小管徑管材外形尺寸的高精度測量技術

張益成，聶 勇，蔡家藩

(中核武漢核電運行技術股份有限公司在役檢查中心， 武漢 430072)

核級小管徑管材是指外徑在620 mm的特種精密管材，被廣泛應用在核電堆芯及換熱器等核心部件中。核級小管徑管材在核電機組的建設與運營期間使用量極大，以AP1000核電站的蒸發器為例，每臺蒸發器換熱管的數量多達10 000多根，總長度約為225 km。為此，核電廠需要在管材安裝前對其進行快速的自動化測量，并保證管材的測量效率和測量精度。采用傳統的雙探頭水浸超聲自動化檢測系統進行檢測時，由于檢測系統的機械存在偏心，數字化超聲采集系統存在系統誤差，導致難以達到微米級的測量精度[1-2]。

針對核級小管徑管材設計的離散信號周期分離與統計技術，是以同相位角對比技術為基礎，最大程度地弱化機械安裝誤差和采集系統誤差的影響的一種技術。

1 管材測量誤差分析

理論上，相位角相差180°的兩個直探頭可用于直徑測量。直徑計算可用以下公式表示。

D=L-(t1+t2)·V/2

(1)

式中：D為被測管在某周向方位角(相位角)的直徑；L為兩個直探頭之間的距離；t1,t2分別為兩個直探頭的界面波回波時間(全聲程)；V為水中的聲速。

該公式成立的充要條件有：① 兩個探頭的旋轉中心與被檢管材軸心重合；② 兩個探頭的聲束軸線完全重合；③ 水中聲速穩定；④ 兩探頭之間距離為定值；⑤ 超聲采集系統不存在系統誤差。但實際上，上述要求均無法采用物理方式進行保證，且充要條件引起的測量誤差也各不相同。

雙水浸探頭組超聲采集系統如圖1所示。

圖1 雙水浸探頭組超聲采集系統示意

(1) 探頭偏心[3]

當探頭的旋轉中心偏離被檢管材中心δmm時，探頭測得的t1(或者t2)最大值和最小值的差值為2δ/V，并且在不同相位角上均不相同。偏差值與相位角的關系為

(2)

式中：R為被檢管材半徑；θ為探頭所處的相位角(θ=90°時，偏差值Δt最小，為-δ/V)。

由探頭偏心產生的誤差可以由對向的探頭進行一定程度的補償，兩個探頭的聲程時間偏差值之和為

ΔT=Δt(θ0)+Δt(θ1)=

(3)

式中：q0,q1分別為兩探頭所在的周向相位角。

(2) 探頭軸線偏離

圖2 聲程時間偏差算例

根據式(3)可知，當且僅當θ1與θ0相差180°時，偏差值最小。但是機械安裝存在一定程度的偏差，因此上述偏差值會被放大。如圖2所示，假設δ=0.01R時，若兩個探頭相位角相差180°(實線)，則最大聲程時間偏差值為1.0×10-4R/V；當兩個探頭相位角相差180.5°時(虛線)，最大聲程時間偏差值為1.87×10-4R/V，是前者的1.87倍。

(3) 水中聲速[3]

水中聲速受環境變化影響，可以通過對比參考探頭探測固定靶的回波時間的方式進行修正。

(4) 探頭間距

探頭是安裝在旋轉部件上的，當旋轉組件高速旋轉時，探頭的安裝間隙會減小，具體的間隙距離與機械狀態相關，無法精確測量，其會影響管材的外形尺寸測量。但是可以認為同一個機械系統在相同的轉速條件下，安裝間隙(L)不變。因此，可以通過ΔT的計算獲得相對準確的管材外形尺寸。

(5) 超聲數字采集系統誤差

超聲數字采集系統是通過模數轉換將超聲的模擬信號轉換成數字信號，即將連續信號轉換成離散信號。該過程存在信息丟失，在f=100 MHz的模數轉換頻率下，單探頭信號的理論時間精度為±5 ns，雙探頭情況下理論時間精度為±10 ns，轉換成水中半聲程的距離為±0.007 4 mm。

2 離散信號周期分析

由上述分析可知，采用雙水浸探頭檢測管材的外形尺寸誤差為±(0.5/f+ΔT)。因此，采用離散信號周期分析的方式將ΔT值盡可能地降低。

圖3 t1，t2采集的原始數據及t1局部放大波形

采用自研的TESC-200管材自動檢測系統以1 350 r·min-1的速度，對直徑為6.6 mm的標定管進行直徑測量。用等時間間隔(0.125 ms)的方式采集兩個直探頭的管壁回波，記錄各自的全聲程時間(分別記為t1，t2)。t1,t2采集的原始數據及t1局部放大波形如圖3所示。由圖3可以發現，t1，t2均以周期震蕩的方式變化的，計算發現其震蕩周期為44.65 ms，反算旋轉頭的轉速為1 343.7 r·min-1，近似為設置轉速。其誤差來源于模擬信號到數字信號的采樣間隔偏差。

