超声波无损检测新技术在核电领域的未来图景

摘  要：本文首先介绍了传统超声波无损检测技术的基本原理，其次列举了核电领域的无损检测需求，进一步分析了三种超声无损检测新技术的特点及应用现状。具体涉及的超声无损检测新技术包括相控阵超声检测技术、电磁超声检测技术和激光光电超声检测技术。在分别阐述三种新技术在核电领域的适应性及发展性后，展望了随着三种新技术的进一步发展，超声无损检测新技术被核电设备制造及在役核电站广泛应用的未来图景。

关键词：超声新技术;无损检测;核电领域;未来图景

中图分类号：TG115.285     文献标识码： A     文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

核电设备的材料和结构安全性以及核电站固有的辐射环境，对无损检测技术及结果的可靠性提出了更高的要求。超声波检测作为采用超声波技术对材料、焊缝及部组件的缺陷进行探测、定位、测量、评定和评价的检测方式，具有穿透能力强、灵敏度高、检测范围广、可实现自动化检测等优势，被广泛应用于核电领域。

1 传统超声波检测技术原理及特点

1.1 原理

超声波检测（UT），又称超声检测或超声波探伤，是一种无损检测（NDT）技术。超声波检测是利用材料声学特性的差异，基于超声波的传播特性和穿透时间的能量变化来检测材料内部缺陷的无损检测方法，可在不破坏原材料或部组件的前提下，直接对材料、焊缝及部组件的表面和内部质量的进行检测及评定。

传统超声波检测技术主要包括脉冲回波技术和时差衍射（TOFD）技术。脉冲回波技术主要采用频率范围1～5Mhz的脉冲回波型超声仪器，根据被检材料或焊缝，按需利用直射波检验、斜射波检验、接触法和/或液浸法进行缺陷检测。时差衍射技术则利用缺陷端部的衍射波传播时间来进行缺陷定位及判断缺陷当量大小。

1.2 特点

超声波检测技术穿透能力强，在固体中的传输损耗很小，探测深度很大。灵敏度高，对反射体的位向、大小、形状等方面检测较为准确。

但由于超声波在非均匀界面上的反射和折射，且无法通过气固界面，无法应用于易凝露的运行环境，受限于耦合剂。存在检测盲区，材料、焊缝或部组件近表面缺陷及轴偏离底面情况下须辅助其他检查手段，亦不适合粗糙、形状复杂、小、薄或非均质材料及部组件的检测。

2 核电领域无损检测技术需求

随着工业领域无损检测技术的检测能力更强、检测精准度更高、检测速度更快，设备更智能化、便携化、可靠化发展，核电领域无损检测方法也在逐步发展。

核电承温承压、受照、冷链设备运行环境及工艺条件特殊，其选材已充分考虑机械、物理、化学性能，避免随全寿期各工况变化、化学腐蚀以及各种粒子、射线辐照引起的材料失效。

与常规工业领域的机械部件不同的是，核电领域须首要考虑核安全要求及辐射防护要求：核安全要求促使核电设备在制造期间采用无损检测验证材料、焊缝及部组件可靠性，对于在役电站，更须定期进行在役检查及评估，以确保核电运行安全性与可靠性;辐射防护要求则驱使核电站采用更自动化、远程化、非接触式的检测方式，减少检测人员及设备受照剂量甚或避免表面放射性沾污。

核电领域无损检测技术亟需随整个社会的检测技术、电子技术、控制技术及精密加工技术等发展而逐步得以提高和改进，以弥补传统超声波无损检测技术的不足并克服其检测技术的难点。

3 超声波无损检测新技术

3.1 相控阵超声检测技术

（1）原理。相控阵检测（PAUT）是超声检测的一种，其探头由多个超声探测晶片按给定规律分布排列而成，每一个晶片可分别设置声束轴线和声束焦点等参数，在基于预设的时间被逐一激发后，可形成聚焦超声波阵列，既能控制波阵面的形状和方向，且能实现波束聚焦、动态深度聚焦、偏转、线性扫查和扇形扫描。

