奥氏体不锈钢PAUT-机械工程学报

奥氏体不锈钢超声相控阵

第39卷第2期 2003 年 2 月

机 械 工 程 学 报 

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 

Vol.39 Feb. 

No.2 2003 

厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝

* 

超声相控阵检测技术概述 

林 莉 1 杨平华 1 张东辉 2 赵天伟 2 杨会敏 2 李喜孟 1 

(1. 大连理工大学无损检测研究所 大连 116024； 2. 核工业工程研究设计有限公司 北京 101601) 

摘要：铸造奥氏体不锈钢(Cast austenitic stainless steel，CASS)管道的焊接质量直接关系到核反应堆的安全，在核动力装置的 检验规范中，对此类焊缝加工质量及服役期间状况提出无损检测的强制性要求，但CASS焊缝组织状态的复杂性给超声检测 工作带来困难，研究采用相控阵超声检测(Phased arrayultrasonictesting，PAUT)技术解决这一难题已成为国内外无损检测工作 者关注的热点。文章概述了厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的难点，归纳相应的关键技术及解决策略，并简述近期国内外相 关研究工作的进展和成果，以期为厚壁CASS管道焊缝的PAUT技术提供借鉴和参考。 关键词：铸造奥氏体不锈钢 厚壁 相控阵超声检测 焊缝 中图分类号：TG115 

Review ofPhased ArrayUltrasonicTestingfor Thick Wall CastAustenitic 

StainlessSteelPipeline Welds 

1 1 2 2 2 1 

LIN Li YANG Pinghua ZHANG Donghui ZHAO Tianwei YANG Huimin LI Ximeng 

(1.Nondestructive Testing & Evaluation Laboratory of Dalian University of Technology, Dalian 116024  

2. Nuclear Industry Research and Engineering Co., Ltd, Beijing101601) 

Abstract：The welding qualityof cast austenitic stainless steel (CASS) pipeline welds is criticalto nuclear reactors. The mandatory requirements of NDT have been raised in inspection code of nuclear power plant, which is about the welding quality and service condition of CASS welds. However, the complex structure of welds makes the ultrasonic testing of CASS welds challenging. Phased array ultrasonic testing (PAUT) technique is promising to solve this problem. The difficulties of PAUT for thick wall CASS pipeline welds areanalyzed, thecorrespondingkeyissuesand solvingstrategies aresummarized. Furthermore,the research progress and latest research resultsat home and abroadaredescribed,which providesreferencefor thePAUTof thick wall CASS pipeline welds. Key words：Cast austenitic stainless steel(CASS) Thick wall Phased array ultrasonic testing  Weld 

0 前言 

* 

壁厚在 66～96 mm 的铸造奥氏体不锈钢(Cast austeniticstainless steel，CASS) 主回路管道是核电站 的关键部件，其焊接质量直接影响核装置的安全性 和可靠性，因此，对 CASS 管道焊接缺陷的准确检 测与评定是保证核电站安全运行的前提[1­3]  。 目前的 检测标准和技术条件，要求对厚壁 CASS 管道焊缝 进行射线检测和分层渗透检测。但射线检测对危害

* 中央高校基本科研业务费专项资金(DUT10ZD203)和“十二五”国防 基础科研重点(A0220110004)资助项目。××××××××收到初稿， ××××××××收到修改稿

性很大的裂纹、未熔合等面积型缺陷并不敏感，特 别是当 CASS 管道壁厚达到六、七十毫米甚至更厚 时，缺陷漏检概率增加，给核工程的安全运行带来

[4] 

隐患 。虽然超声波对面积型缺陷非常敏感，但面 对晶粒粗大并具有明显各向异性的 CASS 焊缝组 织，超声波在焊缝中传播时将发生频散、衰减增大、 波束偏移 [5] 等现象，增加了检测难度，因此厚壁 CASS管道焊缝超声检测多年来一直倍受关注[1,6­7]  。 相控阵超声检测(Phased array ultrasonic testing， PAUT)技术为解决这一难题提供了新的思路和方 法：由于相控阵超声声束灵活可控，可对检测对象 进行多角度、多方位的扫查，从而可以有效降低缺

奥氏体不锈钢超声相控阵

陷漏检概率，提高检测可靠性。PAUT 还可检测射 线检测难以穿透的厚壁构件，并针对不同的检测对 象灵活地选择聚焦和检测参数，从而提高检测分辨

力、灵敏度以及信噪比[8­10] 

