相控阵全自动超声波检测技术在西气东输工程中的应用

　　1　前言

　　西气东输工程是国内第一个将全自动超声波技术应用到工程实际中的重大工程,但由于设备引进之后很快便投入了工程的应用,许多单位的检测人员来不及进行系统的培训,对相控阵AUT设备硬件的工作原理和相控阵检测技术的原理缺乏了解,无法解决工程中的一些实际困难。日前国内已有一些学者对相控阵AUT技术进行过介绍,但AUT技术作为超声波检测技术的一项应用,在引入相控阵技术之后,随着集成电路技术的发展,相控阵AUT系统无论在设备的硬件方面,还是在控制系统的软件方面,与传统手动超声波检测技术相比(包括目前一些数字超声波检测设备),都有了一个质的突变。因此,本文将结合笔者一年多来对R/D Tech公司的AAIX042A型设备的了解和该设备在西气东输工程的使用情况,介绍该设备的工作原理,重点介绍相控阵技术的原理,并结合实例简要介绍西气东输工程中全自动超声波检测的一些关键参数,以供大家讨论。

　　2　全自动超声波检测技术的发展

　　从20世纪90年代初期开始,欧美一些技术公司就着手开发全自动超声波检测设备,具有代表性的公司有荷兰RTD公司、美国SHOW公司以及加拿大的R/D Tech公司等,到90年代末期这些公司代表产品主要是多探头结构的超声波检测系统(见图1)。多探头超声波检测系统探头盘比较笨重,对不同工件适应性较差,根据工件壁厚的差异一般需要配置10～30个以上的探头。90年代末期,R/DTech公司研制出了体积较小的相控阵超声波检测系统(见图2)。相控阵超声波系统与多探头超声波系统主要区别是探头的结构不同,它采用了特制的相控阵探头,探头根据不同需要将多个晶片排列在里面,每个晶片相当于一个普通探头,因此,该系统探头盘重量相比多探头系统大大减小,最主要的是在不改动或较少改动的情况下,同一组探头可以适应不同管径、不同壁厚工件检测的需要。相控阵AUT系统与多探头AUT系统性能比较如表1所示。因此相控阵AUT技术与多探头AUT技术相比具有较强的适用性,必将成为全自动超声波检测技术的一个发展方向。

　　3　相控阵全自动超声波工作原理

　　相控阵全自动超声波检测技术实际上是利用电子技术来控制超声波声束的合成来实现不同角度、不同方位的声束,以达到用同一探头实现对不同规格、不同尺寸工件探伤的需要。相控阵AUT原理,都是围绕晶片的延迟时间来进行的,相控阵探头中的每一具晶片被独立地激发并根据需要被施加不同的延迟时间,使合成声束达到改变聚焦角度和聚焦范围的目的。晶片的延迟时间决定了聚焦声束的大小、聚焦范围、闸门大小,晶片的尺寸决定着声束可变角度的范围。理论上相控阵技术可以使超声波声束角度任意可调。实际上为了避免温度、声速等的影响,最大声束角度一般不大于70°。图3是R/D Tech公司的AAIX042A型设备在西气东输工程应用中探头的一些选择参数,晶片半扩散角如图4所示。