超声相控阵技术无损检测领域的应用(1)

相控阵技术应用领域
–化工：新疆独山子石化、云南大为 –制造业：一重、二重、上海锅炉厂、上海森松等 –冶金：宝钢、兴澄特钢、石钢、沙钢、南钢、北钢等 –特种设备：中国特检中心、合肥通用所、江苏特检、浙江特检、 天津特检、杭州特检、武汉锅检、广州锅检、山东锅检等 –院校：北京航空航天大学、南京航空航天大学、北京理工大学、 南京 工业大学、华中科技大学、西安交通大学、天津大学等
传统无损检测技术的局限性
常规超声（UT）的局限性（2）：
– 成像单一：常规超声只有简单的A扫描，不能可靠反映出缺陷的整体 特征，缺陷定性能力差； – 无法存储检测数据：常规超声不能完全存储检测数据，不能进行离线 分析和数据回读； – 应用范围小：常规超声只能对几何形状简单的工件进行检测，对诸如 角焊缝、搭接焊缝等复杂的结构检测时，几何反射信号会干扰操作人 员对检测结果判断的准确性。
4 6 4 5 2 9 2 8 1 6 7 2 1 5 2 7 4 3 4 4
– 1维 环形阵 – 2维 扇形阵
5 1
3 3
1 9
9
6
1 4
2 6
4 2
5 1 2 2 3
1 3
2 5
4 1
6 1
5 3
3 5
2 1
2 4 3 9
4 0
6 0
5 9
3 8 5 8 5 7
X = -4 .4 , Y = -4 .4
相控阵技术应用领域
相控阵技术几乎涉及到国内所有无损检测领域，包括： –航空：黎明、航空动力机械、成飞、西飞、哈飞、昌河飞机等 –航天：航天四院、航天二院、航空材料研究所、东安发动机厂 –核工业：武汉核动力运行研究所、核动力设计研究院、上海锅炉 厂、哈动力 –船泊：江南造船厂、渤海船舶重工、中国船舶工艺研究所 –兵工：江麓机械厂、重庆铁马、山西柴油机厂 –电力：华北电科院、河北电科院、江苏电科院、浙江电科院、东 北电科院、辽宁电科院、天津电科院 –石油：中海油、中国石油天然气管道公司、四川石油管理局、大 庆石油管理局等
传统无损检测技术的局限性
射线检测（RT）的局限性（1）：
– 安全性低：射线对人体有伤害，化学药剂对环境有污染； – 检测速度慢：射线检测需要经过拍片、洗片和评片等多道程序，检测 效率低。另外，射线检测时需要清场，影响其他部门的作业； – 缺陷检出率弱：射线只对体积型缺陷（如气孔）敏感，而对于对黑度 影响不大但危害性严重的面状缺陷（如未熔合、裂纹等）的检出率很 低； – 缺陷定量能力差：射线仅能确定缺陷的长度，而不能确定缺陷的埋藏 深度和自身高度； – 无法实现过程控制：由于射线不能实时成像和获得检测结果，因此不 能实现过程控制；
相控阵脉冲发射/接收
相控阵三维视图
VC-TOP(C) VIEW
Scan axis Scan axis
Index axis
Index axis
Usound axis
Index axis
Scan axis
VC-END(D) VIEW
Usound axis VC-SIDE(B) VIEW
超声相控阵技术典型应用
相控阵技术与常规NDT技术的对比
传统无损检测技术的局限性
常规超声（UT）的局限性（1）：
– 检测速度慢：以焊缝检测为例，常规超声需采用多种角度探头进行栅 格扫查，如进行自动检测，扫查装置复杂； – 检出率低：由于焊缝中缺陷的走向和特征各异，常规超声只能发现反 射效果较好的缺陷； – 定量精度低：常规超声通常依靠波幅法进行缺陷定量，但波幅受缺陷 的走向、性质、位置等多种因素的影响，因此依靠波幅定量缺陷非常 不准确； – 检测结果受人为因素影响大：检测结果受操作人员职业素质，技术水 平和工作经验等多方面因素的影响，不同的操作人员对同一个工件进 行检测可能会得出不同的检测结果。
波束形成
• 每一个晶片的激发时间可以 单独控制，产生的球面波在传 播过程中波前相互叠加。如果 所有晶片的激发时间都相同， 形成的波阵面为纵波。
电子扫查