 。此外，通过采用先进 的相位偏差信号处理技术，有望减小 CASS 焊缝中 由于频散和波束偏移带来的缺陷定位和定量误差， 进而提高成像分辨力。美国电力研究院采用全自动 PAUT 技术检测压水堆主管道上的 CASS 焊缝，一 次扫查即可完成全焊缝的检测，所需时间由整个班 次工作时间缩短到 5 min，甚至更少[11]  ，大大提高 了检测效率，降低了检测成本。

早在 20 世纪80 年代，英国的 OGILVY [12] 

就开 始研究超声波在 CASS 中的传播模型。 最近十年来， 韩国的 SONG 等[13­14]  对 OGILVY 的模型进行了改 进，并采用声线示踪法计算了相控阵超声不同阵元 在非均匀各向异性介质中的延迟时间和入射角；英

国的 NAGESWARAN [15] 

则采用电子背散射衍射技 术对奥氏体不锈钢焊缝的微观组织进行了分析；瑞

典的 LIU [16] 

对各向异性焊缝进行了分区，并模拟了 超声波在其中的传播路径；法国的 MAHAUT 等[17]  使用 CIVA 软件对超声波在 CASS 中的传播过程进 行了仿真。美国西北太平洋国家实验室以及某些超 声设备生产厂家在相控阵探头设计和检测设备的研 制方面也做了大量工作[18­21]  ；德国夫琅和费无损检 测研究所提出了“采样相控阵”和“反向相位匹配” 的方法，致力于解决 CASS 等非均匀各向异性材料 的超声检测难题[22­24]  。我国的李衍等[25­26]  对相控阵 的基础理论进行了深入阐述，为研究者提供了重要 参考；汪承灏等[27]  对环形相控阵辐射声场和反射声 场的基本特性进行了理论和试验研究，取得了良好 的一致性；郑中兴等[28­29]  则在大厚度奥氏体不锈钢 焊缝的检测设备以及检测工艺方面开展了研究，研 制了纵波斜射双晶探头并通过试验分析了各工艺参 数对超声检测的影响；宋文爱等[30]  采用动态光弹法 研究了相控阵超声波束在介质中的传播规律，并通 过反演得到 B 扫描图像；施克仁等[31]  在提高相控阵 二维、三维成像分辨力方面做了大量工作，提出了 CASS 焊缝中相位畸变的修正方法。本文归纳了厚 壁 CASS 管道焊缝 PAUT技术的难点、超声波在厚 壁 CASS 管道焊缝中传播规律的研究进展，并在此 基础上重点介绍了数值模拟、相控阵参数优化、信 号处理等关键技术，期望能够为厚壁 CASS 管道焊 缝 PAUT技术的研究和工程应用提供参考。 

1 厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的

难点分析 

1.1 厚壁 CASS 管道焊缝超声检测的难点 

(1) CASS 焊缝具有粗大晶粒和弹性各向异性， 导致超声波在组织中的传播规律复杂，影响缺陷的 检测和评定。一般而言，奥氏体不锈钢焊缝中的柱 状晶平均直径在 0.5 mm 以上，晶粒长度大于 10 mm，超声波传播过程中将发生声束弯曲导致缺陷 定位不准；而对于 CASS 母材，其不同区域晶粒尺 寸变化范围大(0.2～26.8 mm)， 超声波穿透区域的平

均晶粒尺寸甚至可达 17～20 mm(图 1) [21] 

，这种粗 晶将引起超声波严重衰减，超声波束甚至不能进入 焊缝；另外，粗晶对超声波的强烈散射导致出现大 量林状回波，大大降低了缺陷检测的信噪比。 

等轴晶

焊缝

柱状晶

(a) CASS 焊缝显微结构照片

柱状晶 等轴晶

(b) CASS 中的柱状晶和等轴晶 

(c) CASS 焊缝中的声束畸变

图1 美国西北太平洋国家实验室CASS焊缝示意图 

(2) 对于厚壁 CASS 管道焊缝，由于材料厚度 大，焊接应力因整个构件的变形而增大，严重时将 诱发焊接裂纹[32]  ， 从而对焊接质量产生影响。 同时， 厚度越大则晶粒越粗大，从而引起严重的结构噪声 和超声波衰减，降低了检测信噪比以及超声波穿透 能力。1999 年，国内编写了《奥氏体不锈钢焊接接 头超声波检验规程》，但该规程主要针对厚度为 10～50 mm的奥氏体不锈钢对接焊缝的手工超声波 检验，且只适用于对接接头的检测。研究发现，普 通探头难以检测厚度大于60 mm的厚壁CASS管道

