釬焊耦合高溫波導桿技術測厚可靠性研究

賈九紅，姚戴鋒，田紅春，王一寧，曹偉燁，彭善柏

(1.華東理工大學 承壓系統與安全教育部重點實驗室，上海 200237;2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210036;3.上海新陣元電子科技有限公司，上海 200030)

0 引言

現代能源與化學工業向高溫、高壓、深冷等嚴苛工況發展，承壓設備規模不斷增大，腐蝕壁厚減薄、沖刷壁厚減薄時刻發生，減薄位置極易發生泄漏、開裂。在線壁厚監測技術是能否守住承壓邊界安全“底線”的有力保障[1-2]，它不但考慮了設備的固有缺陷，而且兼顧到了意外事故的影響，可以及時發現問題，進行維修或維護，避免災難性事故的發生，從而有效提高裝備的安全可靠性[3-6]。

研究發現超聲導波是實現結構在線監測的重要方法[7]，常規超聲導波檢測技術在室溫或安全環境中可以可靠地進行監測，但在高溫環境下超聲導波的監測存在許多問題，主要有：如果壓電超聲換能器直接接觸被測試件會面臨高溫退極化失效的問題，其所使用的耦合劑易揮發；電磁超聲換能器可以實現高溫下的非接觸測量，但其功耗大，能量轉換效率低，體積和質量大，不適合長期在線監測[8-9]；激光超聲可實現非接觸測量，但是能量過大時可能將被測表面擊穿[10]。因此，為了滿足高溫結構長時間在線測量的需求，引入了波導桿技術[11]，波導桿可將輕質且穩定性好的壓電超聲換能器與高溫被測試件有效隔開，使超聲傳感器一直處于“舒適”的工作狀態，這大大提高在線監測系統的長期穩定性。

高溫波導桿技術中波導桿與被檢測試件的常見耦合方式有干耦合與焊接耦合，不同的波導桿結構與不同的耦合方式組合而成的波導桿系統具有不同的測量精度。CEGLA等[12]設計了具有大長寬比的帶狀波導桿，采用干耦合方式。通過開展平板的測厚試驗發現：干耦合的情況下，系統可以有效地傳遞SH0*波，且監測到的板底回波信號信噪比較高。通過長達4個星期的高溫穩定性試驗，證明了波導桿監測技術的可靠性，厚度測量誤差不大0.1 mm；尹正熙[13]也采用干耦合的方式，設計了兩根條狀導波構成波導桿監測系統，采用“一激一收”的檢測方式，并在400 ℃的高溫下進行測厚試驗，通過試驗證明，該波導桿式監測技術的測量誤差不大于0.2 mm。高炳軍等[14-15]采用焊接耦合方式，將圓柱形波導桿以全焊透的形式垂直地焊接在被測管道上，波導桿上設置翅片并輔以風源進行散熱，其遠端安裝壓電超聲傳感器，近端焊接在被測管道上進行400 ℃的測厚試驗，多次試驗的測量誤差不大于0.3 mm；石永亮等[16]優化了圓柱形波導桿的結構設計，將波導桿設計為階梯狀，采用非焊透的連接與耦合方式，波導桿的遠端較粗便于壓電傳感器的安裝，波導桿與被測試件接觸的近端較細，與文獻[14]的波導桿系統相比較，焊接面積大大減小，焊縫對聲波的傳遞干擾明顯降低，因此高溫環境中的測厚精度顯著提高，測量誤差減小了0.15 mm。

焊接耦合比夾緊方式的干耦合連接固定的效果好，但是焊接過程中波導桿與被測試件的接觸部位會經歷化學成分和金相組織的變化，不但容易在被測試件表面產生焊接缺陷，而且焊縫會干擾聲波的傳遞，降低測量精度。然而，釬焊技術是利用低于焊件熔點的釬料，在焊接時熔融填充固態工件的縫隙，從而使金屬連接的焊接方法，對被測試件的影響較低。

釬焊技術與常規焊接技術相比，具有以下優點：(1)不會導致被測結構基材金屬溶解，不會對被測試件材料產生破壞作用；(2)釬料熔融后，利用毛細流動原理將波導桿與被測平板焊接在一起，降低中間介質對超聲反射的影響[17-20]。鑒于以上優點，為了提高高溫環境中波導桿系統的測厚精度，本文研究釬焊焊接耦合方式在高溫波導桿技術應用中的可行性；設計脈沖反射法的測厚試驗系統，將經過多次加工減薄后的平板放置在不同溫度中，進行厚度監測，測量不同溫度下的SH0*波精確波速值，以驗證基于釬焊耦合的波導桿測厚系統的高溫穩定性和厚度測量的高可靠性。