（2）特点。相位阵列遵循聚焦规则来激活不同的超声波速度，每个超声波速度具有形状并且可以聚焦在不同的深度，从而允许对被测物体的缺陷进行更有针对性的检测，并且具有更大的缺陷检测能力。同时以执行多角度扫描。在被测物体的扫描检查期间，相控阵探头可以交替地激励芯片，在这种情况下，扫描可以快速且高精度地完成。相控阵超声传感技术的固有数据非常丰富，从而为二次分析提供了有用的条件，并使得通过成像测量的物体内部结构可视化。

相較于常规的超声检测技术，相控阵超声检测技术具有检测速度更快、可变角度扫査，图像直观，有利于缺陷判别的优势。

（3）适应性。相控阵超声技术初期应用于医疗领域，如医用超声。由于相控阵系统的复杂性、波在固体中传播的复杂性、高成本和相对较小的市场规模，在工业无损检测中的应用有限。过去几十年来，随着复合压电芯片材料、脉冲信号控制和信号处理技术的发展，相控阵技术越来越受到各界的关注，部分核电站和核电检测公司开始采用相控阵超声检测技术：大亚湾和岭澳核电站将相控阵超声检测技术应用到常规岛汽轮机低压转子叶片叶根的无损检测;中核武汉核电运行技术股份有限公司将相控阵超声检测技术应用到核一级设备容器接管内圆角区的无损检测。

（4）发展性。相控阵超声检测技术的自动检测性可以提高检测速度，减少操作人员在放射性环境中工作时的照射时间。能够适应更复杂结构或焊缝的超声波检测，检测的可达性和适用性好;检测效率高、检测灵敏度高、检测直觉和实时性高;缺陷的定性和定量分析更加准确可靠。作为先进的超声波检测技术的代表，相控阵超声波检测技术将愈具优势，也将具有更大的发展前景，在核电领域无损检测中得以广泛应用。

3.2 电磁超声检测技术

（1）原理。电磁超声检测，是无损检测领域的一项新技术。电磁超声检测技术通过电磁感应原理激发和接收超声波，它的能量转换直接在被测材料、焊缝或部组件表面的表层进行。当靠近被测表面的线圈被通以高频电流时，线圈附近区域将因电磁感应现象产生同频涡流场，同时施以外界强磁场，使被测表面产生周期性振动，至此激发出电磁超声波。而此时外界强磁场作用下的被测表面将感生出表面波，并在线圈中产生感应电压，电压变化情况将反应被测材料、焊缝或部组件的缺陷情况。

（2）特点。电磁超声检测技术与传统超声波检测技术相比，对表面粗糙度的要求比较低，并且大大减少了适应工作量;不需要与受控对象直接接触，可用于高温在线检测;不需要使用耦合剂;检测的效率高，具体表现在检测速度快、需求通道数量少。同时，电磁超声换能器可在一定激发条件下，实现自行选择波形模式，聚焦在被测物体（导体）中，用于缺陷的量化和定位。

（3）适应性。电磁超声检测技术只能对导电性或铁磁性材料进行检测，其明顯的优势，在核电领域设备的金属部件检测方面具有良好的适应性。

（4）发展性。电磁超声检测技术尚未作为核电设备的无损检测技术之一被引入，其中主要原因是电磁超声换能器的换能效率比压电换能器低，且灵敏度太高，容易受环境影响，传输效率低，接收信号弱。这也促进了电磁超声检测技术的进步，目前主要包括电磁激励装置的优化和生态信号的处理，电磁超声波传导技术和激光电磁超声技术是基于这种开发和生产的新技术。

随着超声检测技术的发展，电磁超声检测技术具有无需耦合剂、非接触式检测等优势，且在表面不平滑或高温材料的检测中有着较强的优势，可以减少对被检对象进行表面处理的工序，从而提高检测效率;随着对电磁超声技术的研究，及精密电子发射器、接收器、换能器的研发，电磁超声技术也许在不久的将来，也将成为传统无损检测技术的有力补充。随着检测技术的进一步发展，其终将在核电站的设备及部件的检查中发挥作用。