奥氏体不锈钢超声相控阵

焊缝[33]  ，必须采取其他办法加以解决。 1.2 PAUT技术的难点 

PAUT 技术的基本思想来源于雷达电磁波相控 阵技术，初期主要应用于医疗领域。随着电子和计 算机技术的飞速发展，PAUT 逐渐应用于工业无损

检测特别是核工业等领域[8] 

 ，在核动力装置中，由 于厚壁、粗晶、形状复杂的工件多，设备和管道中 某些焊缝可达性及可检性差，这时，应用 PAUT可 提高检测效率，减少辐照时间，取得显著的经济效 益和社会效益。PAUT 技术对缺陷的检出能力以及 定位、定量、定性的准确性，相关于相控阵仪器和 系统特性的综合功能[26]  。为了充分发挥 PAUT在厚 壁 CASS 管道焊缝检测中的优势，在检测过程中应 注意的问题如下所述。 

(1) PAUT系统涉及超声、电子、信息、机械及 材料等若干领域，参数多达上百个，且参数之间往 往具有复杂的相互关联和制约关系，如设置不当将 会产生栅瓣、伪像等，从而引起信噪比和检测分辨 力的降低，这极易导致缺陷漏检、定位定量不准等 问题。明确聚焦和检测参数的优化原则才能得到良 好的系统特性，如声束宽度、扫描范围、阵元激活、 聚焦能力、延迟修正等，从而实现动态聚焦、动态 孔径、动态变迹等功能[9]  。 

(2) PAUT系统本身存在一定的局限性，虽然该 系统能够控制声束的方向和焦点，但却不能在一次 扫查中同时得到多个角度和焦点的数据，因此其扫 查速度仍难以满足高速检测的要求。另外，早期的 PAUT 系统只能给出缺陷的位置和回波振幅，无法 对缺陷进行三维立体重构[22]  ，因此成像的直观性仍 显不足。除上述局限性外，常规相控阵检测还存在 其它问题，人们往往误认为扇扫可以检测到材料中 所有的缺陷，事实上，尽管 PAUT的检出率高于常 规超声检测，但仍不能保证检测出所有缺陷[34]  ，对 于取向和位置比较特殊的缺陷依然存在一定的漏 检；另外，PAUT 对厚壁构件进行检测时，存在信 噪比不足的问题，常规 PAUT通常通过增加孔径来 提高信噪比， 这就要求 PAUT系统具有更多通道数， 必然会使检测系统更加复杂、笨重。 

(3) 正确地驾驭 PAUT 系统，需要操作者综合运 用无损检测工程设计知识和工程实践经验， 并能熟练 地对相控阵超声参数进行组合、优化和综合配置，结 合被检材料的组织特征进行信号和图像分析以及缺 陷判读，这无疑增加了对检测人员的要求。2002 年 11 月生效的新版《美国机械工程师学会(ASME)检查 标准》，要求对旨在检查和表征异种金属焊缝裂纹的 无损检测程序和人员的能力进行正式论证， 并要求裂

纹的测量误差为±3 mm [11] 

。目前，我国已经建立了 民用核承压设备无损检测人员资格鉴定体系， 下一步 应考虑建立核电站在役检查的无损检测鉴定体系， 以 及实施自主鉴定活动，进一步提升检测人员的水平。 1.3 厚壁 CASS 管道焊缝 PAUT技术

相控阵超声具有常规超声无法比拟的独特优 势，但它归根结底仍是超声检测技术的一种，并没 有改变超声波的产生与传播的物理基础[34]  。因此， 第 1.1 节中所述的组织状态复杂性带来的超声检测 难题，在相控阵超声检测中同样存在；同时，第 1.2 节中所述及的 PAUT系统本身的复杂性，也给检测 工作增加了难度。

