HTR高溫環(huán)境對超聲探頭聲學(xué)性能的影響

甘文軍，盧 威，張益成，謝 航

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

?

HTR高溫環(huán)境對超聲探頭聲學(xué)性能的影響

甘文軍，盧 威，張益成，謝 航

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

在15～65 ℃環(huán)境下，分析溫度對普通超聲波探頭的聲速、靈敏度的聲學(xué)性能影響，確定普通超聲波探頭的適用溫度范圍，以及在適用溫度范圍內(nèi)溫度對超聲波探頭在碳鋼中傳播速度及靈敏度的影響。使用8 ℃環(huán)境標(biāo)定參數(shù)在52 ℃環(huán)境下進(jìn)行超聲波在線檢測，并根據(jù)溫度與探頭在碳鋼中傳播速度及靈敏度關(guān)系，對靈敏度進(jìn)行修正，并將修正結(jié)果與8 ℃環(huán)境標(biāo)定參數(shù)及在線檢測結(jié)果進(jìn)行對比，證實(shí)該檢測方法的可行性。試驗(yàn)結(jié)果對高溫氣冷堆(HTR)的在役檢測工作具有一定的指導(dǎo)意義。

超聲波檢測；高溫；聲速；靈敏度

常規(guī)超聲波檢測一般是在25～40 ℃溫度條件下進(jìn)行的，且檢驗(yàn)工件與基準(zhǔn)試塊表面溫差滿足ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范 第V卷 焊縫超聲波檢驗(yàn)方法》強(qiáng)制性附錄規(guī)定，即小于14 ℃；而高溫氣冷堆(HTR)部分超聲在役檢測對象溫度在60 ℃以上，同時在某些特定條件下，被檢對象溫度與標(biāo)定環(huán)境溫度相差較大，因此需要研究溫度變化對超聲檢測定位和定量的影響。

溫度對超聲檢測的影響表現(xiàn)在當(dāng)溫度升高時，超聲波聲速減小，斜探頭的折射角增大，超聲波在介質(zhì)中傳播的衰減增大[1]，而在自動超聲檢測中，軟件對數(shù)據(jù)的分析是基于操作者根據(jù)標(biāo)定溫度測量的聲速和角度等參數(shù)進(jìn)行計算的，從而造成缺陷的定位和定量有一定偏差。

針對上述問題，筆者在15～65 ℃環(huán)境下，分析溫度對普通超聲波探頭包括聲速及靈敏度的聲學(xué)性能的影響，確定普通超聲波探頭的適用溫度范圍以及在適用溫度范圍內(nèi),溫度對超聲波探頭在碳鋼中的傳播速度和檢測靈敏度的影響。同時，研究當(dāng)檢測工件與基準(zhǔn)試塊表面溫差大于14 ℃時對檢測結(jié)果的影響以及修正處理方法。

1 試驗(yàn)設(shè)備器材

超聲波探傷儀采用ZETEC公司生產(chǎn)的DYNARAY多通道超聲波探傷儀。

常規(guī)超聲探頭采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的0°單晶縱波探頭(下稱0L2)和45°單晶橫波探頭(簡稱45T2)，探頭頻率為2 MHz，廠家的說明書未注明探頭使用溫度范圍。

溫控裝置采用電熱器對水槽加熱到指定溫度，溫度可在25～80 ℃連續(xù)調(diào)節(jié)，溫度誤差不大于3 ℃。將CSK-IA、HS-CS-20半圓試塊和實(shí)際缺陷試塊放入溫控裝置，兩塊試塊的尺寸如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用試塊尺寸示意

2 試驗(yàn)方法

將CSK-IA試塊放入溫控裝置，先在常溫下將0L2探頭對準(zhǔn)試塊的大平底，找到最高回波，利用超聲波探傷儀測試該溫度下縱波在碳鋼中的傳播速度，同時記錄回波在儀器上顯示波高為滿屏幕80%時的增益。將溫控裝置加熱到不同的溫度，待試塊的溫度與溫控裝置的溫度一致時，記錄該溫度下的聲速和增益。

同理，用45T2探頭在HS-CS-20半圓試塊上的R100 mm圓弧測試不同溫度下碳鋼中的橫波聲速和R100 mm圓弧的增益。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同溫度下碳鋼中橫波和縱波聲速

