相控陣超聲波檢測的介紹及在香港的發展優勢 Introduction to Phased Array Ultrasonic Testing and Development Advantages in Hong Kong

HKWPS
7月13日
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相控陣超聲波檢測在香港與發展潛力

1. 相控陣超聲波檢測（PAUT）簡介

2. PAUT與傳統超聲波檢測的區別

3. PAUT的工作原理

4. PAUT的圖像顯示方式

5. 香港的PAUT應用領域

6. 香港的發展潛力

7. 香港的優勢

8. 未來趨勢

9. 挑戰與應對策略

10. 結論

11. 參考資料

1. 相控陣超聲波檢測（PAUT）簡介

相控陣超聲波檢測（Phased Array Ultrasonic Testing, PAUT）是一種先進的無損檢測（Non-Destructive Testing, NDT）技術，廣泛應用於醫療和工業領域。在醫療中，PAUT用於生成內臟器官的高分辨率斷層圖像；在工業中，PAUT用於焊縫檢測、熔接測試（如聚乙烯(PE)管道接口）、厚度測量和在役設備的裂紋檢測。與傳統超聲波檢測相比，PAUT使用多個小型探頭元件（16至256個），通過計算機控制的時序激發，實現聲束的靈活操控，提供更高的檢測精度和效率。

2. PAUT與傳統超聲波檢測的區別

傳統超聲波檢測通常使用單個或雙探頭元件（一個發射、一個接收），需要移動探頭來改變聲束方向，檢測範圍和靈活性有限。PAUT則使用多元件探頭陣列（如線性、環形或圓形陣列），可通過電子控制實現聲束的偏轉、聚焦和掃描，無需移動探頭。PAUT的頻率範圍通常為2 MHz至10 MHz，配備先進的計算機系統，能數字化處理回波並以多種格式（如A掃描、B掃描、C掃描和S掃描）呈現數據，提升檢測的靈活性和能力。

3. PAUT的工作原理

PAUT基於波相位原理，通過控制探頭陣列中各元件的激發時序，使生成的聲波前相互干涉，形成可控的聲束形狀和方向。以下是其核心原理：

· 聲束操控：通過對探頭陣列中各元件施加微秒級的時間延遲（時延），控制聲波的相位，使波前相互干涉，形成特定形狀、角度和焦點的聲束。這種電子控制實現聲束的偏轉、聚焦和掃描，無需物理移動探頭。

· 多元素協同激發：探頭陣列通常以4至32個元件的子組（孔徑）同時激發，通過調整孔徑大小和元件組合，提升聲束的靈敏度和聚焦精度，適應不同檢測需求。

· 焦點法則計算：專用軟件根據探頭參數、楔塊特性、材料聲學屬性（如聲速）以及檢測目標，計算最佳時延序列（焦點法則），生成精確的聲束路徑和聚焦位置，確保高效檢測。

· 動態掃描與成像：通過快速調整時延，聲束可在多個角度（如扇形掃描，10°至70°）和焦距範圍內動態掃描，實現對複雜結構的全覆蓋檢測。接收到的回波經時移處理後合併，生成高分辨率的A掃描、B掃描、C掃描或S掃描數據，直觀呈現缺陷的尺寸、位置和形態。

