全聚焦相控阵超声检测技术在核电站的应用展望
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【摘 要】全聚焦相控阵超声检测技术可以实现声压有效区内所有区域的虚拟聚焦，使得该项技术具有更小的近表面盲区、更高的检测灵敏度、更快的检测效率及直观的缺陷信号显示等诸多优势，该项技术在核电站金属部件的在役检查工作中将有广阔的推广应用空间。与此同时，该项技术还存在诸如发射声能较低、成像算法有差异及无国内标准可参考等问题，需要继续讨论和发展。
【关键词】全聚焦;相控阵;超声检测;核电站
中图分类号： TG115.285 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）16-0018-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.007
0 引言
近年，相控阵超声检测技术已广泛地应用于核电站的无损检测领域。常规相控阵超声检测技术是按照聚焦法則激发多个阵元，实现超声波声束在被检工件内的偏转和聚焦扫描，并对接收信号进行延时叠加形成最终的检测图像[1]。随着计算机技术及先进成像算法的发展，国外技术人员最先研究出新的数据采集技术即为FMC全矩阵数据采集 。该数据采集技术不同于常规相控阵数据采集之处是：在任一时刻点，工件中只存在某个阵元的发射声场，发射过程中不存在类似常规相控阵的声束聚焦、偏转。基于FMC数据的图像重构方法即为TFM全聚焦成像技术。常规相控阵超声检测技术只能对检测区的某一深度形成线聚焦，在聚焦区附近具有较好的检测分辨力，远离聚焦区的区域则无法达到理想的检测效果。TFM检测技术则在整个声压有效区都能够达到聚焦效果，并生成高分辨率的检测图像。TFM技术可实现对微小缺陷及复杂结构的高精度成像，该技术将是相控阵超声检测技术的发展趋势。
1 全聚焦相控阵超声检测技术
1.1 全矩阵数据采集
全聚焦算法的前提是进行检测数据的FMC采集：在一个采集周期内，每个阵元均发射一个声波，n个阵元相继发射;对每个发射，n个阵元均接收一个A扫信号，共有n2个A扫信号组合在一个矩阵中;矩阵中行代表发射阵元，列代表接收阵元。例如，由4阵元组成一维阵列，可得16个A扫显示Aij。现行的阵列超声换能器激发接收模块一般都具有并行独立的接收通道，故FMC过程可简化为：第1阵元激发后，所有阵元并行接收，所获得的回波数据定义为A1j（j=1，2，3，4），共获得4组数据;然后依次激发第2、3、4阵元，重复上述过程。Aij为一组数据，包含每个时间采样点接收信号的幅值。
1.2 全聚焦成像算法
全聚焦成像算法使用所有的全矩阵数据，后处理聚焦到被测区域内任意点，利用合成的幅值信息，实现图像表征。将数据重建而界定的关注区划成网格，对相控阵探头的整套阵元，要为网格上每一点计算聚焦法则。在网格各点求和之前，所有记录信号均有相应时移。网格各点重建后，循环即结束。FMC-TFM的主要优点是：在一个探头位置，组合优化聚焦和空间分辨力，可完成大面积直接成像。
式中，Aij（tij（x，z））为激励阵元i、接收阵元j的超声回波信号中表征目标聚焦点（x，z）的幅值信息。tij（x，z）为该幅值的延迟时间，包括阵元i激励传播到目标聚焦点（x，z），再被阵元j接收所需要的时间。
2 技术优势与不足
2.1 技术优势
2.1.1 缺陷信息显示直观
相较于常规超声检测技术，TFM检测技术是基于FMC数据进行待检部件结构及缺陷信息的检测图像还原，从而使检测数据的分析过程变得更立体、直观，缺陷信号和待检部件的结构信号将更容易区别，达到所见即所得的效果。
2.1.2 缺陷分辨力获得明显提升
得益于计算机技术的快速发展，使得现场实时采集到的海量检测数据在高性能计算处理技术的支持下可以实现实时成像。由于FMC-TFM检测技术实现了对待检区域的所有虚拟聚焦点进行聚焦扫查，使得待检区域的检测结果等效于聚焦扫查，使TFM检测对微小缺陷的发现能力得到明显提升。有研究表明，当虚拟探头用大孔径（64阵元以上）时，TFM检测技术的分辨力可以达到一个波长的尺度[3]。
2.1.3 对探头位置或对反射体方向性的敏度降低
基于相同的原理，由于采集了更多的缺陷信号，经过大量采集数据的处理，使FMC-TFM还原的缺陷信息更全面具体。在采集数据的后处理过程中，可以对数据进行全向维度的虚拟聚焦，整个关注区都可以实现聚焦。在聚焦的情况下，各个方向性的缺陷都能获得较强的声压反射，使缺陷信号更明显。常规相控阵超声检测技术需要对待检区实施正反扫查才能解决的问题，使用TFM检测技术只需进行一次扫查就能达到要求。
2.1.4 近表面盲区更小
借助于TFM检测技术强大的数据采集和处理过程，在声压有效覆盖的范围内均可以实现虚拟聚焦，确保对微小缺陷的发现能力。采用常规相控阵超声检测时，其近表面盲区受阵元参数及聚焦法则等多因素的影响;而采用TFM技术进行图像生成时，在其声压有效区均可实现虚拟聚焦，从而显著减小了近表面盲区。
2.2 存在的不足及对策
2.2.1 实时成像效率受限制