利用0°單晶縱波探頭對CKS-IA試塊進(jìn)行大平底測量，得到縱波聲速與溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。根據(jù)不同溫度下測量的聲速，擬合出縱波聲速與溫度關(guān)系曲線vL=-0.625 6T+5 938.8(式中：T為檢測對象與探頭溫度；vL為縱波聲速)。按照擬合公式計算，擬合結(jié)果與實(shí)測結(jié)果聲速偏差為-2.4～1.3 m·s-1。

圖2 碳鋼中縱波聲速與溫度關(guān)系曲線

利用45°單晶橫波探頭對HS-CS-20半圓試塊R80 mm圓弧進(jìn)行測量，得到橫波聲速與溫度的關(guān)系曲線，如圖3所示。根據(jù)不同溫度下測量的聲速，擬合出橫波聲速與溫度關(guān)系曲線vS=-0.416T+3 244(式中：T為檢測對象與探頭溫度；vS為橫波聲速)。按照擬合公式計算，擬合結(jié)果與實(shí)測結(jié)果聲速偏差為-0.6～0.7 m·s-1。

圖3 碳鋼中橫波聲速與溫度關(guān)系曲線

圖4 0L2探頭溫度-幅值關(guān)系曲線

3.2 溫度對常規(guī)超聲探頭檢測靈敏度的影響

利用0°單晶縱波探頭對CKS-IA試塊大平底進(jìn)行測量，得到探頭幅值與溫度的關(guān)系曲線，如圖4所示。根據(jù)不同溫度下測量的幅值，擬合出幅值與溫度關(guān)系曲線，數(shù)據(jù)結(jié)果為G2=G0+0.003T2-0.419T+6.291(式中：G0為初始靈敏度；G2為溫度為T時的靈敏度；T為試塊與探頭溫度)。

利用45°單晶橫波探頭對HS-CS-20半圓試塊R80 mm圓弧進(jìn)行測量，得到探頭幅值與溫度的關(guān)系曲線，如圖5所示。根據(jù)不同溫度下測量的幅值，擬合出幅值與溫度關(guān)系曲線，測量結(jié)果為G2=G0+0.001 7T2-0.024T-0.051(式中：G0為初始靈敏度；G2為溫度T時的靈敏度；T為試塊與探頭溫度)。

圖5 45T2探頭溫度-幅值關(guān)系曲線

圖6 高溫試驗(yàn)前后0L2晶片狀態(tài)示意

3.3 溫度對常規(guī)探頭性能影響

溫度為60 ℃時，試驗(yàn)后探頭放入水中(溫度約10 ℃)冷卻，之后觀察到探頭晶片發(fā)生破裂，且楔塊與外殼原本通過膠水粘結(jié)在一起，現(xiàn)楔塊與外殼之間膠水已脫離，高溫試驗(yàn)前后0L2晶片如圖6所示。此處試驗(yàn)用探頭晶片材料為壓電陶瓷晶片，該晶片熱脹冷縮性能較差，探頭溫度驟降過程中可能導(dǎo)致陶瓷晶片破裂，損壞探頭；溫度達(dá)到60 ℃時晶片即發(fā)生腫脹凸起，自動掃查過程中會加劇探頭晶片的磨損，因此該類型0L2探頭不適用于60 ℃高溫自動掃查，適用溫度上限為60 ℃。

圖7 45T2探頭60 ℃試驗(yàn)后楔塊突出示意

45T2探頭測量最高溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)束待探頭冷卻后觀察到探頭楔塊整體與不銹鋼外殼之間膠水已脫離，楔塊突出不銹鋼平面約0.3 mm，如圖7 所示。這可能是由于溫度過高，導(dǎo)致楔塊與不銹鋼外殼膠水脫離，同時楔塊熱膨脹后突出。其探頭經(jīng)過60 ℃高溫后，其性能沒有發(fā)生明顯變化，但會加劇楔塊磨損，從而造成探頭角度變化，影響探頭正常使用。因此，建議該類型探頭自動掃查溫度不超過60 ℃。