探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。 通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。 扫查宽度局限于: – 阵列中晶片的数量 – 采集系统支持的通道数量
焊缝检测-线性扫查
焊缝检测-扇形扫查
全自动超声相控阵焊缝检测
T型焊缝扫查
厚壁压力容器焊缝检测
法兰盘腐蚀检测
插管焊缝检测
螺栓检测
涡轮燕尾槽/转子检测
螺纹检测
完好工件
有缺陷工件
异种金属粗晶材料焊缝检测
TRL PA探头
腐蚀检测
动态深度聚焦厚壁工件检测
Mechanical Displacement
传统无损检测技术的局限性
磁粉（MT）的局限性：
– – – – –
只能检测表面或近表面缺陷； 只能探伤铁磁性材料，如铁、钴、镍及其合金； 不适用于奥氏体不锈钢的检测； 不能确定缺陷的自身高度； 无法存储检测数据；
传统无损检测技术的局限性
渗透（PT）的局限性：
– – – – –
只适用于检测材料表面开口缺陷； 所用试剂有一定的毒性； 要求工件表面光洁度高； 不能检测多孔性材料； 检测数据不能保存；
传统无损检测技术的局限性
射线检测（RT）的局限性（2）：
– 检测成本高：射线检测需要消耗底片、药液，现场需要进行防辐射保 护，检测周期长，都会增加检测成本； – 数据存储要求高：与超声检测相比，射线底片的存储则需要更多的空 间和保护措施 。 – 现场检测操作不方便：射线设备笨重，不适于空间有限的部位检测
超声相控阵技术 在无损检测领域的应用
概要
相控阵技术
相控阵技术与传统NDT技术对比
超声相控阵技术应用
超声相控阵技术背景 超声相控阵工作原理 超声相控阵在无损检测中的应用 超声相控阵技术的优点
超声相控阵技术背景
超声相控阵技术最早应用于军用雷达。 现在医院里采用的B超也是基于相控阵技术。 加拿大OlympusNDT公司（即以前的R/D
5
9
1 3
1 7
2 1
2 5
2 9
X = -3 .9 , Y = -1 .9 - -> X = 3 .9
相控阵探头类型
Y = 4 .4
Y = 6 .5
2 1
3
4
5
7 6
1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8
• 圆形阵
4 7 4 8 3 0 4 9 5 0 3 1 1 7 3 2 1 8 8 3 1 5 2 3 4 2 0 1 0 4 1 1 2 2 5 4 3 6 3 7 5 5
Tech）最早将
相控阵技术引入到工业无损检测领域。 目前在世界范围内有超过1000台超声相控阵系统正应用于 不同无损检测领域，包括电厂、石化、船舶、航空航天、工 业在线、锅炉压力容器、长输管线等。
超声相控阵定义
通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片
的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位 置和焦点尺寸。
Beam displacement
FOCUS DEPTH (PULSER)
DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
c = velocity in material
非DDF
DDF
超声相控阵技术优势




实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读； 相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具 备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快； 相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现 的功能，如对复杂工件的检测； 容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度高； 扫查装置简单，便于操作和维护； 检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用 。
波束偏转
Direction of energy
• 波束偏转是通过软件 控制每一个晶片激发的 延时使波阵面沿特定角 度传播来实现的。
波束聚焦
Focussed to cross at this point
• 波束聚焦是通过软件控制 每一个晶片的触发时间使波 前在指定的位置进行叠加实 现的。焦点尺寸取决于所用 晶片的大小和数量。
相控阵探头类型
Y = 8 .0
1
2
3
4
5
6Leabharlann Baidu
7
8
9 1 0 1 1 1 21 3 1 4 1 5 1 6
线形阵 1维 线形阵 2维 矩形阵
Y = 1 .9 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2
3
7
1 1
1 5
1 9
2 3
2 7
3 1
2
6
1 0
1 4
1 8
2 2
2 6
3 0
1
X = -7 .9 , Y = -8 .0 - -> X = 7 .9
- ->
X = 4 .4
5 6
X = -6 .5 , Y = -6 .5 - -> X = 6 .5
相控阵探头设计参数

相控阵探头晶片由复合 材料制成，比常规压电 陶瓷材料探头的信噪比 高10-30dB。
将复合材料用机械方 法切割成若干个小晶 片，每个晶片都可以 单独激发。

相控阵扫查类型
•线形扫查：阵列中每组晶片都使用相同的聚焦法则。 •扇形扫查：使用同一组晶片，但聚焦法则不同。 •动态深度聚焦：通过硬件随时改变接收晶片的聚焦法则实现的。