Ultrasonic detection method of small thin-walled tube in nuclear power plant
-
摘要:
为了对核电站中的小径薄壁管实施有效检测,介绍了水浸聚焦横波法和水浸聚焦纵波直入射法,分析确定了探头的工艺参数,并在含有局部磨损、环形磨损、轴向裂纹、周向裂纹、通孔等缺陷的样管上进行了对比检测。结果表明,两种超声检测方法对于不同缺陷的检出、定量各有优劣,其中水浸聚焦纵波直入射法对于磨损、肿胀、通孔等缺陷的检出能力较强,缺陷定量精确；水浸聚焦横波法对于裂纹检出能力较强,但难以定量；两种方法结合、相互验证,可大幅提升缺陷的检出能力。
Abstract:In order to effectively detect small thin-walled tubes in nuclear power plants, the water immersion focused S-wave method and P-wave method were introduced. The technological parameters of the probes were studied and determined, and the comparative detection was carried out on the sample tubes with local wear, annular wear, axial cracks, circumferential crack,through holes and other defects. The results show that the two ultrasonic detection methods had their own advantages and disadvantages in the detection and quantification of different defects. Among them, the water immersion focused P-wave method had a strong detection ability for the defects such as wear, swelling and through hole, and the quantification of defects were accurate. Water immersion focused shear wave method was strong in crack detection, but difficult to quantify. The combination and mutual verification of the two methods can greatly improve the ability of defect detection.
-
核电站设备中存在大量的小径管、薄壁管,如燃料棒,控制棒等,一般直径约为9.5 mm。壁厚约为0.5 mm。此类零部件在高温、高放射性、流致振动等工况影响下,会产生磨损、肿胀、裂纹等缺陷。因其一般具有放射性,且大多空间受限,故无法用目视等方法直接确定其是否存在缺陷。文章对小径薄壁管使用超声检测方法进行技术分析,在模拟试件[ϕ9.68 mm×0.47 mm(直径×壁厚)的奥氏体不锈钢管制成]上制作人工缺陷,使用水浸聚焦横波法和水浸聚焦纵波直入射法对缺陷进行检测和分析,从而比较两种方法的特点和适用对象。
1. 超声检测方法
