超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

張 侃，楊 力，王學(xué)權(quán)，許貴平，孫大朋，羅建東，張 旻

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及其在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

張 侃，楊 力，王學(xué)權(quán)，許貴平，孫大朋，羅建東，張 旻

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

論述了國(guó)內(nèi)外在超聲相控陣技術(shù)方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)總結(jié)了近年來(lái)超聲相控陣關(guān)鍵技術(shù)的研究成果。并結(jié)合工程實(shí)例，介紹了超聲相控陣技術(shù)在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)超聲相控陣技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望并指出了其新的發(fā)展機(jī)遇。

超聲相控陣；無(wú)損檢測(cè)；發(fā)展趨勢(shì)；工程應(yīng)用

超聲相控陣技術(shù)的基本思想起源于電磁波相控陣?yán)走_(dá)，于20世紀(jì)80年代開(kāi)始被應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中[1]。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣技術(shù)在缺陷檢出率、定量準(zhǔn)確度和檢測(cè)效率方面均具有顯著優(yōu)越性，同時(shí)具有焦點(diǎn)控制靈活和圖像顯示直觀的特點(diǎn)，也促進(jìn)了超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、圖像處理、壓電復(fù)合材料開(kāi)發(fā)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)獲得了進(jìn)一步的融合創(chuàng)新。

筆者在介紹超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了近年來(lái)先進(jìn)超聲相控陣技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并以工程應(yīng)用為例，重點(diǎn)介紹了超聲相控陣在解決核工程無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題中的應(yīng)用進(jìn)展，最后探討了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)與面臨的新的發(fā)展機(jī)遇。

1 基本原理及特點(diǎn)

常規(guī)超聲檢測(cè)多采用單晶探頭，超聲聲束以一定發(fā)射角沿聲束軸線傳播。與此不同的是，超聲相控陣檢測(cè)的核心技術(shù)是基于惠更斯原理的相位控制。相控陣探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片按照一定形狀排列而成，每個(gè)晶片均可視為超聲波源，通過(guò)電子系統(tǒng)控制各個(gè)陣元，按一定延遲時(shí)間激發(fā)各個(gè)陣元，各個(gè)陣元的波陣面相互疊加，形成一個(gè)新的波陣面，可達(dá)到改變聚焦特性、聲束偏轉(zhuǎn)、聲束位移等相控效果[2]。

與常規(guī)超聲相比，超聲相控陣具有如下優(yōu)勢(shì)：① 掃查覆蓋范圍大、檢測(cè)速度快、效率高等；② 檢測(cè)結(jié)果直觀、可實(shí)時(shí)顯示，且結(jié)果可保存；③ 聚焦區(qū)域的聲場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)超聲；④ 缺陷定位、定量誤差小，檢測(cè)靈敏度高等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為適應(yīng)多種條件下的檢測(cè)需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲相控陣的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了發(fā)展和創(chuàng)新，為超聲相控陣技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供了極大的技術(shù)支持。下面將對(duì)幾項(xiàng)超聲相控陣研究的關(guān)鍵技術(shù)及其最新研究成果進(jìn)行概述。

2.1 超聲成像技術(shù)

如前所述，超聲相控陣可以利用計(jì)算機(jī)控制各晶片的激發(fā)狀態(tài)，調(diào)整孔徑數(shù)據(jù)的采集方式。將該功能與信號(hào)處理算法相結(jié)合，可通過(guò)延時(shí)疊加(DAS)圖像重建手段，獲得具有更高信噪比的超聲檢測(cè)圖像[3]。

