超聲近場導(dǎo)波在薄壁不銹鋼管檢測中的應(yīng)用

浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)AP1000核燃料包殼管的檢測需求，基于超聲近場導(dǎo)波的檢測原理，提出了一種評(píng)價(jià)薄壁不銹鋼管質(zhì)量的方法，并通過超聲特征成像圖對(duì)缺陷信息進(jìn)行描述。構(gòu)建的檢測系統(tǒng)能對(duì)裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷進(jìn)行檢測，減少了漏檢與誤檢，檢測能力達(dá)到了壁厚3%的水平，定位定量誤差均小于0.2ｍｍ。結(jié)果表明，超聲導(dǎo)波適用于高能耗包殼管的無損檢測。

 超聲導(dǎo)波是在規(guī)則聲導(dǎo)體（可忽略材料和邊界耗散聲能的物體）中能遠(yuǎn)距離傳播的超聲波，它滿足波動(dòng)方程和邊界條件。邊界的波形轉(zhuǎn)換和全反射，將聲能約束在波包之內(nèi)，使得超聲導(dǎo)波具有超長距離傳播的特殊性能。圖是水平剪切導(dǎo)波在薄板中傳播的光彈照片，圖中超聲波經(jīng)斜塊進(jìn)入薄板后向上下兩側(cè)擴(kuò)散，繼而受到邊界的約束產(chǎn)生反射與波型轉(zhuǎn)換，然后折回板中，前向聲波得到干涉加強(qiáng)。超聲導(dǎo)波具有頻散小、衰減小、背景噪聲小的傳播性能，適用于板材和管棒材的檢測。目前，超聲導(dǎo)波的應(yīng)用局限于低頻、遠(yuǎn)場范圍，檢測靈敏度和分辨率較低，只能檢出大當(dāng)量缺陷，并且定位、定量精度不夠高。

 AP1000核燃料包殼管（簡稱鋯管）是防止核燃料泄露的第一道屏障，管體的質(zhì)量要求很高。由于加工工藝不完善，鋯管中會(huì)小概率地出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷。針對(duì)其壁薄，小當(dāng)量缺陷的特征，筆者提出了一種超聲近場導(dǎo)波檢測方法對(duì)其進(jìn)行檢測（結(jié)果見表）。可見，其檢測范圍相對(duì)較小，但缺陷的定位定量精度很高，檢測能力達(dá)到了管材探傷中的最高標(biāo)準(zhǔn)———航空不銹鋼管的損傷檢出標(biāo)準(zhǔn)（不銹鋼管中的最高等級(jí)L1），表中航空不銹鋼管的數(shù)據(jù)源自GB/T5777-2008無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》。

一、超聲特征成像檢測原理

 待檢鋯管外徑9.5ｍｍ，內(nèi)徑8.36ｍｍ，壁厚0.57ｍｍ。按圖所示方法進(jìn)行檢測，對(duì)超標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，可以分選出不合格鋯管，但無法對(duì)缺陷類型、大小和位置作出準(zhǔn)確判斷。為此，設(shè)計(jì)了一套超聲特征成像檢測系統(tǒng)。

 檢測系統(tǒng)采用探頭螺旋運(yùn)動(dòng)的掃查方式進(jìn)行聲成像。如圖所示，預(yù)先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出Ｍ×Ｎ的網(wǎng)格圖，Ｍ代表探頭旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，Ｎ代表探頭每轉(zhuǎn)一圈的掃查次數(shù)。檢測時(shí)探頭繞鋯管軸線螺旋前進(jìn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，激勵(lì)一次超聲進(jìn)行檢測。抽取全波列信號(hào)的特征值，在對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格中用顏色深淺表示其大小。特征值可以選擇為缺陷回波信號(hào)的幅值或相位，分別對(duì)應(yīng)缺陷的幅值圖和深度圖。為了保證管內(nèi)待檢區(qū)域的全覆蓋，探頭螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的螺距設(shè)為0.2ｍｍ，一周掃查次數(shù)Ｎ設(shè)為120，得出管內(nèi)壁形成的掃查網(wǎng)格為0.2ｍｍ×0.22ｍｍ，超聲覆蓋率達(dá)到200％，從而達(dá)到了管內(nèi)待檢區(qū)域全覆蓋的要求。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

