厚壁鋯合金管材超聲波探傷方法研究

朱康平，王 力，馮 輝，文 寧

(西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

1 前言

核工業用的鋯合金厚壁管，規格為φ45 mm×11.25 mm，要求進行人工標準缺陷為槽型3 mm×0.1 mm×0.05 mm(長×寬×深)的超聲波探傷。通常，對壁厚與外徑之比(t/D)不大于0.2的管材采用純橫波法探傷［1-3］，而對于 t/D大于0.2的管材，受幾何條件限制，橫波可能無法檢測到內壁，一般采用變型橫波斜射法、斜射縱波切內壁法等［3-7］，這些方法波形轉換及技術處理較為復雜，而且檢測靈敏度較低。待檢鋯管t/D達到0.25，且探傷靈敏度要求很高，對于這種厚壁鋯合金管的超聲波探傷方法尚未見報道。本研究為獲得厚壁鋯合金管操作方便、準確可靠的探傷方法進行了實驗。

根據超聲波探傷相關理論［1］計算，可采用純橫波探傷方法探測最大t/D為0.258的鋯管，該規格鋯管剛好可使折射橫波的聲束軸線達到內壁。同時，如能預判出各反射波信號出現的位置，在檢測參數上準確控制，避免其相互干擾，采用雙角度縱波斜入射、橫波與縱波相結合的探傷方法應是可行的。本實驗采用水浸聚焦方式對以上3種方法進行對比實驗，確定出該規格鋯合金管材最優的探傷方案。

2 實驗原理及方法

2.1 基本原理

利用波的折射定律，通過調節偏心距(即改變入射角)，使折射聲場中生成所需的波型，并滿足以下3種探傷方法所要求的條件。

2.1.1 純橫波水浸聚焦法

如圖1所示，探頭發射的縱波聲束斜入射到水/管材界面時發生波形轉換，當入射角在第一臨界角和第二臨界角之間時，縱波全反射，進入管材內部只有橫波，利用折射橫波來檢查整個管材內部的缺陷。該方法的必要條件為:折射橫波能檢測到管材內壁。計算偏心距X為:7.2 mm≤X≤7.4 mm。

圖1 純橫波探傷示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic testing by pure transverse wave method

2.1.2 橫波縱波相結合水浸聚焦法

如圖2所示，使入射角度小于第一臨界角，管材內同時傳播折射縱波和折射橫波，利用折射橫波檢測管材內壁及近內壁部位，折射縱波檢測管材外壁，從而檢查整個管材的截面。該方法的必要條件為:折射橫波能達到管材內壁，而折射縱波僅能達到外壁。計算偏心距X為:3.8 mm

圖2 橫波縱波相結合探傷示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing by combing transverse wave with longitudinal wave

2.1.3 縱波斜入射水浸聚焦法

如圖3所示，在小于第一臨界角的范圍內選擇兩個不同的入射角度，使其中一個折射縱波(L'1)能達到管材內壁，而另一個折射縱波(L'2)只能達到管材外壁，利用具有較高能量的折射縱波檢查整個管材截面內的缺陷。此時，L1的偏心距為:X≤3.8 mm，而L2的偏心距為:3.8 mm

圖3 縱波斜入射探傷示意圖Fig..3 Schematic diagram of ultrasonic testing by longitudinal wave incidence with inclination

2.2 反射信號辨別及干擾去除

探傷時可能存在的反射信號包括:界面波及其多次回波、缺陷波及其多次反射波、不需觀察的折射波信號及其多次反射波等［8-9］，利用幾何聲學原理可計算出這些回波信號在時基線出現的位置，通過對探傷參數的調節，使有用信號出現在不需觀察的回波信號之前，再通過報警閘門始端、終端位置(觀測窗口)的調整避開無用信號對探傷的干擾。

純橫波探傷時，干擾信號只有界面波及其多次反射波，如圖4所示。通過調節水距，使一次內、外壁缺陷信號(F內、F外)在一次界面波(S1)和二次界面波(S2)之間出現，避開界面波對探傷的干擾。

圖4 純橫波探傷波形示意圖Fig.4 Schematic diagram of waveform using pure transverse wave

采用橫波縱波相結合的方式探傷時，除避開界面波干擾外，通過調節閘門位置，只觀測一次折射縱波和一次折射橫波的反射信號以避開其他信號的干擾，此時的波形示意圖見圖5。由于鋯中縱波聲速約為橫波聲速的2倍，雖然縱波聲程較大，但外傷信號出現在內傷信號之前。

