢測儀器研制方面，國外起步較早：1992年美國通用電氣公司（GE）研制出數(shù)字式相控陣超聲實時成像系統(tǒng)，實現(xiàn)完全可編程的數(shù)字式聲束形成；1994年，英國科學家Hatfield研制了可手持式操作的高集成度相控陣超聲系統(tǒng)；1998年，法國原子能委員會（CEA）研制了自適應聚焦超聲成像系統(tǒng)（FAUST系統(tǒng)），實現(xiàn)了更靈活、適應性更強的檢測；2000年，柔性相控陣探頭于法國研制成功，可用于不規(guī)則表面零件的檢測；2001年,加拿大R/DTECH公司研制出相控陣超聲管道檢測系統(tǒng)；2005年，GE與德國聯(lián)邦材料試驗研究所（BAM）、德國鐵路（DB）聯(lián)合研發(fā)用于檢測火車輪軸關鍵部位橫向裂紋的相控陣超聲系統(tǒng)。目前，國外具有成熟的商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司有Olympus、ISONIC、GE、ZETEC、M2M、SONATEST等公司。

國內(nèi)儀器研制方面起步較晚，系統(tǒng)開展工業(yè)相控陣檢測儀器的研制始于21世紀初：

2010年前后，汕頭超聲研究所和廣州多浦樂公司先后推出第一代商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品，2008年至2009年，多浦樂公司和汕頭超聲研究所先后設計制造出實用化的相控陣探頭，目前國內(nèi)具有成熟的商業(yè)化小型便攜式相控陣超聲檢測儀產(chǎn)品的公司還有汕頭超聲電子、武漢中科、深圳神視和南通友聯(lián)，國內(nèi)相控陣產(chǎn)品正在迎頭趕上，小型便攜機的技術水平已經(jīng)接近國際先進水平甚至部分性能指標已經(jīng)超出國外同類產(chǎn)品。