3.3 激光光电超声检测技术

（1）原理。激光超声的产生方法可分为直接法和间接法两大类：直接法是采用激光直接作用于被测材料，通过热弹性效应或烧蚀作用激发超声波;间接法，利用被测材料周围的其他物质作为媒介以产生超声波。一般认为，在固体中激光激发超声波机制，可根据入射激光的功率密度和固体表面的条件而变化。对于清洁、自由的固体表面，如果激光入射的功率密度低且激光能量不足以溶解固体，则热弹性机制将起到重要作用。对于高功率密度的激光器，温度的升高会部分溶解固体，甚至引起烧蚀，尽管热弹性机制仍然存在，但烧蚀效果仍起决定性作用。为避免表面产生损伤，直接法中的热弹激发更符合无损检测技术要求，以其为基础的光电检测即为一种新型无损检测技术。

（2）特点。激光光电超声检测技术是一种新型的无损检测技术，它不需要与被检测物件相接触，并且灵敏度高。该技术的基本原理是借助激光脉冲在被检测物件内部激发超声波，再通过激光束，对超声波的传播路径进行探测，据此获取被检测物件的相关信息，如内部缺陷、厚度以及材料参数等。该技术在核电检测中的适应性体现在：非接触性，避免了耦合剂对测量范围和精度的影响;具有高检测频率带宽（吉赫兹）的特点，具有测量微小缺陷裂纹的能力，故而检测灵敏度高，可达亚纳米级;可用于表面几何形状复杂及超薄材料及部组件的检测。

（3）适应性。目前，激光光电超声检测技术已应用于许多工业领域。激光光电超声检测技术可以定性和定量检测材料的内部缺陷。激光产生的脉冲宽度非常窄，其最大频率可以达到几千兆赫。产生的波长只有几微米，可以提高材料内部的微缺陷检测能力。激光光电超声检测技术作为一种非接触无损检测方法，能够在高温、高辐射和有毒等恶劣环境下进行高精度无损检测。对于V形和蜂窝夹层结构等形状复杂的样品，激光光电超声检测技术可在单次激发过程中产生多种超声信号模式，可应用于风扇叶片、机翼主轴组件以及核电站某些关键部件的实时断裂缺陷检测。

（4）发展性。近年来，由于科学技术的不断发展和完善，激光光电超声检测技术取得了长足的进步，突破了众多瓶颈。由于激光定位本身的不稳定性，其在核电领域的应用相对较少。因此，在下一个阶段，应加强对技术稳定性的研究，以确保它能够更广泛地用于核电领域无损检测。

4 结语

综上所述，核电设备的核安全要求以及核电站放射性运行环境要求，对传统超声波无损检测技术的广泛适用性提出了挑战，而超声波无损检测新技术突破了传统技术的缺陷限制。如今我们应加快超声波无损检测新技术的研究步伐，将相控阵超声检测技术应用至核岛主设备在役检查，将电磁和激光光电这两种超声波无损检测新技术向核电领域推广。

在采用超声波无损检测新技术的同时，应遵循相应检测法规、规范及标准要求，由专业无损检测人员，使用明确适用变素要求并被评定有效的程序文件，出具达到检验验收准则的报告，使无损检测活动更有序高效，确保制造过程中的核电设备、在建或在役核电站安全可靠。

参考文献

[1]ASME BPVC.V-2017.Nondestructive Examination[S].

[2]李春亮，施同飞，房丽云，吴景春.超声波检测技术的现状[J].中国建材科技，2016，25（5）：133-133.

收稿日期：2019-07-05

作者简介：宋沁（1987—），女，汉族，广东深圳人，本科，工程师，研究方向：核电仪控与辐射监测;姚轶谦（1987—），男，汉族，河北石家庄人，本科，工程师，研究方向：核工程;房体航（1993—），男，汉族，吉林敦化人，本科，助理工程师，研究方向：核电仪表。