· 優勢：這種電子控制的聲束操縱技術使PAUT能夠快速適應不同檢測場景，提供高靈敏度、多角度和高分辨率的缺陷數據，顯著提升檢測效率和可靠性。

4. PAUT的圖像顯示方式

PAUT的檢測數據通常以以下格式呈現，幫助操作員可視化缺陷類型和位置：

A掃描：顯示單一聲束位置的時間-幅度波形，類似傳統超聲波檢測的輸出。

B掃描：展示測試件沿一軸的橫截面輪廓，顯示缺陷的深度和線性位置，適用於電子或機械掃描。

C掃描：以俯視圖顯示測試件的二維數據，顏色表示信號幅度，適用於腐蝕測繪和缺陷定位。

S掃描（Sectorial Scan）：顯示多角度A掃描合成的二維斷層圖像，水平軸表示寬度，垂直軸表示深度，廣泛用於焊縫檢測。

裂紋的圖像

5. 香港的PAUT應用領域

PAUT在香港的多個行業中有廣泛應用，包括：

焊縫檢測：用於基礎設施（如將軍澳跨灣大橋、地鐵系統）的焊縫完整性檢查，檢測裂紋、氣孔等缺陷。

腐蝕測繪：在港口設施和船舶中評估腐蝕程度，支持海洋和石油行業的預防性維護。

複合材料檢測：檢查航空航天行業和管道等的複合材料（如碳纖維、聚乙烯（PE）），確保無分層或孔隙。

航空航天與渦輪葉片：檢測飛機部件和渦輪葉片的內部缺陷，提升香港航空維修的安全性。

圖片來自 ISO/TS 16943:2019 Thermoplastic pipes for the conveyance of fluids — Inspection of polyethylene electrofusion socket joints using phased array ultrasonic testing

6. 香港的發展潛力

香港作為國際金融和貿易中心，擁有以下條件推動PAUT的發展：

基礎設施建設：大型項目如香港國際機場三跑道系統和地鐵擴建需要高精度NDT技術，PAUT的快速掃描和實時成像能力滿足這些需求。

航空與航運：香港國際機場和港口對飛機部件和船舶結構的檢測需求持續增長，PAUT的高效性和靈活性使其成為首選。

高科技製造：香港的“再工業化”政策促進電子元件和醫療器械的發展，PAUT可確保產品質量，檢測微小缺陷。

技術培訓中心：香港的教育基礎支持建立NDT(包括PAUT)培訓和認證中心，服務大灣區及亞太地區。

7. 香港的優勢

高效與成本效益：PAUT的電子聲束操控減少物理移動，縮短檢測時間，符合香港高效的商業環境。

適應複雜結構：香港的建築和工業設施常涉及複雜幾何，PAUT可具體反映複雜焊縫的形態。

高分辨率與數據記錄：PAUT提供詳細的S掃描和B掃描圖像，數字化數據便於存檔，滿足國際標準（如ISO、ASME、API）。

環境與安全：無輻射的PAUT適合香港人口密集的環境，減少對環境和人員的影響。

技術創新支持：香港的科研機構可與國際合作，開發如選擇性矩陣捕獲（SMC）等先進技術，提升本地應用效率。

8. 未來趨勢

PAUT在香港的未來發展將受到以下趨勢的推動：

設備小型化：輕便設備提升在狹窄空間（如高層建築、飛機內部）的檢測效率。

人工智能整合：AI分析提高缺陷檢測精度，適用於高科技製造的質量控制。

自動化機器人檢測：機器人系統可在危險環境（如水下管道）執行PAUT檢測，提升安全性和一致性。

適應先進材料：應對複合材料和複雜幾何的檢測需求，滿足航空航天和高科技製造的要求。

實時數據共享：支持遠程協作，加速跨國項目的問題解決。

增強可視化技術：AR/VR界面提供沉浸式數據可視化，提升缺陷解讀的直觀性。

9. 挑戰與應對策略

挑戰：

設備成本高，可能限制中小企業採用。

本地化標準尚未完善。

應對策略：

提供政府補貼或租賃模式，降低設備成本。

與國際機構合作，制定本地化標準，促進PAUT的廣泛應用。

10. 結論

相控陣超聲波檢測（PAUT）憑藉其高分辨率成像、快速數據採集和靈活的聲束操控，在香港的基礎設施、航空航天、航運和高科技製造業中具有巨大潛力。香港的經濟環境、嚴格的質量要求和科研基礎為PAUT的推廣提供了理想條件。通過克服成本和培訓挑戰，PAUT有望成為香港NDT領域的主導技術，為產業安全和可持續發展作出貢獻。

11. 參考資料

NDT-KITS

TWI Global

ResearchGate

BS EN ISO 13588, ISO/TS 16943, ASTM E2700-09, ASTM E2491-06, ASME 2235-9, ASME Case 2558, ASME-BPVC-V-2021, E3044/E3044M – 22