3.4 探頭分別在8 ℃和52 ℃環(huán)境下的檢測結(jié)果

利用常規(guī)探頭在8 ℃進(jìn)行標(biāo)定，并分別在8 ℃和52 ℃環(huán)境檢測實(shí)際缺陷試塊，選取不同深度實(shí)際缺陷進(jìn)行檢測對比，0L2探頭試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，45T2探頭試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 0L2探頭試驗(yàn)結(jié)果

表2 45T2探頭試驗(yàn)結(jié)果

4 檢測結(jié)果分析

進(jìn)行超聲檢測時，一般會對聲速、延遲和角度進(jìn)行人工標(biāo)定，然后輸入到超聲數(shù)據(jù)采集軟件中。軟件對檢測信號顯示位置的判斷也是基于人工預(yù)設(shè)的聲速、延遲和角度，以及接收到的傳播時間來進(jìn)行計算的。然而當(dāng)檢測環(huán)境溫度與標(biāo)定環(huán)境溫度差異較大時，聲速、延遲和角度都會發(fā)生變化，而此時超聲數(shù)據(jù)處理軟件仍按照原來預(yù)設(shè)值進(jìn)行計算，這樣軟件計算結(jié)果就會與實(shí)際結(jié)果有差異，需要對軟件計算結(jié)果進(jìn)行修正。

4.1 直探頭實(shí)際深度修正公式推導(dǎo)

直探頭晶片垂直發(fā)射聲波，所以溫度變化時角度不會發(fā)生變化，只考慮被檢對象中聲速的影響。

實(shí)際結(jié)果如下：

(1)

(2)

軟件計算過程如下：

(3)

由式(1)、(2)得出：

(4)

式中：vS-TC為標(biāo)定溫度TC時鋼中的聲速；tTC為標(biāo)定溫度TC時鋼中傳播一半的時間；STC為標(biāo)定溫度TC時鋼中傳播距離(半聲程)；vS-TI為檢測溫度TI時鋼中傳播聲速；tTI為檢測溫度TI時鋼中傳播一半的時間；STI為標(biāo)定溫度TI時鋼中傳播距離(半聲程)；STI-軟件為標(biāo)定溫度TI時軟件計算所得鋼中傳播距離(半聲程)。

由溫度TC進(jìn)行探頭參數(shù)標(biāo)定，并制作TGC(距離增益幅值)曲線；在TI溫度進(jìn)行實(shí)際缺陷檢測時，由軟件測得深度需要經(jīng)由式(4)進(jìn)行修正處理。

4.2 斜探頭實(shí)際深度修正公式推導(dǎo)

斜探頭晶片發(fā)出聲波經(jīng)由楔塊再斜入射到工件中，楔塊角度固定。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，聲波在楔塊和工件中速度均會發(fā)生變化，探頭角度也會隨之變化，但經(jīng)由楔塊探頭入射角度不變。

溫度為TC和TI時，根據(jù)反射折射定律：

(5)

(6)

在TC標(biāo)定溫度下掃查檢測缺陷時有如下關(guān)系：

(7)

(8)

在TI標(biāo)定溫度下掃查檢測缺陷時有如下關(guān)系：

(9)

(10)

在TI溫度進(jìn)行檢測時，軟件計算結(jié)果DTI是通過如下關(guān)系得到的：

(11)

(12)

由式(5)～(12)得出：

(13)

式中：α為入射角(固定值)；βTC為TC溫度標(biāo)定時探頭折射角；βTI為TI溫度檢測時探頭折射角；vS-TC為標(biāo)定溫度TC時鋼中聲速；tTC為標(biāo)定溫度TC時鋼中傳播一半的時間；DTC為標(biāo)定溫度TC檢測時顯示深度；DTI為檢測溫度TI時顯示深度；DTI-軟件為檢測溫度TI時軟件讀取深度；vS-TI為檢測溫度TI時鋼中聲速；tTI為檢測溫度TI時鋼中傳播一半的時間；STI為標(biāo)定溫度TI時鋼中傳播距離(半聲程)；STI-軟件為標(biāo)定溫度TI時軟件計算所得鋼中傳播距離(半聲程)。