1.1 水浸聚焦横波周向检测法
水浸聚焦横波周向检测法是将水浸聚焦探头置于水中,利用纵波倾斜入射到水/钢界面,在管内形成横波进行检测[1-2],其原理示意如图1所示。
1.1.1 确定偏心距
如图1所示,为了实现纯横波检测,入射角α应满足以下条件[3]
(1) 因
(2) 所以偏心距x为
(3) 式中:cL1为水中声速,取1 500 m·s-1；cL2为奥氏体不锈钢中纵波声速,取5 800 m·s-1；cS2为奥氏体不锈钢中横波声速,取3 100 m·s-1；R为管外径,取4.84 mm；r为管内径,取4.37 mm。
计算得1.25 mm≤x≤2.11 mm,文章试验中x取1.5 mm。
1.1.2 确定水层厚度
在水浸检测中,一般要求水层厚度H大于钢管中横波的1/2声程（H>xs）。这是因为水中纵波声速约等于钢中横波声速的1/2,当水层厚度大于管中横波1/2声程时,水/钢界面的二次回波将位于管子检测的横波二次波之后,有利于缺陷的判别。其原理示意如图2所示。
在△ABO中
(4) 式中：
；
；x=1.5 mm。
计算得 θ为45.2°或134.8°,由于θ最小值为90°,所以θ取134.8°；φ=5.4°；xs=0.64 mm。
水层厚度H≥0.64 mm。
1.1.3 确定焦距
用水浸聚焦探头检测小径管,应使探头的焦点落在与声束轴线垂直的管心线上,其原理示意如图3所示。最终探头和检测试件的位置确定为
(5) 式中：F为焦距。
由于控制棒组件小棒之间最小距离约为18 mm,为了能够在运行后实施检测,工装上探头焦距F应小于18 mm,故文章中探头焦距选用12 mm,当x取值为1.5 mm时,水层厚度H为7.4 mm。
1.2 水浸聚焦横波轴向检测法
水浸聚焦横波轴向检测法是将水浸探头斜放入水中,利用纵波倾斜入射到水/钢界面,在管内形成横波进行检测,其原理示意如图4所示。
1.2.1 确定入射角度
一般纵向扫查使用45°角的横波,即b=45°,按
计算出α为20°。
1.2.2 确定探头和表面距离
使用和1.1节中相同的探头,即焦距为12 mm,所以L为11.3 mm。
1.3 水浸聚焦纵波直入射检测
水浸聚焦纵波直入射检测[4]是将水浸聚焦探头置于水中,声束轴线直接对准管的圆心,利用管外壁水/钢界面纵波回波和管内壁钢/空气界面纵波回波为参照进行缺陷检测,如图5所示。
1.3.1 确定焦距
聚焦声场在理想条件下会汇聚于一点,实际上,在焦点附近,声波会存在干涉,因此聚焦声束的焦点表现为一个聚焦区,该聚焦区呈柱形,如图6所示。
由图6可知
(6) 式中：d为焦柱直径；L为焦柱长度;λ为波长;F为焦距;R为波源半径;r为声透镜曲率半径;c1为声透镜中声速,取2 730 m·s-1;c2为水中声速,取1 500 m·s-1。
在《ASME V—2010 ASME锅炉及压力容器规范无损检测》 标准中,管子试件最小切槽深度为0.051 mm,超声纵向分辨力为
,所以探头在水中纵向分辨力达到0.051 mm时,f=14.7 MHz,文章中探头频率选择为15 MHz。在钢中想要达到0.051 mm分辨力的话,探头频率为56.9 MHz,频率太高,探头制作有难度,故文章不作分析。由于探头为高频探头,所以探头晶片尺寸无法做得较大,再结合考虑设备安装空间等因素,最终制作的探头参数为f=15 MHz,R=2.5 mm,F=12 mm。计算得d≈0.24 mm,L≈2.304 mm,N=62.475 mm。