圖5 橫波縱波相結合波形示意圖Fig.5 Schematic diagram of waveform of combing transverse wave with longitudinal wave

采用縱波斜入射法時，通過兩個通道分別調節內、外壁人工缺陷，其波形與橫波縱波相結合的波形類似，但閘門終端位置提前，見圖6。此時，由于折射縱波聲速大，同時產生的折射橫波缺陷反射信號在縱波反射信號之后出現，通過閘門終端位置的前移可排除橫波信號的干擾。

圖6 縱波斜入射波形示意圖Fig.6 Schematic diagram of waveform of longitudinal wave incidence with inclination

2.3 實驗

分別按3種探傷方法的條件，在偏心距范圍內均勻的選取幾點(其中純橫波法因偏心距范圍小僅取一點)。對每個偏心距，用不同的水中聲程對標準管進行調試實驗，觀察各方法對標準管內、外壁人工缺陷的反射波形及探傷靈敏度(增益讀數)的變化情況，通過對比，確定出3種方法最優的探傷參數。在3種方法的最優參數下，使標準管連續多次通過探傷設備，觀察動態調試效果，驗證其檢測結果的可靠性。

探傷設備采用美國TACTIC公司76EX-18管棒材自動檢測系統，其配套儀器為GE公司USPC2100四通道超聲波探傷儀。考慮水距和探傷靈敏度要求，選擇頻率為10 MHz、焦距為60 mm、晶片尺寸為12.7 mm的線聚焦探頭。

3 結果與分析

3.1 純橫波法

選擇偏心距為7.3 mm，用不同的水距對標準管進行探傷實驗，當內、外壁人工缺陷波幅均達到70%滿幅時，增益讀數見表1。純橫波法探傷時，超聲波束發現內傷時的聲程是外傷聲程的一半，因材料的聲能衰減和聲程較大，理論上內傷波幅應高于外傷，但從表1的結果來看，其內傷波幅反而明顯低于外傷。從表1還可看出，當水距增加，內傷檢測靈敏度變化不大，但稍有提高，而外傷檢測靈敏度明顯降低。這是因為焦點上移后，打在內壁的聲束變得集中，而打在外壁的聲束更發散，使內傷靈敏度有所提高，而外傷靈敏度降低。當焦點落在內壁左右(水距為49 mm)時，內、外壁人工缺陷波幅基本達到一致，但此時增益值較高，如圖7所示，當標準傷波幅達到滿幅的70%時，噪聲信號達到了20%～30%，不利于缺陷信號的辨別。

表1 純橫波探傷實驗結果Table 1 Testing results of defect detecting by pure transverse wave

3.2 橫波縱波相結合法

在3.8～7.2 mm范圍內選擇4組偏心距，分別用不同的水距對標準管進行探傷實驗，當內、外壁人工缺陷波幅均達到滿幅的70%時，實驗結果見表2，探傷波形見圖8。

圖7 H=49 mm時純橫波探傷波形Fig.7 Waveform of defect dectecting by pure tranverse wave during H=49 mm

表2 橫波縱波相結合探傷實驗結果Table 2 Testing results of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave

圖8 X=6 mm、H=38 mm時橫波縱波相結合探傷波形Fig.8 Waveform of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave during X=6 mm and H=38 mm

由表2可見，隨著水距的增加，內傷的檢測靈敏度逐漸增高，而外傷的檢驗靈敏度逐漸降低。從實驗結果看，有兩組實驗結果比較理想:偏心距為4 mm、水距為38 mm時，增益讀數在74 dB左右，內、外壁人工缺陷增益差為1 dB;當偏心距為6 mm、水距為38.5 mm時，增益讀數在78 dB左右，內、外壁人工缺陷增益差為1.5 dB。這兩組的探頭焦點均落在與聲束中心軸相垂直的管材半徑附近。由圖8的波形上看，此時雜波低，內、外壁人工缺陷波均清晰可見，比較適合此規格的管材探傷。