在溫度TC時進(jìn)行探頭參數(shù)標(biāo)定，并制作TGC曲線；在TI溫度進(jìn)行實(shí)際缺陷檢測時，由軟件測得深度需要經(jīng)由式(13)進(jìn)行修正處理。

4.3 實(shí)際檢測數(shù)據(jù)修正

(1) 對缺陷01顯示，52 ℃當(dāng)量比8 ℃當(dāng)量大11.01 dB，深度顯示均為90.6 mm。

(2) 對缺陷02顯示，52 ℃當(dāng)量比8 ℃當(dāng)量大10.46 dB，深度顯示均為84.5 mm。

(3) 按照增益與溫度關(guān)系曲線G2=G0+0.003T2-0.419T+6.291，計算8 ℃與52 ℃靈敏度差異為10.52 dB，實(shí)測值與理論值當(dāng)量偏差最大為-0.49 dB(缺陷01顯示)。

(4) 按照聲速公式vL=- 0.625 6T+5 938.8和公式D實(shí)際=D檢測×v檢測/v標(biāo)定計算，52 ℃測量結(jié)果經(jīng)修正后與8 ℃測量結(jié)果相比，深度偏差為-0.4 mm。

(5) 對缺陷03顯示，52 ℃檢測結(jié)果與8 ℃檢測結(jié)果相比，當(dāng)量相差-4.99 dB，深度相差+4.0 mm。

(6) 對缺陷02顯示，52 ℃檢測結(jié)果與8 ℃檢測結(jié)果相比，當(dāng)量相差-5.97 dB，深度相差+4.1 mm。

(7) 按照增益與溫度關(guān)系曲線G2=G0+0.002T2-0.025T-0.052，計算52 ℃與8 ℃靈敏度差異為-4.18 dB，根據(jù)增益與溫度關(guān)系曲線對52 ℃實(shí)測值修正處理后，52 ℃檢測結(jié)果與8 ℃檢測結(jié)果當(dāng)量偏差最大為-1.79 dB(缺陷02)。

(8) 按照聲速公式vS=-0.416×T+3 244，v楔塊=2 730-4.2T和式(13)計算，52 ℃測量結(jié)果經(jīng)修正后與8 ℃測量結(jié)果相比，深度偏差最大為-1.9 mm。

5 結(jié)語

通過對縱波直探頭和橫波斜探頭在不同溫度下的幅值及聲速變化，得出國產(chǎn)探頭在碳鋼中的幅值和聲速與溫度的關(guān)系曲線；同時結(jié)合理論計算給出不同溫度檢測結(jié)果數(shù)據(jù)修正處理方式，修正后定量偏差在±2 dB以內(nèi)，定位偏差在±2 mm范圍內(nèi)。這一研究填補(bǔ)了國內(nèi)對在25～65 ℃環(huán)境溫度下對超聲探頭性能影響的研究空白，可以指導(dǎo)即將開展的HTR高溫氣冷堆的在役超聲檢測工作，為HTR高溫氣冷堆的超聲檢測工作提供理論基礎(chǔ)。同時，此研究方法可延伸應(yīng)用至25～100 ℃或更高溫度條件下的超聲檢測工作。

[1] 關(guān)衛(wèi)和，閻長周，陳文虎，等.高溫環(huán)境下超聲波橫波檢測技術(shù)[J].壓力容器, 2004, 21(2): 4-6, 26.

The Influence of HTR High-Temperature Environment on Acoustic Performance of Ultrasonic Transducers

GAN Wen-jun, LU Wei, ZHANG Yi-cheng, XIE Hang

(China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

The Ultrasonic velocity and amplitude value in carbon steel is gotten by the experiment in 15 ℃-65 ℃ scopes. The echo position and amplitude of artificial reflector with different temperatures is measured on the base of it, the correction method of measurement error and correction formula due to temperature variation is given. The position and amplitude of inspection result is corrected according to the correction formula in 52 ℃ environment, and by comparison with the result in 8 ℃. The research result will be available for the Ultrasonic inspection in the in-service inspection of HTR.

Ultrasonic inspection; High-Temperature; Ultrasonic velocity; Amplitude

2016-06-22

甘文軍(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事超聲無損檢測工作。

甘文軍，E-mail:ganwj@cnpotech.com。

10.11973/wsjc201611011

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0049-04