1 釬焊耦合高溫波導桿測厚試驗系統

由于非頻散類水平剪切波(SH0*)沒有離面位移，不會受到承壓設備內部介質的干擾而引入測量誤差，因此在線監測承壓設備時非常有利[11-12,21]。因此根據高溫波導桿傳遞非頻散類水平剪切波(SH0*)的限制條件[22]，該試驗中波導桿設計為300 mm×18 mm×1 mm。在工程實際使用的過程中，波導桿技術主要用于管道或容器等曲表面上，波導桿的寬度方向與管道或容器的中心向平行，此時直徑較大的管道或容器等曲表面相對于1 mm厚的薄板，可以近似為平板。所以為了方便試驗過程中被測試件減薄加工，設計平板作為被測試件，試驗平板厚度利用螺旋測微計實測數值為10.375 mm，在試驗過程中根據需要將逐漸減薄。材料均選擇SUS316L不銹鋼。釬料選擇耐高溫的不銹鋼BAg45CuZn銀基釬焊釬料，同時為了減少焊接對聲波的干擾，將釬料僅僅放置于波導桿端面的兩側部分，利用毛細流動原理將波導桿與被測平板焊接在一起。

設計高溫測試系統，試驗結構如圖1所示。被測試樣平板、釬焊的連接接頭和波導桿的近端放置在高溫箱中，波導桿的遠端由高溫箱上部的開口處伸出至常溫環境，開口處用保溫棉封閉以提高保溫效果。高溫箱內的試樣平板上部安裝熱電偶，實時測量平板的溫度。伸出高溫箱的波導桿遠端面上安裝剪切式壓電傳感器，激勵信號為1.5 MHz中心頻率(fc)下的漢寧窗調制的五周期正弦波信號。

圖1 釬焊耦合的高溫測厚試驗系統示意

高溫測試系統中試驗設備包括信號發生器、功率放大器、雙工器、數字示波器、橫波探頭等。信號發生器產生超聲信號，經功率放大器放大一定倍率，進入雙工器。雙工器一方面將超聲信號傳遞給探頭，使得壓電傳感器在波導桿頂端面激勵超聲信號；另一方面，雙工器可以得到壓電傳感器當前接收到的超聲信號，實現脈沖反射信號的有效提取。即借助雙工器，使得回波信號傳至數字示波器，完成超聲回波信號的采集。

此外，模擬試件被逐漸腐蝕的過程，將試驗平板底部進行3次電火花切割，切削掉一定厚度的鋼板。每次切割完成后，對被測試樣平板厚度進行多次測量，研究高溫環境中波導桿技術厚度測量的長期可靠性和系統測量誤差。

2 高溫波導桿釬焊耦合技術長期可靠性

在研究高溫環境中波導桿釬焊耦合技術使用可靠性之前，首先測試該技術在室溫環境中的檢測效果。根據飛行時間法[23](Time of flight,簡稱TOF)，計算板厚度的公式為：

(1)

式中，d為板厚,mm；v為波速,m/s；t1為第1個板底回波信號波包對應的時間,s；t2為第2個板底回波信號波包對應的時間,s。

由公式(1)可以看出，壁厚的計算主要是取決于兩個板底波包時域信號的時間值和波速。在高溫環境中波速隨著溫度的變化而變化，隨后重點研究波速與溫度的相關性。根據公式(1)可知，當溫度恒定時，為了實現精確的厚度測量，需要確定t1和t2兩個變量，從而計算飛行時間。為了實現TOFs值的準確計算，本文采用包絡峰值檢測方法[24-25]：將原始數據導入matlab內置的小波變換工具箱，進行降噪處理，再進行Hilbert變換取包絡線[26]，將包絡線最大幅值發生的時間點作為板底回波信號波包對應的點，從而提高時域信號TOFs的提取精度，該方法處理過程如圖2所示。

圖2 包絡峰值檢測方法信號處理過程Fig.2 Signal processing of envelope peak detection method

按照以上厚度計算方法，使用常規超聲探頭和基于釬焊耦合的波導桿技術同時測量同一試塊，并且信號采集儀器相同。試驗發現，二者測量結果相同，均為10.380 mm，誤差為±0.005 mm。并且測試了波導桿焊接耦合技術在不同頻率激勵下的響應特性，當在1～2.25 MHz范圍內改變激發信號的中心頻率時，采集到的時域回波信號如圖3所示。3個不同中心頻率激勵的信號波包寬度不同，2 MHz時波包最窄，1 MHz時波包最寬，并且均沒有發生回波波包重疊的顯現。這些試驗表明，基于釬焊耦合的高溫波導桿技術，可以采用不同的激發頻率在不同溫度下采集到穩定的多次反射回波，回波信號清晰可辨，從而證明該系統并且具有很好的普適性，可以用于測厚試驗。所以后續研究將選擇1.5 MHz的中心頻率，實現對試件厚度準確測量。

圖3 不同激發頻率時超聲導波在10 mm厚鋼板中的波形圖Fig.3 Waveforms of ultrasonic guided wave in 10 mm-thicksteel plates at different excitation frequencies