聚焦声束轴线上的声压分布如图7所示,其中P0为波源起始声压；x为聚焦声束轴线上某一点至波源距离（在焦点处x=F）。由图7可知,焦距F越小,B(B=N∕F,N为近场区长度)值就越大,聚焦效果越好;当焦距F大于或等于近场区长度N时,几乎没有聚焦效果。所以聚焦探头的焦距F应在近场区长度N以内,即F<N。此探头B=5.2,符合要求。
1.3.2 确定水层厚度
在实际检测中,如果探头焦点位于试件内部,而钢中声速大于水中声速,故焦距Fs会变小。由于入射角a>入射角A,折射角b>折射角B,所以在管状工件中的焦距Fs<Fs′<F,如图8所示。
当F-d<H<F+L/2（d为工件厚度）时,能保证聚焦区在检测工件内部。当L=2.304 mm,d=0.47 mm,11.53 mm<H<13.152 mm,H可以取值12 mm。
2. 试验设备
2.1 超声仪器
使用CTS-5061多通道数字超声仪,其实物如图9所示,仪器水平线性误差≤0.5%,垂直线性误差≤3%,检测灵敏度余量≥60 dB,动态范围≥30 dB,采样速率为200 MHz,测量分辨力为0.01 mm。
2.2 探头
使用圆形水浸点聚焦探头,水中焦距F为12 mm,中心频率f为15 MHz,晶片半径为 2.5 mm,-6 dB带宽>75%,-20 dB包络脉冲宽度<220 ns。探头实物如图10所示。
3. 模拟试件检测
3.1 检测用探头工装
检测用探头工装如图11所示,该探头工装可以满足探头焦距,水层厚度和偏心距等的要求。检测方法如图12所示,根据探头和缺陷形式分别采用纵向扫查和周向扫查两种方式。
3.2 模拟试件
试验中选取含局部磨损减薄、环形磨损、轴向裂纹、周向裂纹和通孔等典型模拟缺陷[5]的样管,其结构示意如图13所示。
3.3 检测结果
试验时手动匀速移动探头,为了更直观地观察检测结果,使用B扫图像显示。图像中x轴为时间轴,y轴为声程轴,零点位置在图像左上角；颜色代表回波高度,高度按黑蓝绿黄红依次增大,黄色时约为80 %波高。
3.3.1 局部磨损样管
使用R=5.59 mm的模具在样管表面磨出两侧厚中心薄的C形缺陷,来模拟管子流致振动等导致的局部磨损。
(1) 周向扫查
将探头分别放入3种工装,对准人工缺陷A的轴向中心位置,转动探头进行周向扫查,检测结果B扫图像如图14所示。其中,水浸聚焦横波周向检测法和纵波直入射检测法均能清晰地发现缺陷,水浸聚焦横波轴向检测法在缺陷中心部分无法发现缺陷。
从横波周向检测法B扫图中能看到在圆周面上反射回的纵波回波,且回波有一定的高度,当探头转动靠近磨损缺陷时,此回波由于弧度的变化反射角度变大,波幅大幅度降低,同时管内折射的横波回波开始变强,从管内的多次反射波到最后的二次反射波,可以看到回波声程由远至近,最终越过缺陷回到初始无缺陷处的波形状态。
纵波直入射法B扫图像中,能清晰地看到弧形磨损缺陷形貌,通过计算缺陷处管壁回波声程和无缺陷处管壁回波声程之差,可以得到缺陷深度。同时,通过缺陷回波起始点和结束点的x轴时间差和探头转动速度可以计算出缺陷的周向长度。
横波轴向检测法的B扫图上,在缺陷中心时无法发现缺陷,只有在探头声束正对台阶时才能看到台阶处的回波。
(2) 轴向扫查
将探头分别放入3种工装,对准人工缺陷A、B、C的中心位置,从A至C轴向扫查,检测结果B扫图像如图15所示。由图15可见,3种方法均能清晰地发现缺陷,但如果缺陷周向长度较大的话,横波周向检测法可能无法发现缺陷。
在横波周向检测法B扫图中能看到横波反射波的回波,且缺陷回波波幅随着缺陷周向长度变大而降低。通过缺陷回波的起始点和结束点的x轴时间差和探头轴向移动速度可以计算出缺陷的轴向长度。
