壓力容器模擬缺陷的聲發(fā)射定位

王 瑤，晁立坤，何 攀，蔣兆翔，劉才學

(中國核動力研究設計院，成都 610041)

核反應堆壓力容器長期處于高溫、高壓、輻射的惡劣環(huán)境下，材料內部結構容易發(fā)生變化，如晶體結構變化、滑移變化、裂紋擴展等，最終發(fā)展為不同程度的疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋，進而導致冷卻劑泄漏。目前，核反應堆壓力容器缺陷的檢測手段主要為檢修期間的射線檢測，但該方法無法對活動缺陷進行快速定位，且耗時長、人員受輻射劑量大。聲發(fā)射檢測最大的優(yōu)點是作為一種動態(tài)的無損檢測方法，通過只顯示和記錄對結構安全更為有害的活動性缺陷，可實現(xiàn)缺陷的快速定位，避免人員長時間接觸輻射。筆者采用聲發(fā)射檢測技術，開展了壓力容器模擬缺陷的聲發(fā)射定位試驗，分別采用兩種定位方法對聲發(fā)射源進行定位，并比較兩種方法的定位精度。

1 定位方法及其原理

聲發(fā)射檢測的基本原理就是利用若干個聲發(fā)射傳感器以一定的布置方式耦合固定在被檢測工件表面，以接收壓力容器或管道在受載時內部缺陷因屈服、開裂、裂紋擴展等現(xiàn)象發(fā)出的應力波，同時將應力波轉變?yōu)殡娦盘枺⑦M行處理，從而獲得材料內聲發(fā)射源的動態(tài)信息。

聲發(fā)射信號分為突發(fā)型和連續(xù)型信號，針對不同的聲發(fā)射源需要采用不同的聲發(fā)射源定位方法，常用的聲發(fā)射定位法有時差定位法和衰減定位法。針對突發(fā)型信號，可采用時差定位法，但其應用范圍窄，衰減定位法則不受信號源類型的限制，更具有工程應用價值[1]。對壓力容器進行現(xiàn)場檢測時通常會遇到多種聲發(fā)射源，由于無法判斷壓力容器在某段時間內裂紋擴展產生的聲發(fā)射信號具有連續(xù)性還是突發(fā)性，因此，將采用兩種定位方法分別對壓力容器中的模擬缺陷進行定位。

1.1 時差定位法

時差定位法是指將若干個聲發(fā)射傳感器按一定幾何關系放置在固定點上，組成傳感器陣列，測定聲發(fā)射源的聲波傳播到各個傳感器的相對時差。通過將這些相對時差代入滿足該陣列幾何關系的一組方程求解，即可得到缺陷的位置坐標[2]。其具體實現(xiàn)路徑為：① 將壓力容器模擬體按定位網格劃分，可算出每個網格中心點到各傳感器的距離；② 聲發(fā)射信號的主頻率與傳感器的諧振頻率一致[3]，壓力容器模擬體壁厚已知，則可確定聲發(fā)射信號以何種模態(tài)在容器壁上傳播，從而可算出聲發(fā)射信號在壓力容器模擬體上的傳播速度，因此各網格中心到各傳感器的信號傳播時間差是確定的；③ 根據(jù)各監(jiān)測通道實測到的聲發(fā)射信號到達時差與各網格中心到各傳感器的信號傳播時差優(yōu)選網格，可確定缺陷點的位置，即實現(xiàn)壓力容器活動缺陷的定位。聲發(fā)射傳感器安裝位置與聲發(fā)射源位置如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射傳感器安裝位置與聲發(fā)射源位置示意

設3個聲發(fā)射傳感器在容器上的位置為S1、S2、S3，缺陷位置為P，缺陷到S1的距離為X1，缺陷聲發(fā)射信號到達S1和S2的時差為Δt12，到達S1和S3的時差為Δt13，到達S2和S3的時差為Δt23，傳感器間距離為L12、L13、L23，聲發(fā)射傳感器檢測信號波形與時差如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射傳感器檢測信號波形與時差示意

由圖1，2可推導出缺陷位置

(1)

式中：X1為缺陷的定位結果。

同理可推出缺陷距S2和S3的距離X2和X3。

檢測時，首先根據(jù)各傳感器接收到的聲發(fā)射振鈴信號到達時差或信號幅度(有效值)來確定與缺陷距離最近的傳感器，再選擇相應的定位計算式。

1.2 衰減定位法

從聲發(fā)射源到傳感器接收位置的傳播過程中，聲發(fā)射信號的幅度必然會受到管道材料本身和不同形狀特征的影響，從而產生不同程度的衰減，衰減定位法即是利用聲發(fā)射信號水平沿著傳播路徑呈指數(shù)形式衰減的原理對缺陷位置進行定位的[4]。必須注意的是，首先需要根據(jù)各傳感器響應的信號幅度(有效值)來確定缺陷距離最近的傳感器，再確定相應的定位計算式。