為了研究基于釬焊耦合的波導桿技術在高溫環境中工作的可靠性，試驗開展不同溫度對超聲信號的影響研究。在試驗的過程中，模擬核電管道的使用工況，試驗溫度從20 ℃(室溫)到270 ℃之間每間隔50 ℃分別提取一次回波信號，采集信號的時域波形圖見圖4。在高溫管道工作溫度范圍附近270～300 ℃，每間隔10 ℃進行一次回波信號提取，采集信號的時域波形圖見圖5。根據圖4,5可以看出，采集到的回波信號清晰可辨，從左到右的波包依次為桿底回波，板底1次回波，板底2次回波，板底3次回波、板底4次回波和板底5次回波。

根據圖4,5，基于文獻[22]可以判斷，該波導桿系統中激勵與傳播的聲波為單純的SH0*波。并且長期穩定性試驗結果發現，監測信號不隨監測時間的增長而變化，系統中波包純凈，沒有頻散現象發生。隨著溫度的增加，回波信號波包的位置隨著溫度增加依次向右偏移，并且溫差越大、偏移越明顯。這是因為溫度增加時，波導桿系統中激勵與傳播的SH0*波的聲速下降，當聲波經過相同厚度的被測試樣時需要的時間依次增加[27]。同時由于溫度升高，被測試件的熱膨脹逐漸增加，也是聲波波包向右移動的原因之一。

圖4 20～270 ℃范圍內不同溫度回波信號時域波形圖Fig.4 Time-domain waveforms of echo signal at differenttemperatures in the range of 20～270 ℃

圖5 270～300 ℃范圍內不同溫度回波信號時域波形圖Fig.5 Time-domain waveforms of echo signal at differentin temperatures in the range of 270～300 ℃

考慮到溫度升高被測試件平板由于熱膨脹而變厚，根據SUS316L不銹鋼在不同溫度下的熱膨脹系數[28]，通過式(2)計算不同溫度下的平板基準厚度：

l=(1+αΔT)l0

(2)

式中，l為膨脹后的尺寸長度,mm；α為材料的平均線膨脹系數,1/℃；ΔT為環境溫度與常溫的溫差,℃；l0為常溫下的尺寸長度,mm。

采用飛行時間法[21]，用平板基準厚度除以超聲信號相應波包時間差，計算不同溫度下的聲波速度，進行線性擬合，繪制不同溫度下的聲速曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下的聲速曲線Fig.6 Sound velocity curve at different temperatures

3 高溫波導桿技術測厚精度分析

為了研究基于釬焊耦合的波導桿技術在高溫環境中的測厚精度，采用電火花切割技術對被測試樣平板進行3次減薄，每次減薄約0.1 mm。考慮到電火花切割技術可能存在誤差，所以試驗中使用螺旋測微計對切割后的試樣進行測量，測量得到的基準厚度分別為10.256,10.128,9.990 mm。

在高溫試驗的過程中，每個不同厚度的試樣平板，均是按照相同的溫升曲線從20 ℃加熱升溫至300 ℃。為了方便描述，將高溫試驗中4個不同厚度的試樣10.375,10.256,10.128,9.990 mm測量的厚度值，分別記為A,B,C,D四組。基于釬焊耦合的波高桿技術測量厚度值與不同溫度下的平板基準厚度值對比如圖7所示。

比較圖7中高溫波導桿技術測量厚度值與相應試樣基準厚度值，可以得出以下結論：

(1)基于釬焊耦合的高溫波導桿技術可以清晰地測量出被測試樣0.1mm厚度的變化；

(2)基于釬焊耦合的高溫波導桿測試系統的絕對誤差小于0.05 mm；

(3)不同厚度的平板試樣在不同的溫度下的測量精度均較高，各個測試點的相對誤差均小于0.5%。

圖7 不同平板試樣測量厚度與基準厚度對比Fig.7 Thickness comparison between measured and referencedvalues using different plate specimens

4 結論

現代能源與化學工業中，壁厚減薄在線監測技術是提升承壓設備安全運行能力的關鍵，為了提供一種高溫環境中長期測厚的可靠方法，本文研究了基于釬焊耦合的高溫波導桿技術測厚的可靠性，試驗研究得出以下結論。

(1)以BAg45CuZn為釬料的釬焊耦合工藝可以使得波導桿系統達到很好的耦合效果，并且基于釬焊耦合的波導桿技術可以長期穩定地激發并傳遞純凈的非頻散SH0*波。

(2)突破已有研究的溫度局限，精確測量了0～300 ℃溫度范圍SH0*波在316L不銹鋼中的傳播速度，不但可以為高溫超聲在線監測提供可靠的測量計算依據，也可以為無損檢測中高溫結構的探傷提供準確的波速數值。

(3)通過對減薄試樣在高溫環境中的測厚試驗，發現基于釬焊耦合的高溫波導桿技術可以清晰地測量出被測試樣0.1 mm厚度的變化。

(4)基于釬焊耦合的高溫波導桿技術測量厚度的絕對誤差小于0.05 mm，且各個測試點的相對誤差均小于0.5%。