  利用超聲特征成像檢測系統(tǒng)分別對(duì)內(nèi)壁圓底孔及V型槽進(jìn)行了檢測。圖是圓底孔的尺寸、周向?qū)Рǚ党上袷疽饧安ㄐ螆D。其中波形圖設(shè)置了一個(gè)矩形閘門：閘門寬度對(duì)應(yīng)抽取特征值的信號(hào)區(qū)域，閘門高度對(duì)應(yīng)超標(biāo)信號(hào)閾值，超出閾值的信號(hào)在成像圖中用黑色表示，未達(dá)到閾值的信號(hào)用不同灰度表示。預(yù)先調(diào)節(jié)閘門寬度使其涵蓋1，3，5次回波信號(hào)可能出現(xiàn)的位置，獲得成像圖。成像圖中缺陷信號(hào)分成三片區(qū)域，分別代表探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)5次波，3次波以及1次波對(duì)同一個(gè)圓底孔的檢測結(jié)果。圖所示三幅波形圖則是對(duì)應(yīng)的全波列信號(hào)，可見隨著探頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，回波幅值逐漸增大，相位逐漸靠前，這與圖中的周向?qū)Рz測原理是一致的。以很容易判斷管內(nèi)是否存在缺陷。當(dāng)管內(nèi)存在缺陷時(shí)，尋找成像圖中回波幅值最大的網(wǎng)格，記錄該點(diǎn)坐標(biāo)和回波幅值的準(zhǔn)確數(shù)值，可以對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量分析。定位誤差取決于掃查密度，達(dá)到0.2ｍｍ。對(duì)同一根管多次檢測并統(tǒng)計(jì)回波幅值，得出定量誤差不超過0.2ｍｍ，對(duì)槽狀缺陷的定量誤差甚至能達(dá)到0.02ｍｍ。檢測系統(tǒng)擁有200％以上的覆蓋率，配合周向與縱向?qū)Рㄍ瑫r(shí)檢測，杜絕了漏檢的發(fā)生；檢測人員通過成像圖可以辨別缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)，杜絕了誤檢的發(fā)生。

 為了分析系統(tǒng)的檢測能力，對(duì)若干根帶有不同缺陷的樣品進(jìn)行了試驗(yàn)，檢測結(jié)果如表所示。通常信噪比達(dá)到6dB，也就是信號(hào)與噪聲的幅值比不低于２即認(rèn)為能檢出缺陷。從表可分析得出，該方法的檢測能力完全可以達(dá)到壁厚3％的水平，甚至更高。實(shí)際檢測中常常需要避開表面粗糙、晶粒粗大等區(qū)域。粗糙表面的表面回波會(huì)進(jìn)入1次波信號(hào)區(qū)域，采用3次波檢測即可解決這一問題。晶粒粗大會(huì)使回波信號(hào)中出現(xiàn)“草”狀波，通過信號(hào)處理積分處理，頻域分析等方法可以濾除噪聲干擾，有效地檢出裂紋、氣孔等目標(biāo)缺陷。另外，檢測中也常常希望對(duì)缺陷類型加以識(shí)別。從幅值成像圖可發(fā)現(xiàn)，縱向?qū)Р軌蜃R(shí)別孔類和周向裂紋類缺陷，周向?qū)Р▌t能夠識(shí)別孔類和縱向裂紋類缺陷，即可以初步對(duì)缺陷類型進(jìn)行識(shí)別。然后，進(jìn)一步提取全波列信號(hào)特征，結(jié)合特定的算法，可以在一定程度上重構(gòu)缺陷形貌。

三、結(jié)論

 提出了一種超聲近場導(dǎo)波檢測成像方法，構(gòu)建了薄壁不銹鋼管超聲特征成像檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能對(duì)壁厚低至0.5ｍｍ的薄壁不銹鋼管進(jìn)行檢測，檢測能力達(dá)到壁厚的3％，減少了漏檢與誤檢。定位定量誤差均優(yōu)于0.2ｍｍ。（2）檢測時(shí)可以避開表面粗糙、晶粒粗大等引起的干擾，有效地檢出裂紋、氣孔等目標(biāo)缺陷。分析全波列信號(hào)，能對(duì)缺陷類型加以識(shí)別。（3）自動(dòng)記錄全波列信號(hào)，生成產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。對(duì)管材質(zhì)量有異議時(shí)，可及時(shí)追溯。同時(shí)允許技術(shù)人員對(duì)全波列信號(hào)進(jìn)行后期處理與分析，對(duì)諸如管材圓度，晶粒粗大等管材質(zhì)量問題做出評(píng)價(jià)。