超聲近場導波在薄壁不銹鋼管檢測中的應用

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

 超聲導波是在規(guī)則聲導體（可忽略材料和邊界耗散聲能的物體）中能遠距離傳播的超聲波，它滿足波動方程和邊界條件。邊界的波形轉換和全反射，將聲能約束在波包之內，使得超聲導波具有超長距離傳播的特殊性能。圖是水平剪切導波在薄板中傳播的光彈照片，圖中超聲波經斜塊進入薄板后向上下兩側擴散，繼而受到邊界的約束產生反射與波型轉換，然后折回板中，前向聲波得到干涉加強。超聲導波具有頻散小、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，超聲導波的應用局限于低頻、遠場范圍，檢測靈敏度和分辨率較低，只能檢出大當量缺陷，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，管體的質量要求很高。由于加工工藝不完善，鋯管中會小概率地出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷。針對其壁薄，小當量缺陷的特征，筆者提出了一種超聲近場導波檢測方法對其進行檢測（結果見表）?？梢姡錂z測范圍相對較小，但缺陷的定位定量精度很高，檢測能力達到了管材探傷中的最高標準———航空不銹鋼管的損傷檢出標準（不銹鋼管中的最高等級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方法》。

一、超聲特征成像檢測原理

 待檢鋯管外徑9.5ｍｍ，內徑8.36ｍｍ，壁厚0.57ｍｍ。按圖所示方法進行檢測，對超標回波信號進行報警，可以分選出不合格鋯管，但無法對缺陷類型、大小和位置作出準確判斷。為此，設計了一套超聲特征成像檢測系統(tǒng)。

 檢測系統(tǒng)采用探頭螺旋運動的掃查方式進行聲成像。如圖所示，預先在計算機中構造出Ｍ×Ｎ的網格圖，Ｍ代表探頭旋轉的圈數(shù)，Ｎ代表探頭每轉一圈的掃查次數(shù)。檢測時探頭繞鋯管軸線螺旋前進，每轉動一個小角度，激勵一次超聲進行檢測。抽取全波列信號的特征值，在對應的網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的幅值或相位，分別對應缺陷的幅值圖和深度圖。為了保證管內待檢區(qū)域的全覆蓋，探頭螺旋轉動的螺距設為0.2ｍｍ，一周掃查次數(shù)Ｎ設為120，得出管內壁形成的掃查網格為0.2ｍｍ×0.22ｍｍ，超聲覆蓋率達到200％，從而達到了管內待檢區(qū)域全覆蓋的要求。

二、試驗結果分析

  利用超聲特征成像檢測系統(tǒng)分別對內壁圓底孔及V型槽進行了檢測。圖是圓底孔的尺寸、周向導波幅值成像示意及波形圖。其中波形圖設置了一個矩形閘門：閘門寬度對應抽取特征值的信號區(qū)域，閘門高度對應超標信號閾值，超出閾值的信號在成像圖中用黑色表示，未達到閾值的信號用不同灰度表示。預先調節(jié)閘門寬度使其涵蓋1，3，5次回波信號可能出現(xiàn)的位置，獲得成像圖。成像圖中缺陷信號分成三片區(qū)域，分別代表探頭轉動時5次波，3次波以及1次波對同一個圓底孔的檢測結果。圖所示三幅波形圖則是對應的全波列信號，可見隨著探頭的轉動，回波幅值逐漸增大，相位逐漸靠前，這與圖中的周向導波檢測原理是一致的。以很容易判斷管內是否存在缺陷。當管內存在缺陷時，尋找成像圖中回波幅值最大的網格，記錄該點坐標和回波幅值的準確數(shù)值，可以對缺陷進行定位定量分析。定位誤差取決于掃查密度，達到0.2ｍｍ。對同一根管多次檢測并統(tǒng)計回波幅值，得出定量誤差不超過0.2ｍｍ，對槽狀缺陷的定量誤差甚至能達到0.02ｍｍ。檢測系統(tǒng)擁有200％以上的覆蓋率，配合周向與縱向導波同時檢測，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和干擾信號，杜絕了誤檢的發(fā)生。

 為了分析系統(tǒng)的檢測能力，對若干根帶有不同缺陷的樣品進行了試驗，檢測結果如表所示。通常信噪比達到6dB，也就是信號與噪聲的幅值比不低于２即認為能檢出缺陷。從表可分析得出，該方法的檢測能力完全可以達到壁厚3％的水平，甚至更高。實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進入1次波信號區(qū)域，采用3次波檢測即可解決這一問題。晶粒粗大會使回波信號中出現(xiàn)“草”狀波，通過信號處理積分處理，頻域分析等方法可以濾除噪聲干擾，有效地檢出裂紋、氣孔等目標缺陷。另外，檢測中也常常希望對缺陷類型加以識別。從幅值成像圖可發(fā)現(xiàn)，縱向導波能夠識別孔類和周向裂紋類缺陷，周向導波則能夠識別孔類和縱向裂紋類缺陷，即可以初步對缺陷類型進行識別。然后，進一步提取全波列信號特征，結合特定的算法，可以在一定程度上重構缺陷形貌。

三、結論

 提出了一種超聲近場導波檢測成像方法，構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：（1）能對壁厚低至0.5ｍｍ的薄壁不銹鋼管進行檢測，檢測能力達到壁厚的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、氣孔等目標缺陷。分析全波列信號，能對缺陷類型加以識別。（3）自動記錄全波列信號，生成產品質量數(shù)據(jù)庫。對管材質量有異議時，可及時追溯。同時允許技術人員對全波列信號進行后期處理與分析，對諸如管材圓度，晶粒粗大等管材質量問題做出評價。