在横波轴向检测法B扫图像中可以看出,在经过缺陷第一级台阶处时有一个较低的管内横波反射波回波,在第二级台阶处时由于端角反射出现了一个很强的纵波回波。
在纵波直入射法B扫图像中能清晰地看到缺陷的轴向形貌,通过计算缺陷处管壁回波声程和无缺陷处管壁回波声程之差,可以得到缺陷深度。同时,通过缺陷回波起始点和结束点的x轴时间差和探头轴向移动速度,可以计算出缺陷的轴向长度。
3.3.2 宽环形槽样管
在样管上磨出宽为20 mm、深为0.05 mm和0.14 mm的环形槽,用来模拟管子转动时导致的环形磨损和辐照导致的肿胀。
（1）周向扫查
将探头分别放入3种工装,对准人工缺陷A和B的中心位置,转动探头进行周向扫查。由于环形槽是均匀减薄的,所以3种方法均无法发现缺陷。
(2) 轴向扫查
将探头分别放入3种工装,探头轴向移动通过人工缺陷A和B,检测结果B扫图像如图16所示。由图16可知,水浸聚焦横波轴向检测法和纵波直入射检测法均能清晰地发现缺陷,水浸聚焦横波周向检测法无法发现缺陷。
横波周向检测法B扫图中能看到纵波在管外壁的回波有抖动,但无法确定是否为缺陷。
横波轴向检测法B扫图中可以看出,在经过缺陷第一级台阶处时有一个较弱的管壁内横波反射波回波,在第二级台阶处时由于端角反射出现了一个很强的纵波回波。
纵波直入射法B扫图中能清晰地看到缺陷的轴向形貌,通过计算缺陷处的管壁回波声程和无缺陷处管壁回波声程之差,可以得到缺陷深度。同时,通过缺陷回波起始点和结束点的x轴时间差和探头轴向移动速度,可以计算出缺陷的轴向长度。
3.3.3 纵向刻槽样管
在样管上刻深为0.094 mm,宽度为0.25 mm和0.4 mm的两条凹槽,用来模拟管子表面拉伤和开口较大的轴向裂纹。
（1）周向扫查
将探头分别放入3种工装,对准凹槽的中心位置,转动探头进行周向扫查,检测结果B扫图像如图17所示。由图17可知,水浸聚焦横波周向检测法和纵波直入射检测法均能清晰地发现缺陷,水浸聚焦横波轴向检测法无法发现缺陷。
横波周向检测法B扫图中能看到,管壁内横波的多次反射波先检测到缺陷,然后随着探头靠近缺陷,横波反射次数减少,回波的声程减小,高度增加,最终趋近于纵波在管外壁的回波。
横波轴向检测法无法检测到缺陷。
纵波直入射法B扫图像中能清晰地看到缺陷的轴向形貌,通过计算缺陷处管壁回波声程和无缺陷处管壁回波声程之差,可以得到缺陷深度。同时,通过缺陷回波起始点和结束点的x轴时间差和探头轴向移动速度,可以计算出缺陷的轴向长度。
(2) 轴向扫查
将探头分别放入3种工装,探头中心对准凹槽,轴向移动通过凹槽进行检测检测结果B扫图像如图18所示,可见3种方法均可以发现缺陷。
横波周向检测法B扫图中可以看到纵波反射波的回波在缺陷位置和无缺陷位置处有深度变化,可以通过起始点和结束点位置计算缺陷的轴向长度。
横波轴向检测法B扫图像中可以看出在经过缺陷第一级台阶处时有一个较弱的管内横波反射波回波,在第二级台阶处时由于端角反射有一个较强的纵波回波。
纵波直入射法B扫图像中能清晰地看到缺陷轴向形貌,通过计算缺陷处管壁回波声程和无缺陷处管壁回波声程之差,可以得到缺陷深度。同时,通过缺陷回波起始点和结束点的x轴时间差和探头轴向移动速度,可以计算出缺陷的轴向长度。
3.3.4 窄环形槽样管
在样管上刻宽度为0.05 mm,深度为0.05,0.14,0.24 mm的窄环形槽,用来模拟管子表面划伤和周向裂纹。
（1）周向扫查
将探头分别放入3种工装,对准人工缺陷A、B、C的中心位置,转动探头进行周向扫查。由于环形槽是均匀减薄的,所以水浸聚焦横波周向检测法和纵波直入射检测法无法发现缺陷。水浸聚焦横波轴向检测法在正对缺陷时有缺陷回波显示,通过探头转动速度与缺陷回波起始点和结束点的x轴差值可以计算出缺陷的周向长度。