采用FMC-TFM技术会采集到大量检测数据，易达到数G字节，为实现检测结果的实时显示，需要计算机技术解决大量数据传输速及图像生成问题。针对该问题，采用GPU并行计算架构和索引数据加速技术可有效提高TFM数据处理速度[3]。此外，考虑采用半矩阵/三角矩阵采集数据[2-3]，可将采集到的A扫数据从n2减少到n（n+1）/2;采用稀疏矩阵TFM技术也可有效减少检查的数据量[4]。相较于常规TFM进行逆向数据处理及图像生成，有学者提出基于椭圆弧扫描转换的正向TFM数据处理技术[5]，可极大的减少均方根运算次数，有效提高检测图像的生成速率。 2.2.2 声能较低
FMC是由单个阵元相继激发、多阵元接收，在数据采集过程中的发射声能较低、接收信号能级也低。为确保反射信号不淹没在噪声中，需要高质量的发射-接收通道。此外，也有技术解决方案提出采用板波全聚焦来解决阵元发射能量较低的问题，该技术可有效提高大深度检测时的检测灵敏度。
2.2.3 成像算法修正
由于阵元的指向性会造成声束在不同角度的能量不同，声程也会引起扩散衰减的差异。声波传播过程中产生的能量损失会导致相同尺寸但纵向截面内方位不同的缺陷的成像幅值存在差异。针对这些问题，有学者提出声束指向性校准、透射校准和扩散衰减校准等对幅值的修正算法[6]。对检测过程中噪声和旁瓣的影响，有学者提出了综合利用检测信号的幅值和相位信息进行相位加权的矢量全聚焦成像方法[7]。
此外，由于目前尚无TFM检测技术的标准颁布，故在使用该项技术进行检测时一般需要针对待检部件制定专用的对比试块进行当量检测;也有企业根据需求制定相应的企业标准来指导现场的检查工作。
3 应用展望
3.1 高辐射区
与脉冲反射法超声检测技术和常规相控阵超声检测技术相比，TFM检测技术现场检查效率更高，可以显著缩短在辐射控制区的检查时间，减少检查人员的辐射剂量。尤其是针对没有法规明确要求必须实施脉冲反射法超声检测的非核级部件，实施TFM检测在显著提升现场检查效率的同时，还可以获得更高的检测灵敏度。
3.2 结构复杂、探头移动受限的部件
在声压有效范围内，采用TFM检测技术可以实现关注区内的所有区域的虚拟聚焦，在不移动探头的情况下，就可以实现更大范围的全聚焦扫查且可以检出不同方向的缺陷。基于前述技术优势，可以实现对结构复杂部件及探头移动空间受限部件的在役检查。近年，高强/非高强紧固件的质量是核电厂较关注的问题，但由于紧固件数量巨大、规格不一，使得各核电厂对该类部件只能进行抽检。TFM检测技术的高效率及对复杂构件检查时的优势，使得对此类部件的全面入厂复验变为可能。此外，汽轮机叶片根部由于结构复杂且探头可移动范围受限，对其第一齿根的在役检查一直是个技术难点，采用TFM检测技术可实现对汽轮机叶片第一齿根实施更高效、精确的在役检查。
3.3 大厚度部件
FMC-TFM检测由于采用的是单个阵元激发，所有阵元接收的信号发射-接收模式，其發射声能较低，对大厚度部件底部区域的检测灵敏度较低，但采用诸如板波全聚焦等全阵元若干次激发，全阵元接收的模式进行数据采集则可在大厚壁底部区域亦能获得较高的检测灵敏度。结合现阶段汽轮机转子所采取的分区扫查方式，可以考虑对于底部区域采用此种技术方案进行优化，以获得更好的检测效果。此外，对APA泵等相关泵轴在不解体的情况下，可以对轴颈通过TFM检测技术实现在役检查。
3.4 管道腐蚀检查
TFM检测技术有更小的近表面盲区、更高的检测灵敏度且对缺陷的方向性不敏，从而可以对管道不规则的腐蚀坑及微小腐蚀坑具有显著优势。核电站中有大量的管道及容器是碳钢材质的，其在海水环境中长期运行易发生腐蚀，此时采用TFM检测可以实现高效在役检查。
4 结论
由于TFM检测技术具有更小的近表面盲区、更高的检测灵敏度、更快的检测效率及直观的缺陷信号显示等诸多优势，使得该项技术在核电站金属部件的在役检查工作中将有更广阔的推广应用空间。与此同时，该项技术还存在诸如发射声能较低、成像算法有差异及无国内标准可参考等问题，需要继续讨论和发展。
【参考文献】
[1]王悦民，李衍，陈和坤.超声相控阵检测技术和应用[M].北京：国防工业出版社，2014.
[2]李衍.超声相控阵全聚焦成像检测[J].无损检测，2017，39（5）：57-64.
[3]贾乐成，陈世利，等.超声全聚焦成像校正模型及加速算法[J].仪器仪表学报，2017，38（7）：1589-1596.
[4]胡宏伟，杜剑，等.基于稀疏矩阵的两层介质超声相控阵全聚焦成像[J].机械工程学报，2017，53（14）：128-135.
[5]崔文凯，秦开怀.基于椭圆弧扫描转换的超声波无损检测全聚焦算法[J].电子学报，2017，45（10）：2375-2382.
[6]周正干，彭地，等.相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究[J].机械工程学报，2015，51（10）：1-7.
[7]焦敬品，杨素方，等.相位加权的矢量全聚焦超声阵列成像方法研究[J].声学学报，2017，42（4）：485-494.
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