全聚焦方法(TFM)是一種依賴于全矩陣捕捉(FMC) 孔徑數(shù)據(jù)采集技術(shù)的先進(jìn)DAS技術(shù)，由HOLMES等[4]于2005年提出。研究表明，TFM技術(shù)可大幅提高缺陷回波的信噪比和分辨率。然而，通用的TFM算法會(huì)因特定工件的結(jié)構(gòu)型面或材料特性而產(chǎn)生不同的檢測(cè)問(wèn)題。針對(duì)特定檢測(cè)問(wèn)題，研究學(xué)者將其他算法與TFM技術(shù)相結(jié)合，使超聲成像質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提高。ROBERT等[5]提出了一種實(shí)時(shí)自適應(yīng)全聚焦成像方法(ATFM)，該方法基于輪廓提取算法和聚焦法則自動(dòng)計(jì)算算法，并建立了檢測(cè)方案，在獲取高質(zhì)量檢測(cè)圖像的同時(shí)大幅降低了運(yùn)算時(shí)間。HARVEY等[6]將時(shí)間反轉(zhuǎn)法(TR)與TFM相結(jié)合，提高了TFM在非均勻介質(zhì)中的聚焦效果。對(duì)比78 mm壁厚主管道焊縫中φ3 mm側(cè)邊鉆孔TR聚焦前后的TFM圖像可知，相比于原始TFM圖像，經(jīng)過(guò)時(shí)間反轉(zhuǎn)處理后的缺陷回波的聲能得到了進(jìn)一步的集中。CAMACHO等[7]提出了一種基于相控陣技術(shù)的相位相干成像(PCI)技術(shù)，根據(jù)缺陷與噪聲相位分布的聚集程度，提出了三種權(quán)重因子，試驗(yàn)結(jié)果表明，權(quán)重因子與原始信號(hào)相乘之后，信噪比有了很好的提升。DEUTSCH等[8]將超聲波型轉(zhuǎn)換與全聚焦方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了薄壁件的高精度成像檢測(cè)，解決了傳統(tǒng)多探頭串聯(lián)可操作性差的問(wèn)題。HARRICH等[9]提出了一種正弦激勵(lì)信號(hào)與組合延遲法則相結(jié)合的超聲相控陣快速掃描技術(shù)(FAAST)，該技術(shù)根據(jù)不同檢測(cè)需求采取合理的聚焦法則，同時(shí)計(jì)算出各陣元正弦激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制模式，進(jìn)而完成對(duì)被檢工件的掃描，顯著提高了檢測(cè)效率。

相控陣3D成像技術(shù)也是現(xiàn)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。KITAZAWA等[10]利用先進(jìn)的3D聚焦超聲相控陣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得高20 mm，直徑1 mm和2 mm平底孔缺陷的數(shù)據(jù)，并結(jié)合3D-CAD模型實(shí)現(xiàn)了直觀的三維重塑圖像。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)將該技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)力腐蝕裂紋的無(wú)損檢測(cè)中，結(jié)果表明，缺陷計(jì)算深度同實(shí)際缺陷深度吻合度較高。張昊等[11]采用斷層掃描和全矩陣捕捉的方法獲取了成像數(shù)據(jù)，并基于體素插值還原出了三維圖像，此外，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)三維圖像還原時(shí)計(jì)算量龐大的問(wèn)題，提出了一種加速算法，大大縮短了計(jì)算時(shí)間。HAN等[12]基于一維線性陣列探頭獲取超聲數(shù)據(jù)，并通過(guò)傅里葉變換(FFT)在頻域進(jìn)行3D合成，再通過(guò)傅里葉逆變換在時(shí)域中利用DAS方法合成了3D成像。美國(guó)ZETEC公司開(kāi)發(fā)的Ultravision軟件可將掃查圖像嵌入到CAD工件模型中，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)時(shí)可視化掃查，該技術(shù)已在工業(yè)檢測(cè)中廣泛應(yīng)用[13]。

2.2 建模仿真技術(shù)

在超聲相控陣檢測(cè)中，聲場(chǎng)特性直接關(guān)系到被檢區(qū)域的聲束可達(dá)性和能量覆蓋的有效性。由于超聲相控陣的聲場(chǎng)建模仿真是開(kāi)發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器和制定檢測(cè)工藝的基礎(chǔ)，因此一直是超聲相控陣研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。多種聲場(chǎng)模型被用于超聲相控陣的建模仿真，最常見(jiàn)的主要有有限元法、有限差分法、瑞利積分法和多元高斯法等[14]。

