全聚焦相控陣超聲檢測技術在核電站的應用展望
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【摘 要】全聚焦相控陣超聲檢測技術可以實現聲壓有效區內所有區域的虛擬聚焦，使得該項技術具有更小的近表面盲區、更高的檢測靈敏度、更快的檢測效率及直觀的缺陷信號顯示等諸多優勢，該項技術在核電站金屬部件的在役檢查工作中將有廣闊的推廣應用空間。與此同時，該項技術還存在諸如發射聲能較低、成像算法有差異及無國內標準可參考等問題，需要繼續討論和發展。
【關鍵詞】全聚焦;相控陣;超聲檢測;核電站
中圖分類號： TG115.285 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0018-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.007
0 引言
近年，相控陣超聲檢測技術已廣泛地應用于核電站的無損檢測領域。常規相控陣超聲檢測技術是按照聚焦法則激發多個陣元，實現超聲波聲束在被檢工件內的偏轉和聚焦掃描，并對接收信號進行延時疊加形成最終的檢測圖像[1]。隨著計算機技術及先進成像算法的發展，國外技術人員最先研究出新的數據采集技術即為FMC全矩陣數據采集 。該數據采集技術不同于常規相控陣數據采集之處是：在任一時刻點，工件中只存在某個陣元的發射聲場，發射過程中不存在類似常規相控陣的聲束聚焦、偏轉。基于FMC數據的圖像重構方法即為TFM全聚焦成像技術。常規相控陣超聲檢測技術只能對檢測區的某一深度形成線聚焦，在聚焦區附近具有較好的檢測分辨力，遠離聚焦區的區域則無法達到理想的檢測效果。TFM檢測技術則在整個聲壓有效區都能夠達到聚焦效果，并生成高分辨率的檢測圖像。TFM技術可實現對微小缺陷及復雜結構的高精度成像，該技術將是相控陣超聲檢測技術的發展趨勢。
1 全聚焦相控陣超聲檢測技術
1.1 全矩陣數據采集
全聚焦算法的前提是進行檢測數據的FMC采集：在一個采集周期內，每個陣元均發射一個聲波，n個陣元相繼發射;對每個發射，n個陣元均接收一個A掃信號，共有n2個A掃信號組合在一個矩陣中;矩陣中行代表發射陣元，列代表接收陣元。例如，由4陣元組成一維陣列，可得16個A掃顯示Aij?，F行的陣列超聲換能器激發接收模塊一般都具有并行獨立的接收通道，故FMC過程可簡化為：第1陣元激發后，所有陣元并行接收，所獲得的回波數據定義為A1j（j=1，2，3，4），共獲得4組數據;然后依次激發第2、3、4陣元，重復上述過程。Aij為一組數據，包含每個時間采樣點接收信號的幅值。
1.2 全聚焦成像算法
全聚焦成像算法使用所有的全矩陣數據，后處理聚焦到被測區域內任意點，利用合成的幅值信息，實現圖像表征。將數據重建而界定的關注區劃成網格，對相控陣探頭的整套陣元，要為網格上每一點計算聚焦法則。在網格各點求和之前，所有記錄信號均有相應時移。網格各點重建后，循環即結束。FMC-TFM的主要優點是：在一個探頭位置，組合優化聚焦和空間分辨力，可完成大面積直接成像。
式中，Aij（tij（x，z））為激勵陣元i、接收陣元j的超聲回波信號中表征目標聚焦點（x，z）的幅值信息。tij（x，z）為該幅值的延遲時間，包括陣元i激勵傳播到目標聚焦點（x，z），再被陣元j接收所需要的時間。
2 技術優勢與不足
2.1 技術優勢
2.1.1 缺陷信息顯示直觀
相較于常規超聲檢測技術，TFM檢測技術是基于FMC數據進行待檢部件結構及缺陷信息的檢測圖像還原，從而使檢測數據的分析過程變得更立體、直觀，缺陷信號和待檢部件的結構信號將更容易區別，達到所見即所得的效果。
2.1.2 缺陷分辨力獲得明顯提升
得益于計算機技術的快速發展，使得現場實時采集到的海量檢測數據在高性能計算處理技術的支持下可以實現實時成像。由于FMC-TFM檢測技術實現了對待檢區域的所有虛擬聚焦點進行聚焦掃查，使得待檢區域的檢測結果等效于聚焦掃查，使TFM檢測對微小缺陷的發現能力得到明顯提升。有研究表明，當虛擬探頭用大孔徑（64陣元以上）時，TFM檢測技術的分辨力可以達到一個波長的尺度[3]。
2.1.3 對探頭位置或對反射體方向性的敏度降低
基于相同的原理，由于采集了更多的缺陷信號，經過大量采集數據的處理，使FMC-TFM還原的缺陷信息更全面具體。在采集數據的后處理過程中，可以對數據進行全向維度的虛擬聚焦，整個關注區都可以實現聚焦。在聚焦的情況下，各個方向性的缺陷都能獲得較強的聲壓反射，使缺陷信號更明顯。常規相控陣超聲檢測技術需要對待檢區實施正反掃查才能解決的問題，使用TFM檢測技術只需進行一次掃查就能達到要求。
2.1.4 近表面盲區更小
借助于TFM檢測技術強大的數據采集和處理過程，在聲壓有效覆蓋的范圍內均可以實現虛擬聚焦，確保對微小缺陷的發現能力。采用常規相控陣超聲檢測時，其近表面盲區受陣元參數及聚焦法則等多因素的影響;而采用TFM技術進行圖像生成時，在其聲壓有效區均可實現虛擬聚焦，從而顯著減小了近表面盲區。