除此之外，采用 PAUT技术检测厚壁 CASS 管 道焊缝时，相位畸变和相位偏差还会带来检测分辨 力下降、信噪比降低、成像质量变差等问题。由于 相控阵超声通过控制各阵元发射和接收时的相位差 来形成合成声束，因此，相位差控制的精度和准确 度是决定 PAUT检测效果的关键因素。相位差的控 制精度与计算机系统的时间延迟精度相关，尽管目 前最新的 PAUT 系统的时间延迟精度已经达到几 ns，但在使用 PAUT技术检测厚壁 CASS 管道焊缝 时，由于材料内部声速的非均匀性，仍会造成超声 检测中发射聚焦与接收聚焦的相位偏差，由此导致 相控合成后的信号发生畸变，使焦点处声束宽度增 加，降低了合成信号的幅度和信噪比，严重影响检 测分辨力[31]  。

综上所述，采用 PAUT技术对厚壁 CASS 管道 焊缝进行检测时， 需要同时克服来自多方面的问题， 是一项具有很大难度和富有挑战性的工作。 

2 厚壁CASS管道焊缝PAUT关键技

术

基于上述分析，笔者就厚壁 CASS 管道焊缝 

PAUT技术研究，给出如下建议。 

(1) 针对厚壁 CASS 管道焊缝组织状态复杂性 带来的超声检测难点，事先应研究此类焊缝的结晶 组织特征，以及焊接金属组织生长方向引起的超声 传播路径变化的规律；对于异种金属焊缝的超声检 测，还应明确超声波在焊接金属与母材界面上发生 的折射和波型转换等。 

(2) 研究相位延迟与合成波阵面的曲率、指向、 孔径等特性参数之间的关系，明确 PAUT系统的聚 焦参数、检测参数的设置原则，从而对参数进行综

奥氏体不锈钢超声相控阵

合优化和配置，改善由于粗大晶粒和各向异性带来 的高衰减、低信噪比等问题。 

(3) 针对由于声速非均匀性引起的相位畸变， 研究产生畸变的原因和规律，提出相位校正的方法 和策略，提高声束合成信号的幅度、信噪比、空间 分辨力以及对比度分辨力。 

(4) 鉴于目前常规 PAUT 检测系统的局限性， 将新的信号处理方法及成像技术集成于此类系统， 开发更为先进的PAUT系统， 使之更加适用于CASS 焊缝及其它厚壁、粗晶、非均匀材料的超声检测。 

3 解决策略及研究进展 

3.1 超声波在 CASS焊缝中的传播模型及散射规律

数值模拟是研究 CASS 焊缝结晶组织特征及其 声学响应规律的有效工具。法国原子能委员会、英 国伯明翰大学等研究机构采用有限元分析、声线示 踪等方法对超声波在 CASS 焊缝中的传播进行了数 值模拟[15­17,35­36]  ，并取得重要进展。 

OGILVY [12] 

在焊缝结晶组织建模方面进行了探 索，他假定结晶组织关于焊缝中心线对称分布，建 立了 CASS 焊缝模型。鉴于实际 CASS 焊缝的结晶 组织并非关于焊缝中心对称分布(图 2a)，韩国的 SONG等[13­14]  将OGILVY的模型修改为非对称结构 模型， 模拟出了实际 CASS 焊缝的结晶组织(图 2b)； 并进一步将非均匀各向异性材料看作层状均匀各向 异性材料， 认为相邻层之间的材料性能有微小差别， 从而建立层状模型，对 CASS 焊缝进行声线示踪研 究。图 3 为利用 OGILVY 模型、声线示踪模型以及 真实组织计算所得的三种声线路径的对比结果。 

mm/z 置位度深缝焊焊缝水平位置 x/mm (a) 宏观组织照片 

(b) 数值模拟结果

图2 CASS焊缝结晶组织

由图 3 可见，当声束从右向左传播时，三种声 线路径基本相似， 而从左向右传播时则有较大差别： 新建的声线示踪模型得到的声线路径与真实组织计 算得到的路径相似，而 OGILVY 模型的结果与实际 情况相符程度不好，主要是由于 CASS 焊缝组织状 态的非对称特性导致。采用上述非均匀各向异性介 质声线示踪模型，可计算出适应于此类介质的延迟 时间和入射角，从而为 CASS 焊缝的 PAUT检测提