KIM等[15]建立了各向異性的異種金屬焊縫(DMW)模型，并基于有限元方法(FEM)模擬研究了相控陣兩種不同聚焦法則和采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法下的超聲聚焦特性，研究表明，對(duì)于DMW的檢測(cè)，時(shí)間反轉(zhuǎn)法可獲得更好的聚焦效果。DELRUE等[16]同樣采用有限元方法驗(yàn)證了時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦法對(duì)于檢測(cè)各向異性材料的優(yōu)越性。VAN等[17]通過(guò)對(duì)粗晶材料的超聲散射聲場(chǎng)的有限元模擬，采用發(fā)射接收分離式的相控陣列探頭，可以有效減小晶粒散射噪聲。XU等[18]采用時(shí)域有限差分法(FDTD)模擬了一維相控陣超聲在L型多層碳纖維復(fù)合材料(CFRP)板中的傳播，據(jù)此優(yōu)化了檢測(cè)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了缺陷的精確定量和成像。XIE等[19]將FEM和FDTD方法同時(shí)應(yīng)用于電磁超聲相控陣聲場(chǎng)特性的模擬計(jì)算中，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，其中FEM用于計(jì)算洛倫茲力，F(xiàn)DTD用于計(jì)算超聲傳播行為。WANG等[20]通過(guò)建立Fourier(解析法)和Filon(數(shù)值法)兩種二維分析模型，有效描述了不同偏轉(zhuǎn)角度下超聲波在相控陣探頭聲光偏轉(zhuǎn)器(AOD)介質(zhì)中的分布情況，并與非近軸多元高斯聲束(NMGB)模型仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者結(jié)果顯示了高度的一致性。HAMIDI[21]基于惠更斯原理和瑞利索末菲衍射積分法，建立了雙層介質(zhì)超聲相控陣檢測(cè)模型，并利用該模型開(kāi)發(fā)了一種稀疏信號(hào)重建方法，結(jié)果顯示，該方法可大幅降低缺陷定位方均根誤差，并提高了信噪比。

在仿真軟件方面，不少研究機(jī)構(gòu)和公司進(jìn)行了大量的研究工作。已開(kāi)發(fā)出的較為成熟的仿真軟件有法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)開(kāi)發(fā)的 CIVA[22]，瑞典無(wú)損檢測(cè)模擬中心開(kāi)發(fā)的 SimSUNDT[23]，比利時(shí)FFT公司開(kāi)發(fā)的ACTRAN[24]，美國(guó)ZETEC公司開(kāi)發(fā)的UltraVision[25]，美國(guó)CyberLogic公司開(kāi)發(fā)的WAVE 2000/3000[26]，瑞典COMSOL公司開(kāi)發(fā)的COMSOL Multiphysics[27]，加拿大UTEX公司開(kāi)發(fā)的Image3D[28]以及丹麥工學(xué)院開(kāi)發(fā)的fieldⅡ[29]等。這些仿真軟件在發(fā)射聲場(chǎng)仿真、回波相應(yīng)聲場(chǎng)仿真、數(shù)據(jù)分析和驗(yàn)證等方面得到了廣泛應(yīng)用，為聲場(chǎng)特性分析、換能器設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化等提供了極大的便利。

2.3 先進(jìn)檢測(cè)系統(tǒng)研制

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)研制方面進(jìn)行了大量工作，包括換能器的研制和硬件開(kāi)發(fā)。

在換能器研制方面，DEVOS等[30]研制出了一種針對(duì)新一代核電站大型轉(zhuǎn)軸檢測(cè)的半柔性矩陣陣列超聲換能器，同時(shí)設(shè)計(jì)了控制和分析軟件，提高了檢測(cè)可靠性和定量準(zhǔn)確度。WALTER等[31]基于PMN-PT復(fù)合材料研制出一種新型超聲相控陣換能器，相比于PZT相控陣換能器，具有更寬的頻帶范圍和更高的靈敏度。同樣地，WONG等[32]基于PMN-PT單晶研制出20 MHz，64陣元的高頻率寬頻帶超聲相控陣換能器，大大提高了檢測(cè)靈敏度和分辨力。YUE等[33]研制了一種基于Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)單晶的超帶寬高頻相控陣換能器，其-6 dB帶寬可達(dá)127.7%，顯著提高了探頭的靈敏度。NAKAHATA等[34]研制了一種用于不規(guī)則表面材料缺陷檢測(cè)的柔性相控陣換能器，該換能器采用1-3型壓電復(fù)合材料覆蓋氯丁橡膠制造而成；同時(shí)為了克服柔性探頭窄帶寬的缺點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)提出了一種數(shù)值變跡方法，較好地抑制了旁瓣，并結(jié)合TFM法進(jìn)一步提高了檢測(cè)分辨力。LARCHE等[35]針對(duì)鈉冷反應(yīng)堆的高溫、腐蝕性等特點(diǎn)，研制了一種雙探頭10×3的面陣TRL探頭，該探頭可實(shí)現(xiàn)在260℃液體鈉中的檢測(cè)。