圖3中t1數據的局部放大圖顯示，一個周期中最大最小值的點數多達數十個，且每個周期略有不同，因此難以用極值點作為周期判斷的標準。采用如圖4所示的峰值截斷方式獲得每個離散數據周期的特征區間，以區間的中點位置作為周期的特征值點。通過計算發現，相鄰的最大值和最小值相差接近半個周期(平均為178.49個采集點)。對t2數據進行相同的處理，可獲得相同的結論，且其周期與t1的相等。

圖4 周期及半周期的算法數據

圖5 縱向平移后的兩組數據對比及其局部放大

將兩組數據進行縱向平移處理(采用臨近點插值算法進行偏移計算)，得到圖5所示結果。放大其中若干個周期后觀察，發現t1與t2相差并非半個周期，采用上述周期算法，可得出周期相差約165.51個采樣點，即兩個探頭的周向相位角相差約166.91°，采用式(3)進行計算則偏差值遠大于第1節中的算例。將t2向橫坐標正方向平移13.09個數據點，可以使其與t1的相位剛好相差180°。t2平移后的數組與t1直接疊加后，可用于計算任意時刻任意相位角的管材直徑。

3 檢測數據統計

在標定管軸向不移動的情況下，使用TESC-200采集系統采集到的t1和t2數據理論上在每個周期中應該保持一致。在實際數據采集過程中，發現在不同的相位角上存在整數倍測量精度的誤差(NX0.007 4 mm，N≤2)。這是系統誤差，不易去除。將26個完整周期的數據，通過平移放置于同一周期后的顯示結果如圖6所示，圖中可較為清晰地觀察到各相位角上的誤差范圍。

圖6 26個周期數據的重疊顯示

圖7 74.2°相位角上的縱向數據分布

統計其中某一個相位角(74.2°)上的數據分布，得到的縱向數據分布如圖7所示。圖中14.31014.311 μs的數據占數據總量的46.2%，其他數據占了53.8%。由于系統較為穩定，假設采集到數據的置信度大于80%，通過搜索計算，得出14.31014.318 μs范圍內的數據均是合理數據的結論。

采用相同的方法，計算每一個相位角置信度大于80%的數據范圍，可獲一個周期內的可信數據范圍(見圖8)。將測量數據平移至相同周期后進行比較，超出范圍的數據差值即是測量值與標準值的差值。

(4)

式中：ΔD為直徑測量結果與標稱值的差值；t1,t2為兩個直探頭標定后所得的管材界面波回波時間范圍(全聲程)；tI,tII為兩個直探頭實際測量得到的管材界面波回波時間(全聲程)；V為標定時的名義聲速；Vmod為通過參考探頭實時修正的聲速。

(5)

式中：t1max表示t1數據置信區間的上限;t1min為數據置信區間的下限。

式(4)中的tI，tII，t1，t2均需進行預處理(橫向平移)至tI與tII相位角相差180°，tI與t1相位角相等，tII與t2相位角相等。

圖8 一個周期內的可信數據范圍

4 實際檢測結果

采用基于離散信號周期分析的方法，理論上可以大幅度消除式(3)中的ΔT；采用檢測數據置信度區間統計的方法，可以一定程度地削弱超聲數字采集系統的偏差，且削弱程度與系統采集的可信度有關，若認為采集的數據全部有效，則理論上可以最大程度地消除超聲數字采集系統的偏差。在某核級管材加工廠，用自研的TESC-200檢測系統對其生產的φ6.6 mm管材，φ9 mm管材進行直徑測量。發現當被檢管材正常進行檢測時(探頭與管材呈相對螺旋運動)，直徑測量誤差在±16 μm內。正常檢測的精度低于靜態標定精度在±8 mm內，這是因為采用對比法進行直徑測量時，用于比較的基準值(標定的管外徑非正圓)本身也存在偏差。

5 結論

采用離散信號的周期分析方法，分析兩個測量探頭各自不同相位角上的標定管的測量值，進行置信度區間統計，獲得標定管各相位角的外徑標定值；采用相同的測量條件測量被檢管材，計算同相位角上探頭的測量值與標定值偏差，作為被測管材的外徑值與標定管外徑的差值，以此獲得被測管材外徑值。

采用自研的TESC-200檢測系統進行測試，得出以下結論。

(1) 在標定管標定位置處的測量誤差，被控制在數字采集系統的理論誤差范圍(0.5 V·f-1)內。

(2) 在正常采集過程中，因為未采用正圓標定管，導致測量誤差略大，在實際應用中仍在可接受范圍內。

(3) 實際誤差與超聲采集數據可信程度直接相關。

因此，采用離散信號周期分析與數據可信度統計的方法，可以最大程度地獲得被檢管材的高精度外形尺寸。