供准确的参数，减小组织状态复杂性带来的检测误 差。 

3.2 PAUT技术的参数优化原则和方法

如前所述，PAUT 技术涉及上百个参数，且参 数之间关系复杂，因此需要在熟练掌握相控阵声场 特征的基础上，根据实测对象的组织结构特性，研

m

m/z 置位度深模型 缝声线示踪模型 焊焊缝水平位置 x/mm 

图3 CASS焊缝声线路径计算结果

究各参数之间的关系并进行参数优化，从而最大限 度地发挥 PAUT的优势。 

(1) 研究 PAUT 的声场特征，明确其与常规超 声探头声场的区别。 

(2) 激励频率的优化。聚焦声场中的主瓣高度 和旁瓣直接影响相控阵成像的对比度分辨力和伪像 的产生，通常以增强主瓣高度、抑制旁瓣为目标对 各阵元激励频率进行优化[31]  。这种方法对聚焦声场 具有一定的改善， 可使焦点声强增加并改善信噪比， 从而提高成像质量。 

(3) 聚焦法则参数的优化。通过研究 PAUT 技 术的聚焦原理以及聚焦声束特性，明确动态聚焦、 动态孔径、动态变迹等技术的原理和实现方法[25]  ； 提出聚焦位置、聚焦方式、扫查方式等聚焦法则参 数的优化原则和方法，提高 PAUT的成像分辨力和 信噪比。 

(4) 超声设置参数的优化。研究脉冲宽度、整 流、滤波、平滑、增益、数字化频率、平均化、采 样率、脉冲重复频率等超声设置参数的物理意义、 优化原则和优化方法。 

(5) 采用相控阵校准和补偿技术， 实现对 CASS 焊缝中不同位置回波延时和幅度的校准，并补偿粗 大晶粒带来的衰减，从而减小声束畸变对 PAUT的 影响，提高检测的信噪比。

以上工作集中于对PAUT系统的调整及优化原 则的研究，除此之外，对 PAUT系统中探头参数的 设置与优化也是至关重要的，如探头类型、频率、 波型以及探头尺寸等。探头类型和波型应根据检测 部位、检测对象几何尺寸、形状等选定[32]  。探头频 率对衰减影响很大，因此，在考虑 CASS 焊缝结晶

组织状态复杂性的基础上，选择合适的探头频率能

奥氏体不锈钢超声相控阵

够提高超声波的穿透能力和对缺陷的分辨能力。阵 元长度、宽度、间距、数量等探头几何参数的选择 将对相控阵声场的指向性起到决定性的作用，合理 地选择探头几何参数是提高成像分辨力、灵敏度以 及信噪比的基础。国内外研究者在相控阵探头参数 优化方面进行了许多探索[17­18,28,37­38]  。

美国西北太平洋国家实验室使用频率分别为 500 kHz、750 kHz、1.0 MHz 的双晶纵波探头(TRL 探头)，对 CASS 管道进行了检测，分析了 CASS 管 道的粗晶非均匀各向异性组织对声束传播的影响。 研究发现，500 kHz 的频率更适合于粗晶材料的检 测， 对于壁厚在58.4～88.9 mm范围内的多个CASS 焊缝试样，给定深度和长度的机械疲劳裂纹以及热 疲劳裂纹的累计缺陷检出率大约为 77%，而 750 kHz、1.0 MHz 频率则明显受到材料组织特性的影 响，得到的检出率都在 50%左右[18]  ，该研究证明， 低频是解决粗晶材料超声检测难题的有效途径。该 研究中使用的 TRL 探头具有独立的发射和接收晶 片，并将所有晶片集成在同一探头内(图 4a)。TRL 探头的这种特殊结构使其本身无明显盲区，并可通 过连续的深度聚焦增加整体聚焦深度，且在所有深 度范围内保持最佳的侧向分辨力(图 4b)；另外，压 电晶片的高阻尼特性提高了轴向分辨力和信噪比 [19] 

，大范围的声束扫查提高了缺陷的整体检出率。 因此， 低频 TRL探头将在 CASS 焊缝等粗晶非均匀 材料的检测中发挥重要作用。

正视图

侧视图

(a) 实物照片 

(b) 聚焦声束示意图

图4 TRL探头 

3.3 厚壁 CASS 管道焊缝 PAUT相位偏差校正策略CASS焊缝厚度越大则晶粒越粗大， 由粗晶引起 的结构噪声也越严重，将会使携带缺陷信息的信号 湮没而难以识别，因此，从复杂的回波信号中分辨 出缺陷信号， 成为提高厚壁CASS管道焊缝超声检测 可靠性的重要途径。在采用PAUT技术检测厚壁 CASS管道焊缝时，由声速非均匀性带来的相位偏 差，可通过成像技术和信号处理的方法加以修正。