假設缺陷處信號水平為Vp，傳感器探測到的信號水平為Vi，距離衰減系數(shù)為α，傳感器到缺陷位置的距離為Li，則有如下關系[5]

Vp=Viexp(αLi)

(2)

由式(2)可知，若已知衰減系數(shù)α，則可由任意兩個傳感器接收到的聲發(fā)射信號水平計算出聲發(fā)射源位置，因此，重點是確定衰減系數(shù)α。該衰減系數(shù)可通過容器模擬活動缺陷的檢測定位與評定試驗進行標定。

2 試驗系統(tǒng)及試驗方法

2.1 試驗壓力容器

試驗采用的金屬壓力容器上下封頭直徑為2 880 mm，筒體高度為7 000 mm，容器壁厚為80 mm，其整體上近似于圓柱體，在上封頭處布置一個聲發(fā)射傳感器，筒體處布置2個聲發(fā)射傳感器，下封頭處布置3個聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器布置如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器布置示意

2.2 檢測設備

缺陷檢測的設備包括聲發(fā)射傳感器(6個)、前置放大器(6個)、信號調理設備、信號采集設備等。

2.2.1 模擬缺陷聲發(fā)射源信號

試驗分別用兩種方式產生聲發(fā)射源信號來模擬活動缺陷。

(1) 將一個聲發(fā)射傳感器緊貼在容器壁上進行安裝，由信號發(fā)生器產生一個連續(xù)脈沖信號，激勵該傳感器使其連續(xù)受迫振動，從而產生連續(xù)型聲發(fā)射信號。

(2) 由鉛筆芯在容器壁上折斷產生突發(fā)型聲發(fā)射信號。

2.2.2 檢測設備

選擇聲發(fā)射傳感器和前置放大器作為信號檢測設備。

聲發(fā)射傳感器主要技術指標要求如下：① 工作頻率為30 kHz～900 kHz；② 峰值靈敏度≥50 dBV/μbar。前置放大器主要技術參數(shù)如下：① 工作頻率應覆蓋聲發(fā)射傳感器工作頻率；② 增益為20，40，60 dB；③ 噪聲<7 μV；④ 頻率響應變化不超過3 dB。

2.2.3 檢測主機

檢測主機為1臺便攜式一體化工控機，采用標準的PXI(外設部件互連標準)總線，包含聲發(fā)射信號測量模塊。試驗過程中將采集模塊的采樣頻率設置為1 000 kHz，數(shù)據(jù)保存時間為5～10 s。試驗中，聲發(fā)射傳感器探測缺陷擴展的聲發(fā)射信號，通過前置放大器的電荷轉換、放大、濾波后輸入信號采集設備。壓力信號可通過壓力表獲得。檢測設備組成示意如圖4所示。

圖4 檢測設備組成示意

2.3 試驗方法

(1) 檢測設備連接。將聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號電纜與主機通道安裝連接到位。

(2) 通道靈敏度調試。將前置放大器放大倍數(shù)設置為40 dB，檢測設備各通道放大倍數(shù)設置為1；利用信號發(fā)生器產生50 mV的標準正弦信號(頻率選擇聲發(fā)射傳感器的諧振頻率)，對試驗中使用的所有測量通道(前置放大器、信號電纜、主機通道等)進行調試，與標準信號進行對比，計算出測量通道的相對系數(shù)并記錄容器。

(3) 分別在頂蓋、筒體和底部各選兩個測試點并標上記號，在標記的位置進行斷鉛，同時用信號采集設備采集接收到的聲發(fā)射信號并記錄。

(4) 在容器底部標記的測試點處安裝一個聲發(fā)射傳感器，并將該傳感器連通信號發(fā)生器，信號發(fā)生器會產生一個8 V左右的電脈沖信號驅動該傳感器，同時檢測并記錄所有通道響應的聲發(fā)射信號。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 容器網格化

