相控阵检测技术在海上压力容器检验的应用前景分析

摘 要 超神阵列换能器中的阵元在超声波相控技术作用下进行相位控制，得到灵活可控的合成波束，这种检测技术的主要特点是动态聚焦、成像、可检测复杂形状物体，其检测灵敏度、分辨力和信噪比和其他超声波检测技术相比的话更具优点，近年来，超声波相控阵技术被广泛应用于无损检测工作中，以往遇到的难题难点都能够轻松解决，是值得继续推广应用的。文章通过对相控阵技术特点、硬件发展、操作培训、适用标准及行业现状的介绍，分析了相控阵技术在海上压力容器的检验的应用前景。

关键词 无损检测；相控阵；压力容器

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0132-01

和陆地相比，海上压力容器要面对潮湿的空气、涌浪导致的震动，工作环境更加的恶劣，如果压力容器一旦发生爆炸或泄漏，将对平台人员的生命安全带来巨大威胁，同时也会对海洋环境造成污染，破坏生态环境，给国家财产带来损失。根据最新发布的《中华人员共和国特种设备安全生产法》有关规定，海洋设施和船舶使用的特种设备要依照本法和其他有关法律进行监督管理[1]，进一步强化了压力容器使用企业的主体责任，为海洋压力容器实施定期检验提供了法律依据。

近年来超声无损检测领域迅速发展了一种新技术就是超声波相控阵技术，开始是在20世纪60年代使用在军用雷达上，因为该系统复杂且制作成本很高，所以在工业无损检测方面的应用受到限制[2]。随着计算机技术的快速发展和压电材料的研制成功，超声相控阵检测成像技术在20世界80年代开始迅速的发展，美国许多工业的无损检测已经采用这种技术。面对国外先进的无损检测技术，我国的无损检测人员正在积极地学习国外技术，尤其是大量的引进超声相阵技术，在我国的无损检测技术中超声相阵技术崭露头角。

1 技术特点

常规的超声检测一般采用压电晶片产生超声波，但只能产生一个固定的波束，并且此波形是预先设定好的不能发生改变。超声波相控技术是通过控制超声控制换能器中的各阵元，形成活动的灵活光束，它的特点是具有动态聚焦、能够对复杂形状的物体进行城乡和全面检测的特点，相较于其他的检测方法，此种检测方法具有更强的灵敏度，分辨率和信噪比等诸多优点，近年来，无损技术的使用越来越广泛，以前许多无法解决的问题都通过无损检测技术解决了。

2 前景分析

2.1 技术优势

相控阵主要优点：①超声波束方向可自由变换，可以自由变换聚焦，对具有复杂结构件和盲区的位置实现检测；②局部晶片组合后对声场进行控制，是短线在告诉钟电子扫查，对试件进行速度、全方位多角度的检查，甚至探头固定不动，就能使超声波束进行扫查；③探头阵列单元的在相同冒称电压驱动下，相较于普通常规超声检测技术其聚焦区域的声场强度更大，同时也适用于声衰减严重的材料，对于声音衰减严重的材料可以采用更高的检测频率；④对比超声声束的尺，线性相控阵和普通单探头两者所产生的声束尺寸，其中线性相控阵多形成的超声聚焦声束尺寸更加狭窄，所以相控阵超声技术能够检测出尺寸更小的缺陷；⑤检测结果可以实现实时彩色成像，并且形成多种扫描图像，检测结果更加直观，也便于检测结果的分析、评判及存储。

2.2 硬件发展

在超声相控阵成像检测仪器设备方面，国外有以色列SONOTRON NDT公司、加拿大R/D TECH公司、美国GE公司、日本OLYMPUS公司、英国SONATEST公司、英国Technology Design公司等致力于研发相控阵检测系统设备，并且已经在各行各业无损检测领域得到了成功应用。同时国内也有多家公司在对超声相控阵检测设备进行研究，如广州多浦乐电子科技公司、汕头超声研究所、武汉中科创新技术股份有限公司，且这些设备已逐步投入生产并在市场中得到推广应用[4]。

2.3 操作培训

为了促进相控阵技术在国内的普及和发展，每年都有多家国内权威机构联合相控阵设备厂家举办相控阵技术培训，内容涉及相控阵技术发展现状、相关标准、实际操作、应用案例和行业难题等。特别是有些厂家，针对海洋石油特点，研发了海上压力容器检验模块，简化了相控阵参数设置和操作，为相控阵技术在海上压力容器的应用提供了进一步可能。

2.4 适用标准

ASME第V卷和API2X明确认可相控阵。ASME规范特意为手工相控阵编制了案例2541，2557和2558。美国石油学会指出API QUTE规程无需作任何修正，即可适用于手工相控阵检测。美国焊接学会（AWS）结构焊接规范D1.1默认了相控阵。国内有关TOFD的法规和标准已发行，有关部门正在起草相控阵标准。部分国内企业甚至制定了相控阵检测企业标准，指导现场作业。

2.5 行业现状

目前，根据《压力容器定期检验规则》的要求：埋藏缺陷的检测，应当采用JB/T4730的射线检测或者超声检测等方法。超声检测包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲超声反射法和不可记录的脉冲反射法超声检测。海上压力容器一般处于在役状态，射线检测不合适，主要还是采用超声波A扫技术对容器的埋藏缺陷进行检测，检测效率较低，同时对容器支管也缺乏行之有效的检测手段。相控阵技术也是利用超声波原理，也可以作为一种检测容器埋藏缺陷的方法。超声相控阵无损检测基于电子相控聚焦和扫描技术，可以根据被检测物的形状形和位置来改变阵元激发超声波的振幅和相位，聚焦形式灵活多变（形成不同的聚焦深度和强度）极大的提高了扫描的速度、精准度和灵活度，可以有效弥补常规超声波A扫的不足。同时，相控阵也可应用于插管焊缝的检测。

3 结束语

海上压力容器的安全运行关系到平台作业人员的安全，因此需要可靠的检测手段作为保障。相控阵检测技术作为近年来超声无损检测领域发展起来的新技术，已经具备一定的技术条件，包括人员、技术、硬件等。如果两者相结合，可以解决行业面临的突出问题，提高设备的安全性能，因此相控阵技术在海上压力容器检验的应用前景非常广阔。

参考文献

[1]中华人员共和国特种设备安全生产法.

[2]超声相控阵技术原理、应用及研究现状.

[3]刘长福.超声波相控阵技术原理及特点.河北省电力研究院.

[4]以色列SONOTRON公司相控阵培训教材.