3.3 雙角度縱波斜入射法

3.3.1 外傷檢測

雙角度縱波斜入射時，外傷的調節與橫波縱波相結合方法一致，其偏心距及水距對探傷靈敏度的影響見表2。從表2的結果可知，縱波探外傷時，偏心距及水距越大，探傷靈敏度越低，但其變化幅度并不明顯，尤其當偏心距在4～6 mm范圍內變化時，探傷靈敏度的變化很小。為避開橫波打在內壁缺陷時的反射信號，橫波內傷信號與縱波外傷信號距離越遠越好，以避免因尺寸公差變化或探傷過程中管材跳動造成的誤判。通過實際探傷波形可知，偏心距加大時，內、外壁人工缺陷信號間距增大，因此應盡量選擇較大的偏心距。

3.3.2 內傷檢測

在≤3.8 mm的范圍內選擇4組偏心距，分別選擇不同的水距對標準管的內傷進行探傷實驗，波幅達到70%滿幅時，實驗結果見表3。

從表3的結果可知，偏心距及水距的變化對探傷靈敏度均沒有大的影響，且增益值均較低，信噪比較好(見圖9)。內傷調節時，只需把偏心距及水距落在一個較寬的范圍內即可，操作簡便易行。

表3 縱波斜入射探內傷實驗結果Table 3 Testing results of detecting inner defects by longitudinal wave incidence with inclinationwave

圖9 X=3.2 mm、H=41 mm時縱波探測內傷的波形Fig.9 Waveform of detecting inner defects by longitudinal wave during X=3.2 mm and H=41 mm

3.4 動態調試及實際應用

用最優的參數調試出3種方法比較理想的探傷狀態，在正常探傷的條件下，使標準管連續20次通過探傷設備，設備對內、外壁人工缺陷報警情況見表4。

從表4的結果可知，純橫波法內壁缺陷的報警率僅為35%，這是因為采用該方法時偏心距可調范圍小，對調節的精度要求高。同時，由于管材尺寸公差的變化或檢測過程中管材的跳動，會使實際入射角發生變化［10］，使折射橫波聲束軸線可能無法達到管材內壁，從而造成內壁缺陷漏檢的情況。該結果驗證了純橫波法不適用于t/D大于0.2的管材探傷［1-7］的經驗是正確的。

橫波縱波相結合法及雙角度縱波斜入射法的內、外壁人工缺陷報警率均達到100%，且通過波形記錄可知，這2種探傷方法重復性較好，內、外壁人工缺陷反射信號波動均小于2 dB，說明這2種方法的檢測結果是穩定的。采用這2種方法檢測時，橫波、縱波均同時在材料中傳播，由于其傳播角度不同，增加了對不同方向缺陷的發現幾率，但對壁厚內部缺陷無法準確定位，需要時，可輔以純橫波或直射縱波進行判斷。

表4 3種方法的動態調試實驗結果Table 4 Testing results of dynamic testing of three kinds of method

作者已分別采用雙角度縱波斜入射及橫波縱波相結合的方法對數百支厚壁鋯合金管材進行了檢測對比，2種方法的檢測結果對應性很好，說明2種方法均是可靠的，探測結果也得到用戶認可。

橫波縱波相結合的方法需用一個報警閘門同時采集內、外壁人工缺陷的波幅，調試時應使內、外壁人工缺陷反射波幅的差異小于2 dB，一般需經多次調試才能符合要求。雙角度縱波斜入射采用不同的通道和閘門單獨調試內、外壁缺陷，1次調試即可達到要求，操作更簡單易行，但該方法要求設備有多1倍的通道或1支管材進行2次探傷，效率較低，適用于管材數量較少時的檢測。

若需探測t/D更大的鋯合金管材，橫波縱波相結合及雙角度縱波斜入射法可通過進一步減小入射角度，使聲束達到內壁，從而達到探傷目的。

4 結論

(1)純橫波法不適用于規格為φ45 mm×11.25 mm鋯合金管材的超聲波探傷;采用橫波縱波相結合或雙角度縱波斜入射法對該規格鋯管進行探傷是可行的，也是可靠的，這2種方法同時適用于探測t/D更大的管材。

(2)雙角度縱波斜入射法操作更簡單易行，但效率較低，適合小批量厚壁管的檢測，而橫波縱波相結合法更適用于大批量厚壁管檢測。

(3)橫波縱波相結合和雙角度縱波斜入射法較傳統的變型橫波斜射法、斜射縱波切內壁法等方法在理論及技術處理上更簡單易行，且檢測靈敏度高，值得推廣。

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