無論是衰減定位法還是時差定位法，都需要確定聲發(fā)射源到傳感器的距離以及聲發(fā)射傳感器之間的距離。因為壓力容器是三維結構，所以需要首先對容器結構做降維處理，即將容器上封頭和下封頭展開為圓形，筒體展開為一個四邊形。分別對兩個圓形和一個四邊形進行網格離散化處理，網格的大小通常由定位誤差決定，一般不超過0.5 m。對上封頭和下封頭進行網格劃分時，應依據(jù)展開圓形的直徑進行劃分；對筒體進行網格劃分時，應依據(jù)四邊形的長和寬進行劃分。

試驗采用的壓力容器上封頭和下封頭直徑為2 880 mm，共劃分7層，相鄰兩層半徑相差100 mm，共劃分出85個網格，上封頭二維網格劃分結果如圖5所示。

圖5 上封頭二維網格劃分結果

對筒體進行網格劃分，筒體高度為7 000 mm，直徑為2 880 mm，將筒體展成二維平面，平面的長為9 048 mm，寬為7 000 mm，以邊長為500 mm的正方形網格對筒體進行劃分，共劃分出266個網格，筒體的二維網格劃分結果如圖6所示。

圖6 筒體的二維網格劃分結果

根據(jù)壓力容器網格劃分結果，6個聲發(fā)射傳感器所在網格信息如表1所示。

表1 聲發(fā)射傳感器所在網格信息

3.2 容器網格距離計算

網格離散化處理之后，需要計算各網格中心到任意兩個傳感器之間的距離差，試驗以歐氏距離作為距離度量標準，網格和傳感器之間的距離計算可分為以下幾種情況。

(1) 傳感器位于上封頭處，計算上封頭網格和傳感器網格之間的距離。可通過解三角形進行計算，三角形的三個頂點分別為上封頭圓心、上封頭網格中心和傳感器所在網格中心。

(2) 傳感器位于上封頭處，計算筒體網格和傳感器網格之間的距離。首先將上封頭邊緣等分為n份，然后利用解三角形的方法分別計算傳感器所在網格中心和筒體網格中心到上封頭邊緣的距離，最后，將兩個距離相加，取n個值中的最小者作為最終的距離，即傳感器和筒體網格的最短傳播路徑。

(3) 傳感器位于筒體處，計算上、下封頭網格和傳感器網格之間的距離，方法同(2)。

(4) 傳感器位于筒體處，計算筒體網格和傳感器網格之間的距離，可直接計算歐氏距離。

(5) 傳感器位于下封頭處，計算筒體網格和傳感器網格之間的距離，方法同(2)。

(6) 傳感器位于下封頭處，計算下封頭網格和傳感器網格之間的距離，方法同(1)。

兩個傳感器位于筒體處和分別位于上封頭和筒體處時，各網格到兩傳感器的距離差曲線如圖7所示。

圖7 各網格到兩傳感器的距離差曲線

3.3 衰減系數(shù)標定

衰減系數(shù)α可通過容器模擬活動缺陷的檢測定位與評定試驗進行標定。壓力容器非一體式結構，聲發(fā)射信號從筒體或者下封頭傳至上封頭過程中，衰減很大，因此采用衰減定位法對壓力容器模擬活動缺陷進行整體定位時，擬采用鉛筆芯斷鉛產生聲發(fā)射源信號來模擬活動缺陷，具體步驟如下。

通過對試件的數(shù)據(jù)進行分析，計算得到α在一定范圍內波動，為計算最優(yōu)的定位衰減系數(shù) ，可定義以下矩陣

(3)

采用最小二乘法對矩陣中每個元素Uij做以下運算

(4)

式中：Ui0為矩陣A中每行缺陷處產生的聲信號水平；Lj為每列(即某一確定的測點)距離缺陷的距離；δ為目標函數(shù)(即誤差函數(shù))。

δ取極小值時對應的α即為最優(yōu)的衰減系數(shù)。目標函數(shù)δ的變化規(guī)律如圖8所示，將確定的δ極小值代入式(2)即可對聲發(fā)射源進行衰減定位。

圖8 目標函數(shù)δ的變化規(guī)律

3.4 聲發(fā)射信號傳播速度標定

根據(jù)信號到達傳感器的時差和傳感器的位置差求得聲發(fā)射信號在壓力容器上的傳播速度，求其平均值得到聲發(fā)射信號沿壓力容器表面?zhèn)鞑サ乃俣龋瑢⒃撍俣却胧?1)，即可對壓力容器聲發(fā)射源進行時差定位。聲發(fā)射信號在壓力容器上的傳播速度分布如圖9所示。