采用合成孔径聚焦(Synthetic aperture focusing technique, SAFT)技术，可减少结构噪声从而提高信 噪比和检测灵敏度，并且阵列阵元的分散可形成更

大的合成孔径，在大体积构件检测中得到更好的聚 焦效果。SAFT的基本原理如图5所示。利用阵列探 头的各阵元接收来自同一点的声信号，并对所接收 的信号引入适当的时间延迟，使它们同时到达输出 端作叠加输出，这就实现了对该点反射声波的聚焦 接收[39]  。SAFT利用信号处理的方法使小尺寸(孔径) 的阵列探头具有大孔径阵的指向特性的功能，实现 高分辨力成像。合成孔径线阵的侧向分辨力是一个 常数，与目标到探头的距离无关，阵列中的阵元间 距越小，侧向分辨力越高。由此可见，采用SAFT 所带来的好处是可以用小孔径阵列探头和较低的工 作频率对目标物体进行高侧向分辨力的观察，且分 辨力不随目标离探头距离的增大而变差，在图像重 构过程中易于应用各种数字处理技术提高成像清晰 度和信噪比。

Xi­1 Xi Xi+1 Xi­1 Xi Xi+1 

θj­1 

αj­1 

cj 

ccj­1 

pi（xj+1 

i，zi）

图5 合成孔径聚焦基本原理示意图

针对介质的非均匀各向异性带来的相位偏差问 题，德国夫琅和费无损检测研究所提出了“反向相 位匹配”的方法加以解决[22]  。为了更好地理解“反 向相位匹配” ，想象在被检对象上(x，y)处分布一个 点状散射体 a，它均匀地向各个方向发射声波。在 材料表面，散布 n 个孔径尺寸小于半波长的接收阵 元，来接收由于位置不同而具有相位差别的信号。 反过来将这些接收阵元转换为发射阵元时，就可以 使用先前计算或测量到的相位差实现在 a点的声场 聚焦。为了正确计算每个阵元到各个点(x，y)的传 播时间从而得到相位差，必须先采用声线示踪算法 对声束路径以及该路径上的声速进行计算。对于各 向同性的材料(图 6a)，声波沿直线传播，相位差的 计算价值不大， 但 “反向相位匹配” 对于诸如 CASS 焊缝等各向异性材料(图 6b)却具有重要意义：通过 该方法得到不同位置的相位差，从而应用于空间任 意点的声场聚焦，解决了介质的非均匀各向异性带 来的相位偏差问题。 

相控阵探头

相控阵探头

（x，y）

（x，y）

各向同性

各向异性

(a) 各向同性的铁素体不锈钢焊缝 (b) 各向异性的奥氏体不锈钢焊缝 

奥氏体不锈钢超声相控阵

图6 对于不同介质的“反向相位匹配”示意图 

3.4 先进 PAUT系统的研制和开发

国外研究者在 PAUT系统的研制方面做了大量 工作。20 世纪 60 年代，美国的 BECKER和 CROW 设计了含 120 个发射阵元的相控阵系统， 实现了 45 °和 60°超声声束的发射[37]  。1998 年，WU 等[36]  研发了软件工具并利用过滤B扫描图像的方法抑制 散射噪声， 实现了核废料罐电子束环焊缝自动检测。 1999 年加拿大 LAMARRE 等[41]  利用相控阵的电子 扫描特性对航空飞行器的焊缝进行了检测，并且研 制出一个有 16/64 阵列的相控阵检测仪器，检测结 果以能以 A扫、B  扫、C  扫和D 扫的形式显示。2000  年，德国的 RAINER 等[42]  利用相控阵聚焦的特性， 增加发射信号的信噪比，使发射声束的能量集中投 射到指定区域，提高了仪器的检测性能。韩国的 HWANG等[43]  采用数字化技术研制了具有动态偏转 及聚焦特性的相控阵系统。法国原子能委员会则着 重于探头和声束聚焦延时规则的研究，提出了一个 探头设计的新概念， 并研制了具有 15 mm曲率半径 的弯曲探头[44]  。在国内，清华大学针对实际检测中 理想焦点和实际焦点存在偏差的问题，研制了自适 应聚焦数字相控阵超声检测系统，大大提高了检测 分辨力[47]  。中国科学院声学研究所设计了一种基于 CPCI 总线和 FPGA 的超声相控阵控制、采集与全 并行处理系统，可以在高尘、高冲击负荷等恶劣环 境下工作[46]  。哈尔滨工业大学根据工业无损检测的 实际需求，研制了便携式超声相控阵检测成像仪， 可实现超声相控阵横纵波探伤，自动发射接收超声 波信号，实时数据采集，并提供多种缺陷图像显示 方式[45]  。上述研究成果无疑为相控阵超声检测技术 的工业应用提供了重要的硬件支撑。