2.2 存在的不足及對策
2.2.1 實時成像效率受限制
采用FMC-TFM技術會采集到大量檢測數據，易達到數G字節，為實現檢測結果的實時顯示，需要計算機技術解決大量數據傳輸速及圖像生成問題。針對該問題，采用GPU并行計算架構和索引數據加速技術可有效提高TFM數據處理速度[3]。此外，考慮采用半矩陣/三角矩陣采集數據[2-3]，可將采集到的A掃數據從n2減少到n（n+1）/2;采用稀疏矩陣TFM技術也可有效減少檢查的數據量[4]。相較于常規TFM進行逆向數據處理及圖像生成，有學者提出基于橢圓弧掃描轉換的正向TFM數據處理技術[5]，可極大的減少均方根運算次數，有效提高檢測圖像的生成速率。 2.2.2 聲能較低
FMC是由單個陣元相繼激發、多陣元接收，在數據采集過程中的發射聲能較低、接收信號能級也低。為確保反射信號不淹沒在噪聲中，需要高質量的發射-接收通道。此外，也有技術解決方案提出采用板波全聚焦來解決陣元發射能量較低的問題，該技術可有效提高大深度檢測時的檢測靈敏度。
2.2.3 成像算法修正
由于陣元的指向性會造成聲束在不同角度的能量不同，聲程也會引起擴散衰減的差異。聲波傳播過程中產生的能量損失會導致相同尺寸但縱向截面內方位不同的缺陷的成像幅值存在差異。針對這些問題，有學者提出聲束指向性校準、透射校準和擴散衰減校準等對幅值的修正算法[6]。對檢測過程中噪聲和旁瓣的影響，有學者提出了綜合利用檢測信號的幅值和相位信息進行相位加權的矢量全聚焦成像方法[7]。
此外，由于目前尚無TFM檢測技術的標準頒布，故在使用該項技術進行檢測時一般需要針對待檢部件制定專用的對比試塊進行當量檢測;也有企業根據需求制定相應的企業標準來指導現場的檢查工作。
3 應用展望
3.1 高輻射區
與脈沖反射法超聲檢測技術和常規相控陣超聲檢測技術相比，TFM檢測技術現場檢查效率更高，可以顯著縮短在輻射控制區的檢查時間，減少檢查人員的輻射劑量。尤其是針對沒有法規明確要求必須實施脈沖反射法超聲檢測的非核級部件，實施TFM檢測在顯著提升現場檢查效率的同時，還可以獲得更高的檢測靈敏度。
3.2 結構復雜、探頭移動受限的部件
在聲壓有效范圍內，采用TFM檢測技術可以實現關注區內的所有區域的虛擬聚焦，在不移動探頭的情況下，就可以實現更大范圍的全聚焦掃查且可以檢出不同方向的缺陷?；谇笆黾夹g優勢，可以實現對結構復雜部件及探頭移動空間受限部件的在役檢查。近年，高強/非高強緊固件的質量是核電廠較關注的問題，但由于緊固件數量巨大、規格不一，使得各核電廠對該類部件只能進行抽檢。TFM檢測技術的高效率及對復雜構件檢查時的優勢，使得對此類部件的全面入廠復驗變為可能。此外，汽輪機葉片根部由于結構復雜且探頭可移動范圍受限，對其第一齒根的在役檢查一直是個技術難點，采用TFM檢測技術可實現對汽輪機葉片第一齒根實施更高效、精確的在役檢查。
3.3 大厚度部件
FMC-TFM檢測由于采用的是單個陣元激發，所有陣元接收的信號發射-接收模式，其發射聲能較低，對大厚度部件底部區域的檢測靈敏度較低，但采用諸如板波全聚焦等全陣元若干次激發，全陣元接收的模式進行數據采集則可在大厚壁底部區域亦能獲得較高的檢測靈敏度。結合現階段汽輪機轉子所采取的分區掃查方式，可以考慮對于底部區域采用此種技術方案進行優化，以獲得更好的檢測效果。此外，對APA泵等相關泵軸在不解體的情況下，可以對軸頸通過TFM檢測技術實現在役檢查。
3.4 管道腐蝕檢查
TFM檢測技術有更小的近表面盲區、更高的檢測靈敏度且對缺陷的方向性不敏，從而可以對管道不規則的腐蝕坑及微小腐蝕坑具有顯著優勢。核電站中有大量的管道及容器是碳鋼材質的，其在海水環境中長期運行易發生腐蝕，此時采用TFM檢測可以實現高效在役檢查。
4 結論
由于TFM檢測技術具有更小的近表面盲區、更高的檢測靈敏度、更快的檢測效率及直觀的缺陷信號顯示等諸多優勢，使得該項技術在核電站金屬部件的在役檢查工作中將有更廣闊的推廣應用空間。與此同時，該項技術還存在諸如發射聲能較低、成像算法有差異及無國內標準可參考等問題，需要繼續討論和發展。
【參考文獻】
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[5]崔文凱，秦開懷.基于橢圓弧掃描轉換的超聲波無損檢測全聚焦算法[J].電子學報，2017，45（10）：2375-2382.
[6]周正干，彭地，等.相控陣超聲檢測技術中的全聚焦成像算法及其校準研究[J].機械工程學報，2015，51（10）：1-7.
[7]焦敬品，楊素方，等.相位加權的矢量全聚焦超聲陣列成像方法研究[J].聲學學報，2017，42（4）：485-494.
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