在硬件開(kāi)發(fā)方面，SCHMITTE等[36]研制了一種針對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件的自動(dòng)超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可支持13個(gè)相控陣探頭從不同方向進(jìn)行扇形掃查，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)置TFM算法，并采用GPU技術(shù)提高了圖像重構(gòu)速度。GOVINDAN等[37]研制了一種可重構(gòu)可編程的超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置多種超聲信號(hào)處理程序，支持8個(gè)相控陣探頭同時(shí)進(jìn)行掃查，且可進(jìn)行高速3D實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮，壓縮率達(dá)98.7%。GROTENHUIS等[38]研制了一種內(nèi)置全矩陣捕捉功能的超聲相控陣檢測(cè)儀器，并經(jīng)過(guò)6 a的改良，使其不僅適用于碳鋼檢測(cè)，也適用于如304L、318L等各向異性材料的檢測(cè)，同時(shí)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幾何三維成像。SANTOS-VILLALOBOS等[39]開(kāi)發(fā)了一種基于模型迭代重建算法的超聲相控陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于地?zé)醿?chǔ)層近井區(qū)域的原位健康檢測(cè)和成分表征。

2.4 缺陷識(shí)別技術(shù) 缺陷識(shí)別是無(wú)損檢測(cè)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，缺陷識(shí)別主要包括缺陷定量和定性兩方面。由于超聲相控陣聲場(chǎng)的新特點(diǎn)，傳統(tǒng)的缺陷識(shí)別方法不能完全滿足檢測(cè)要求，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作。

在缺陷定量方面，MIHARA等[40]提出了一種改進(jìn)的次諧波超聲相控陣裂紋評(píng)價(jià)方法，該團(tuán)隊(duì)將高電壓變壓器與低耗脈沖發(fā)生器相結(jié)合，有效提高了裂紋尖端衍射波的信噪比和裂紋高度的定量精度。CUNNINGHAM等提出了一種基于基爾霍夫散射近似和托普利茲矩陣近似的超聲相控陣裂紋定量方法，該方法對(duì)與波長(zhǎng)相當(dāng)甚至小于波長(zhǎng)尺寸的微小裂紋定量尤為有效，可定量尺寸為0.6～1.8 mm的裂紋，且定量誤差小于12%。TANT等[41]提出了一種應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的超聲相控陣定量方法，利用Born近似給出了裂紋長(zhǎng)度的解析表達(dá)式，并結(jié)合多頻平均的方法對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中6 mm側(cè)壁未熔合缺陷進(jìn)行了定量，定量偏差為0.4 mm。OBERD?RFER[42]提出了一種用于超聲相控陣缺陷定量的DAC(距離-波幅)曲線簡(jiǎn)化計(jì)算方法，該方法考慮了延遲法則、近場(chǎng)長(zhǎng)度和增益值等因素，大大簡(jiǎn)化了超聲相控陣DAC曲線的計(jì)算難度。

在缺陷定性方面，LI等[43]針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的多種類型缺陷，通過(guò)建立典型缺陷的物理模型，并與實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，利用聲強(qiáng)反射系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)缺陷類型的識(shí)別。BAI等[44]提出了一種基于散射矩陣的缺陷類型識(shí)別方法，該團(tuán)隊(duì)將缺陷定性視為一種模式分類問(wèn)題，通過(guò)主分量分析法進(jìn)行缺陷特征提取，然后利用窮舉搜索獲得代表性主分量子集，將其輸入模式分類器，即可實(shí)現(xiàn)面積型和體積型缺陷的區(qū)分，準(zhǔn)確率達(dá)95.79%。LIU等分析了電阻點(diǎn)焊中缺陷回波的時(shí)域、頻域以及小波變換后的時(shí)頻特征，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷識(shí)別方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別電阻點(diǎn)焊焊縫中的缺陷類型，識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)96%。還有研究學(xué)者基于遺傳算法[45]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[46]等手段實(shí)現(xiàn)了缺陷的分類識(shí)別。