常规相控阵通过阵元的独立发射和接收来提供 检测数据，由于在检测和评价材料时只使用了系统 数据采集能力的一小部分，产生了很大浪费，针对 这一问题，德国夫琅和费无损检测研究所率先提出 了“采样相控阵”(Sampling phasedarray, SPA)的思 想[22­24]  ，对研制先进的 PAUT系统起到了重要的推 动作用。 

SPA技术的基本原理如图 7 所示。单个发射阵 元 i 发出声波后，所有阵元都接收回波信号，得到 数据集 Aij(t)，j=1,2,…, N (j 为接收阵元；N 为线阵 探头阵元数)； 当所有阵元依次完成上述发射和接收 过程后，就可得到完整的信息矩阵。信息矩阵中每 行都可通过重构而得到一个完整的扫查图像，这样 利用发射和接收的多次循环就可得到任意扫查角度

和焦点位置的扇扫重构图像。 图 7b 为一个4 阵元相 控阵扫查系统的信息矩阵获取过程。

由于常规相控阵的近场长度是由整个阵列决定 的，而 SPA的近场长度则由单个点声源决定，与前 者相比 SPA可有效减小近表面盲区；而且，将 SPA 与 SAFT 技术结合使用，可重构得到任意角度和位 置的图像，实现实时三维成像，满足缺陷定量成像 

发射 接收

(a) 发射、接收过程示意图 

相控阵探头阵元

时间信号

扫查对象

(b) 4 阵元相控阵扫查系统的信息矩阵

图7 采样相控阵的基本原理

的要求(图 8)并显著提高检测速度。此外，超声波声 束在 CASS 等各向异性介质中传播时会偏斜、 扭曲， 导致声程的不确定性，采用“反向相位匹配”技术 可精确计算图像上每一点到单独阵元的传播时间， 结合 SPA技术快速进行相位匹配的图像重构，从而 提高了图像重构质量(图 9)。

单探头孔径

扫查体积内的三维重构 缺陷

一维合成孔径

二维合成孔径

图8 采样相控阵的三维图像重构

(a)试验实物照片

奥氏体不锈钢超声相控阵

切槽顶端 

底面

底面

(b)常规相控阵成像 

(c)采样相控阵成像

图9 CASS焊缝试样的扇扫成像 

4 结论

本文围绕厚壁 CASS 管道焊缝的 PAUT技术， 进行了文献调研和难点剖析，主要内容如下所述。 

(1) 通过对国内外研究现状的分析，归纳了厚 壁 CASS 管道焊缝 PAUT技术的主要难点和关键技 术。 

(2) 针对各项关键技术，给出了相应的解决方 法和策略。 

(3) 对国内外具有代表性的厚壁 CASS 管道焊 缝 PAUT技术的最新研究成果进行了介绍。分析表 明，将 PAUT技术与数值模拟、信号处理、成像技 术等现代化技术相结合，将在厚壁 CASS 管道焊缝 检测中发挥重大作用。

参 考 文 献 

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Seminar 

on 

Non­Destructive Evaluation, Shanghai, 2010：15­19. 

作者简介：林莉(通信作者)，女，1970 年出生，博士，教授，博士研究 生导师。主要研究方向为材料超声无损检测与评价。 E­mail：linli@ 

杨平华，女，1985 年出生。主要研究方向为相控阵超声检测技术。 E­mail：2004yangpinghua@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/66vq.html