圖9 聲發(fā)射信號在壓力容器上的傳播速度分布

4 試驗結果驗證及分析

4.1 突發(fā)型聲發(fā)射源定位結果

在壓力容器下封頭處選取6個位置進行斷鉛試驗，每個位置測試4次，同時檢測每個傳感器響應的聲發(fā)射信號水平和信號到達時間。將每個傳感器響應的信號到達時間和上節(jié)試驗標定的信號傳播速度代入式(2)，可獲得聲發(fā)射源位置；將每個傳感器響應的發(fā)射信號水平和上節(jié)試驗標定出的聲發(fā)射信號衰減系數(shù)代入式(2)，可確定聲發(fā)射源位置。

(1) 時差定位結果驗證分析

定位方法分以下兩種：① 最小單誤差定位法，根據(jù)上節(jié)得到的各網格和傳感器的距離差(數(shù)量為436×10)，按列依次找出與這10個距離差最接近的值，做差并取絕對值得到1×10 (行×列，下同)的矩陣，選取其中最小值所在的網格作為最終的定位結果；② 最小和誤差定位法，同樣根據(jù)上節(jié)得到的各網格和傳感器的距離差(數(shù)量為436×10)，按行依次計算每個網格和該10個距離差的歐氏距離，得到436×1的誤差矩陣，選取其中最小值所在的網格作為最終的定位結果。

兩種定位方法各有優(yōu)劣，在多傳感器定位中，如果某個傳感器信號和理想狀態(tài)差距較大，最小和誤差定位法則容易產生較大誤差；如果多傳感器信號都較理想，則該方法具有更強的魯棒性，最小單誤差定位法更依賴于信號較好的兩個傳感器，壓力容器時差定位結果如表2所示，同一個區(qū)域取兩組數(shù)據(jù)為例。

表2 壓力容器時差定位結果(突發(fā)型聲發(fā)射源)

從時差定位結果可以看出，無論是單誤差法還是和誤差法，大部分定位誤差僅為1個網格或者2個網格，單誤差定位法最大誤差為3個網格(小于傳感器間距的10%，但僅出現(xiàn)兩次)，可以忽略不計，整體上定位效果較準確，誤差較小，因此，可認為時差定位方法適用于壓力容器突發(fā)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

(2) 衰減定位結果驗證分析

根據(jù)每個傳感器的安裝位置、對應的聲發(fā)射信號水平和標定的衰減系數(shù)，同樣采用最小單誤差定位法和最小和誤差定位法進行定位結果驗證。衰減定位結果如表3所示，同一個區(qū)域取兩組數(shù)據(jù)為例。

表3 壓力容器衰減定位結果(突發(fā)型聲發(fā)射源)

由表3得知，無論是單誤差法還是和誤差法，大部分定位誤差僅為2個網格，最大定位誤差約為3個網格(小于傳感器間距的10%且出現(xiàn)頻率極低)，整體上看衰減定位結果較精準，誤差較小，因此，可認為衰減定位方法同樣適用于壓力容器突發(fā)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

4.2 連續(xù)型聲發(fā)射源定位結果

信號發(fā)生器產生的激勵信號較微弱，到達筒體和上封頭時衰減較大(由于壓力容器結構非一體式)，因此，試驗僅使用下封頭傳感器接收到的信號，采用衰減定位法進行定位。

利用和誤差法進行缺陷定位結果驗證，壓力容器衰減定位結果如表4所示。

表4 壓力容器衰減定位結果(連續(xù)型聲發(fā)射源)

在4個不同位置進行衰減定位方法驗證，定位結果顯示最大定位誤差不超過4個網格(小于傳感器間距的10%)，由于傳感器的減少，定位精度稍低于突發(fā)型聲發(fā)射源定位結果的精度，但仍在可接受范圍內，可認為衰減定位方法同樣適用于壓力容器連續(xù)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

5 結論

采用時差定位法和衰減定位法對壓力容器模擬缺陷進行定位，首先通過對壓力容器進行模擬缺陷聲發(fā)射檢測試驗，標定了聲發(fā)射信號沿著壓力容器傳播的速度和衰減系數(shù)這兩個重要參數(shù)，然后通過試驗驗證了兩種定位方法的定位結果，并得出以下結論。

(1) 時差定位法和衰減定位法均適用于定位突發(fā)型聲發(fā)射源，而連續(xù)型聲發(fā)射源可采用衰減定位法進行定位，定位最大誤差均小于傳感器間距的10%，且定位效果良好。

(2) 在實際工程應用中，應在可行的范圍內盡量增加傳感器的數(shù)量以提高定位精度。