3 在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

核工程構(gòu)件種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且安全性要求高，采用超聲相控陣技術(shù)可有效擴(kuò)大檢測(cè)范圍，保證檢測(cè)的可靠性，提高檢測(cè)效率。超聲相控陣技術(shù)在核工程無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用已取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，下面就國(guó)內(nèi)外最新的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行概述。

西班牙CASTILLO等[47]提出一種診斷核電止回閥的新型超聲檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)該技術(shù)也被應(yīng)用到牽引閥上。該技術(shù)設(shè)計(jì)了基于脈沖回波式的超聲相控陣換能器，換能器與閥體表面直接接觸，根據(jù)被檢閥的實(shí)際尺寸，通過(guò)改變聚焦法則使扇掃聲束覆蓋待檢閥體。該課題組建立了VITER-2.0 + FPA-128M系統(tǒng)，其中VITER-2.0包括加速計(jì)、磁性傳感器和位移傳感器等，F(xiàn)PA-128M為超聲相控陣檢測(cè)模塊。利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)閥體等內(nèi)部構(gòu)件的實(shí)時(shí)定位診斷。德國(guó)SCHMITTE等[48]開(kāi)發(fā)了一種用于核廢料儲(chǔ)存罐的快速自動(dòng)檢測(cè)的大型超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備利用7臺(tái)128通道超聲相控陣檢測(cè)儀同時(shí)控制13個(gè)換能器，采用多種聚焦法則進(jìn)行扇形掃描，利用門(mén)式掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)換能器，在儲(chǔ)存罐表面做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)儲(chǔ)存罐做周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此完成核廢料儲(chǔ)存罐的整體、快速、高效地自動(dòng)掃描。法國(guó)DOBIGNY等[49]開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)核設(shè)施大型復(fù)雜形狀構(gòu)件的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了柔性超聲相控陣換能器和機(jī)械手，以適應(yīng)復(fù)雜型面的變化，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件內(nèi)外側(cè)缺陷的良好檢測(cè)。中國(guó)林莉等[50]在國(guó)內(nèi)首次將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于核工程奧氏體不銹鋼焊縫的檢查中，針對(duì)各向異性材料導(dǎo)致的超聲聲束偏移和畸變問(wèn)題，提出了超聲相控陣相位修正等技術(shù)，該技術(shù)已在福清3#、4#、陽(yáng)江2#機(jī)組的主回路管道中成功應(yīng)用，大大提高了檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。美國(guó)JENSEN等[51]開(kāi)發(fā)了一種可拆卸的檢測(cè)工具，可連接4個(gè)相控陣探頭和2個(gè)渦流探頭，該技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了從內(nèi)壁檢測(cè)蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口噴嘴的異種金屬焊縫，且在美國(guó)屬首例。芬蘭KOSKINEN等[52]采用TRS和TRL相控陣技術(shù)結(jié)合數(shù)字X射線斷層攝影技術(shù)，有效提高了在役裂紋的檢測(cè)可靠性。韓國(guó)YOON等[53]設(shè)計(jì)了專用超聲相控陣掃查系統(tǒng)，以防止蒸汽發(fā)生器排水泵承插焊縫失效導(dǎo)致冷卻劑泄露，該系統(tǒng)不僅提高了檢測(cè)可靠性，同時(shí)節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間。

