呂 偉 劉鑫龍 韓志雄
0 概述架梁設備屬於起重機特種設備，包括架橋機、運梁車、搬運機、提梁機等，主要工作是將預製混凝土箱梁從梁場運送並架設到預製好的高鐵橋墩上，具有工況條件苛刻、承重大、負荷高等特點。機械承重結構和承重單元容易在反覆運行和交變負載情況下，衍生出危害設備安全運行的裂紋類缺陷，導致架橋機械傾覆、垮塌等事故發生，為確保設備的安全運行，需要定期對架橋機的吊杆、吊杆螺母及各支腿升降插銷、提梁機和搬運機的吊杆、重要銷軸、梁焊縫等部位進行超聲波無損檢測，及時發現並排除危害性缺陷，排除安全隱患，確保設備安全施工。隨著高鐵建設和公路建設要求的提高，架梁設備的規格和承載越來越大，對檢測的要求也更加嚴格，而常規A 型超聲由於其聲束擴散、近場盲區及角度單一等問題，造成吊杆、插銷等架梁設備中承載元件缺陷的誤判或漏判風險日益增加。為提升架梁設備的檢測效率，尋找精度更高、更可靠的檢測方法變得尤為重要。近年來，超聲波相控陣檢測技術因其具備自動聲束偏轉、自動聚焦、多維成像等諸多優勢，為業界所推崇，廣泛應用於電力、石油石化、機械、船舶、航空航天、特種設備、冶金等行業設備的缺陷檢測中。我公司也引進了超聲波相控陣檢測設備，並利用相控陣得的技術對架梁設備進行了檢測試驗研究、並開展了現場工程驗證應用，取得了較好的現場應用效果。
1 相控陣檢測技術1.1 相控陣技術原理超聲波相控陣是近些年來在無損檢測領域發展起來的新型檢測技術，其基本原理來源於雷達技術。在相控陣雷達技術中，由多個子天線按照一定空間形狀組合，各自按照規定的延時和幅度發射電磁波，得到一定空間範圍內靈活聚焦掃描的雷達波束。20 世紀60 年代Brand Field 最早提出將相控陣概念引入無損檢測領域。
相控陣探頭由多個相互獨立的壓電晶片組成，各壓電晶片在空間上按一定方式排列組成一個陣列，每個晶片稱為一個陣元。一般是從一塊較大的壓電材料母片上刻蝕出細小溝槽，形成多個獨立的陣元（見圖1），每個陣元可單獨控制收發延遲。超聲相控陣探頭是基於Huygens 原理進行設計。
圖1 相控陣探頭陣列
相控陣技術是利用波動物理學的相位調整原理，即通過對陣列探頭的不同單元在發射或接收聲波時施加不同的時間延遲( 發射電壓幅度) 規則——聚焦法則，使陣列中的每個晶片生成的單個波前交匯在一起（見圖2），以可預見的方式加強或減弱聲波的能量，從而使聲波有效實現檢測聲束的偏轉、聚焦、和移動等功能的超聲成像檢測技術（見圖3）。
圖2 波束合成
圖3 聲束的偏轉、聚焦、移動
1.2 相控陣技術優勢1）採用電子方法控制聲束聚焦和掃描，檢測速度成倍提高。該技術的超聲波束方向可自由變換；焦點可以調節甚至實現動態聚焦；探頭固定不動便能實現超聲波扇掃或線掃；相控陣技術可進行電子掃描，比通常的光柵掃描快一個數量等級。2）具有良好的聲束可達性，能對複雜幾何形 狀的工件進行探查。用一個相控陣探頭即可涵蓋多種應用，通過建模、最佳聚焦、最佳波束角度設置，可以靈活實施各種複雜結構的成像檢測（如螺栓、電熔焊、TKY、管座、車軸、汽輪機葉片等），不象普通超聲探頭應用單一有限。對某些檢測，可接近性是「攔路虎」，而對相控陣只需用一個小小的陣列探頭即可完成多個單探頭分次往復掃查才能完成的檢測任務。3）通過優化控制焦點尺寸、焦區深度和聲束方向，可使檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能得到提高。4）數據以電子文件格式存儲，具備很強的可追溯性，操作靈活、簡便且成本低。5）真實幾何結構成像技術。解決複雜幾何構件檢測難題；實時生成幾何形狀圖象；指出缺陷真實特徵位置；成像由各聲束 A 掃數據生成；實際檢測結合工藝軌跡追蹤；同步顯示A、B、S、C、D、3D 掃描數據。
