Zr-4合金管材超聲缺陷研究

張新龍

【摘 ?要】本文主要利用金相法觀察了超聲波檢測縱向通道Zr-4合金管材內表面缺陷類型。超聲檢測波幅與缺陷實際深度的關系。結果表明：Zr-4合金管材內表面縱向缺陷相貌為裂紋缺陷。超聲缺陷的實際深度隨著波幅增大基本呈現增大趨勢。

【關鍵詞】Zr-4合金;管材;超聲;裂紋;波幅

Abstract：in this paper，the inner surface defect types of zr-4 alloy tubes detected by ultrasonic wave were observed by metallographic method.The relationship between ultrasonic wave amplitude and actual depth of defect.The results show that the longitudinal defect on the inner surface of Zr-4 alloy pipe is crack defect.The actual depth of ultrasonic defect showed an increasing trend with the increase of amplitude.

Key words：zr-4 alloy;Steel tubes;Ultrasound;Crack;amplitude

1前言

Zr-4合金具有優異的核性能、適中的力學性能和良好的加工性能，所以普遍用作核動力水冷反應堆的包殼材料和結構材料。Zr-4合金管是核電站反應堆的第一道屏障，基于其特殊的應用環境和苛刻的服役條件，人們對安全性和可靠性提出了更高的要求。超聲探傷是Zr-4合金包殼管常用無損探傷方法之一。馬小懷等人從超聲探傷選用探頭、入射角、焦點位置調節及干擾信號的抑制等方面認為，對管材采用水浸聚焦的方式可行。然而在Zr-4合金管材的超聲檢測過程中，超聲圖譜的縱傷通道會出現一些波幅信號，本文通過研究超聲波幅與缺陷深度對應關系，并對Zr-4合金管材內表面縱向缺陷的波幅缺陷進行解剖確定缺陷的類型，為超聲探傷在Zr-4合金管材的應用提供實踐及理論基礎。

2 實驗

試驗用料選用Zr-4合金管材，采用ROTA25超聲設備對管材進行超聲探傷，探頭形式為線聚焦，探頭旋轉速度4000轉/分，儀器重復頻率12KHz，管材送進速度為6m/min。選取超聲缺陷進行金相解剖，采用leica DM2500M光學顯微鏡對缺陷進行金相觀察。選取滿屏波幅為30～80%缺陷進行金相觀察，分析缺陷的實際深度。

3 結果與分析

3.1缺陷形貌研究

管材超聲缺陷典型形貌如圖1所示。從圖1中可看出，Zr-4管材內表面缺陷的主要形貌為裂紋缺陷，且裂紋沿著管材外徑方向成30°～45°方向。這是由于Zr-4管材加工過程采用皮爾格周期式軋制方式，管材軋制過程中主要沿著軋制方向斜32°進行旋轉，當管材軋制過程中因內壁受力不均勻時候，因變形不均勻會斜30°～45°出現裂紋。

3.2缺陷超聲波幅對深度的影響

超聲波幅與缺陷實際測量深度關系圖如圖2所示，從圖2中可見，Zr-4合金管材超聲波幅與實際缺陷深度基本呈現線性關系，缺陷的實際深度隨著超聲波幅的增加而增加。個別缺陷的實際檢測深度會出現離散現象，這主要有是超聲檢測方法的局限性決定的。

超聲檢測時，采用人工加工的標準人工缺陷（通常在管材內外表面加工U型槽）對超聲設備進行校準，確定探頭聲束的入射角及超聲的實際檢測參數。但由于超聲標準人工缺陷為比較規則的U型槽，設備調試時以U型槽的側面為反射面調整入射角，而實際缺陷存在一定的角度（如圖1所示），當聲波垂直缺陷表面時，缺陷的波幅高，而當有傾斜角度時候，缺陷波幅會隨著入射角度的增大而急劇下降，其具體關系如圖3所示。從圖3可見，當聲束垂直入射到缺陷上時，波幅最高，隨著入射角的增大，波幅急劇降低。因此入射角度是影響缺陷實際深度與波幅偏差較大的原因之一。

另外，在超聲檢測時缺陷波幅反映的是超聲聲束在缺陷反射面的綜合體現，而采用的線聚焦其聲束有一定的長度，當缺陷深度雖深但長度較短，整體的反射面積較小，造成波幅較小，同時當缺陷深度雖淺但長度較長，整體的反射面積較大，造成波幅較高，因此會出現小波幅對應的深缺陷和高波幅對應的淺缺陷的現象。

4 結論

4.1 Zr-4合金管材內表面縱向缺陷相貌多為裂紋缺陷。

4.2 Zr-4合金管材超聲波幅與實際缺陷深度基本呈現線性關系，但由于缺陷方向及缺陷長度的影響，會出現波幅與缺陷深度的離散現象。

參考文獻：

[1] 劉建章.核結構材料[M].北京：化學工業出版社，2007：5-95.

[2] 馬小懷，陳百鎖，汶鎖明.小徑薄壁有色管超聲波探傷[J].無損檢測，2005，27（1）：45-47.

[3] 無損檢測編委會.無損檢測II級培訓教材[M].北京：機械工業出版設，2005：170-179.

（作者單位：國核寶鈦鋯業股份公司）