4 未來(lái)發(fā)展新機(jī)遇

在世界“工業(yè)4.0”等[54]新工業(yè)革命背景的推動(dòng)下，我國(guó)制造業(yè)戰(zhàn)略升級(jí)，推出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃[55-57]。在此背景下，也對(duì)無(wú)損檢測(cè)相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。2015年全國(guó)無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)組織全行業(yè)制定了《中國(guó)無(wú)損檢測(cè)2025技術(shù)發(fā)展路線圖》，為我國(guó)無(wú)損檢測(cè)的健康發(fā)展和盡早整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并指明了發(fā)展道路。對(duì)于超聲相控陣這一時(shí)下炙手可熱的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)而言，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。為了滿足工業(yè)裝備智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應(yīng)用的檢測(cè)需求，我國(guó)超聲相控陣技術(shù)應(yīng)向著如下方面發(fā)展：

(1) 自動(dòng)化、智能化檢測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化、智能化檢測(cè)已成為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。由于超聲相控陣技術(shù)的參數(shù)眾多、算法復(fù)雜，無(wú)法采用通用參數(shù)和算法適應(yīng)所有檢測(cè)條件。針對(duì)上述問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)自動(dòng)化、智能化的檢測(cè)系統(tǒng)，建立智能化識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)超聲相控陣檢測(cè)參量設(shè)置、激勵(lì)控制、探測(cè)控制、掃描成像控制、數(shù)據(jù)管理和檢測(cè)結(jié)果分析與評(píng)定過(guò)程的全自動(dòng)化。

(2) 自主創(chuàng)新

超聲相控陣技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用已有十余年，但我國(guó)對(duì)于關(guān)鍵器件和高端設(shè)備仍主要依賴進(jìn)口，核心算法的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新也相對(duì)滯后。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的缺失嚴(yán)重限制了超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)價(jià)格高昂。這些問(wèn)題都迫切需要通過(guò)自主創(chuàng)新解決，只有掌握核心技術(shù)，才能不受制于人，才能進(jìn)一步推動(dòng)超聲相控陣技術(shù)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

另一阻礙我國(guó)超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的重要因素是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的不完善。國(guó)外正在加快完善超聲相控陣標(biāo)準(zhǔn)的步伐，包括ASME、RCCM、ISO和EN等，對(duì)相控陣儀器性能測(cè)試、方法評(píng)定、驗(yàn)收準(zhǔn)測(cè)等方面均做出了規(guī)定，而國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)相控陣技術(shù)相關(guān)的工藝標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要盡快建立超聲相控陣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及各行業(yè)內(nèi)的工藝規(guī)范。

(4) 人員培訓(xùn)

無(wú)損檢測(cè)實(shí)施的關(guān)鍵在于人，檢測(cè)人員的職業(yè)技能水平直接關(guān)系到無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的可靠性。然而現(xiàn)階段我國(guó)掌握超聲相控陣技術(shù)的人員數(shù)量少，技術(shù)培訓(xùn)體系尚不完善。在超聲相控陣如火如荼的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，建立健全的相關(guān)人員培訓(xùn)體系應(yīng)成為一個(gè)重要的考慮方向。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著超聲成像技術(shù)、建模仿真技術(shù)、先進(jìn)系統(tǒng)研制以及缺陷識(shí)別技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的系列研究進(jìn)展，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)已成為工業(yè)無(wú)損檢測(cè)的重要手段之一，并具有廣闊的發(fā)展前景。在“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略背景下，我國(guó)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)又迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，將逐步滿足工業(yè)裝備智能化、高質(zhì)量制造和高可靠性應(yīng)用的檢測(cè)需求，促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的應(yīng)用和發(fā)展。

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Development of Ultrasonic Phased Array Technology and Applications inNondestructive Testing of Nuclear Engineering

ZHANG Kan, YANG Li, WANG Xuequan, XU Guiping, SUN Dapeng, LUO Jiandong, ZHANG Min

(Key Laboratory for Reactor Fuel and Materials, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

The development of ultrasonic phased array technology at home and abroad is reviewed. The achievements of ultrasonic phased array key technology in recent years are mainly summarized. Combined with engineering examples, the applications of ultrasonic phased array in nondestructive testing of nuclear engineering are introduced. Besides, the future development trend and new opportunities of ultrasonic phased array are pointed out.

ultrasonic phased array; nondestructive testing; development trend; engineering application

2017-02-07

張 侃(1991-)，男，碩士，主要從事核工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作

張 侃，zhangk_k@foxmail.com

10.11973/wsjc201705010

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0042-07