2 相控陣技術在架梁設備中的試驗與驗證2.1 試驗物品1）試驗儀器 分別採用武漢中科漢威牌HS PA20型相控陣檢測儀及武漢中科漢威牌HS 620 型常規超聲波檢測儀進行檢測對比；2）探頭 5M1.0×13 相控陣探頭、2.5Mφ 20 常規超聲探頭；3）檢測樣件 選用架橋機吊杆1 根、並在距端頭125 mm 位置鋸0.5 mm 人工刻槽缺陷。
2.2 檢測、驗證方法及內容採用聲波相控陣技術、常規超聲A 掃技術從吊杆端頭進行缺陷檢測，採用超聲波相控陣技術、常規超聲A 掃技術分別對同一缺陷進行5 人次盲測，並分別進行儀器設置及工件檢測，最後對儀器設置及工件檢測時間、結果的重複性、測量精度進行對比驗證。
2.3 檢測設置1）相控陣設置 首先在菜單上選擇需要使用的探頭，再將備檢吊杆的尺寸輸入到儀器中，儀器自動模擬吊杆形狀，最後選擇調整需要檢測的區域，相控陣設備自動進行聲束覆蓋模擬，進行縱波校準及靈敏度校準後即可開始檢測。
2）A 超設置 首先進行縱波校準，然後根據檢測工件厚度進行靈敏度設置，即可進行探傷檢測。
2.4 檢測結果HS 620 型超聲波檢測儀A掃檢測結果如圖4 所示，HS PA20 相控陣檢測結果如圖5 所示。
圖4 吊杆人工缺陷A 超檢測結果
圖5 吊杆人工缺陷相控陣檢測結果
2.5 檢測對比結果從表1 所示檢測對比結果可知，相控陣檢測結果更準確，常規A 超都是利用垂直入射進行計算，而在實際吊杆檢測中，由於探頭直徑的問題，缺陷一般都是擴散聲束髮現，儀器不能識別，更不能進行角度換算，故測量誤差偏大；相控陣檢測技術由於多角度檢測，可進行不同角度深度自動換算，故檢測結果更準確，相控陣檢測效率也更高。對比試驗中，5 個試驗人員A 超的調校時間普遍比相控陣調校時間短，而在缺陷尋找和判定過程中，試驗人員使用相控陣時，缺陷的判定時間遠比使用A 超設備要少。換言之，由於相控陣具有多角度，大大增加了超聲波垂直反射的機率，又引入了模型仿真，對缺陷的判定更加容易，更便於操作，檢測效率更高。
3 架梁設備現場應用效果通過對吊杆試塊的檢測驗證，相控陣技術能夠較好的提高檢測效率和檢測精度，為驗證該技術在現場的應用能力，筆者單位又對現場吊杆、3 號柱升降插銷、吊杆螺母、均衡軸等架橋機構件進行了現場檢測應用，並及時發現了一些危害性缺陷，取得了較好應用效果。
4 總結1）相控陣技術具有聲束自動位移、偏轉、聚焦功能，提高了架梁設備的檢測精度和檢測效率；2）相控陣技術具有模型導入功能，使缺陷判定更方便，提高了缺陷檢出率；3）相控陣探頭採用陣列設計，一個探頭可以進行幾乎架梁設備上所有工件，檢測工藝更加簡單，現場操作更可靠；4）相控陣檢測圖像直觀易懂，業主方能夠很容易理解檢測結果，減少不必要的解釋和誤解；5）相控陣技術還可根據需要進行全程掃描記錄並存儲，隨時調用，為結構件的監控及壽命評估提供條件。