（2）轴向扫查
将探头分别放入3种工装,探头轴向移动通过人工缺陷A、B和C进行检测,检测结果B扫图像如图19所示。由图19可知,水浸聚焦横波轴向检测法能清晰地发现缺陷,水浸聚焦横波周向检测法和纵波直入射检测法无法发现缺陷。
横波周向检测法B扫图像中可以看到回波基本无明显变化,无法发现缺陷。
横波轴向检测法B扫图像中可以清晰地发现缺陷,可以通过缺陷回波的x轴位置和探头轴向移动速度来计算缺陷的轴向位置。但由于壁厚较水层深度而言极小,故回波混杂在一起很难计算出缺陷深度。
纵波直入射法B扫图像中可以看到某些位置的回波有些微抖动,但无法清晰分辨出是否是缺陷。
3.3.5 通孔样管
在样管一侧钻出一个直径为0.94 mm的通孔,用来模拟管子磨穿或裂开等缺陷。
(1) 周向扫查
将探头分别放入3种工装,对准通孔的中心位置,转动探头进行周向扫查,检测结果B扫图像如图20所示,可见3种方法均能清晰发现缺陷（横波轴向检测法需要将探头声束正对通孔边缘才会出现缺陷回波）。
横波周向检测法B扫图像中可以看到,管壁内横波的多次反射波先检测到缺陷,然后随着探头靠近缺陷横波反射次数减少,回波的声程减小,高度增加,最终趋近于纵波在管外壁的回波。
横波轴向检测法B扫图像中可以看到当超声声束正对着孔边缘时能清晰地发现缺陷,如果声束正对孔中心穿过孔的话,则无法检测到缺陷。
纵波直入射法B扫图像中能清晰地看到在缺陷位置超声波声束穿过通孔到达对面的管壁内侧的回波,此回波声程应该是管内径加上壁厚的值。同时,通过管外壁回波消失的起始点与结束点的x轴时间差和探头周向移动速度,可以计算出缺陷的周向长度。
(2) 轴向扫查
将探头分别放入3种工装,探头轴向移动通过孔的中心位置进行检测,检测结果B扫图像如图21所示,可见3种方法均能发现缺陷。
横波周向检测法B扫图像中可以看到在缺陷处管外壁纵波回波消失。
横波轴向检测法B扫图像中可以清晰地发现缺陷,经过通孔第一侧时有管内横波反射波回波,到达第二侧时能看到纵波在侧壁上的回波。
纵波直入射法B扫图像与周向扫查时的相同。
4. 结论
采用水浸聚焦横波法和水浸聚焦纵波直入射法对小径薄壁管常见的局部磨损、环形磨损、轴向裂纹、周向裂纹、通孔等模拟缺陷进行了检测,通过对比得出以下结论。
（1）水浸聚焦横波法对于局部磨损、裂纹和开口缺陷的检出能力较强,尤其是裂纹类缺陷,通过横波周向检测法和横波轴向检测法可以很好的涵盖周向和轴向裂纹。但是对于缺陷的种类、大小、形貌较难判断,需要经验丰富的检测人员进行判别,由于波形转换带来的角度变化与多次回波等因素的影响,很难计算出缺陷的精确尺寸。
（2）水浸聚焦纵波直入射法对于磨损、肿胀、开口缺陷的检出能力较强,而且对于缺陷的种类、大小、形貌,可以通过同一缺陷的周向扫查和轴向扫查B扫图像进行较准确判断,且使用高精度探头可以检测出精确的缺陷尺寸。
（3）在小径薄壁管超声检测中,虽然水浸聚焦纵波直入射法比水浸聚焦横波法有优势,但是其对于危害极大的裂纹类缺陷的检出能力较弱。
（4）水浸聚焦横波法和水浸聚焦纵波直入射法对不同缺陷的检测优势不同,可将两种检测方法结合并进行使用,相互验证,则对于缺陷检出、缺陷性质判断以及缺陷尺寸计算,都将大有益处。
-
[1] 郑晖,林树青 ．超声检测[M]．北京：中国劳动社会保障出版社,2008． [2] 庞天国,罗涛,高一鸣 ．小口径薄壁管在役超声波检测[J]．无损检测,2011, 33(7):44-46. [3] 张鹏飞,汪春晓,朱传雨,等 ．反应堆控制棒束检测中的异常信号分析[J]．无损检测,2017, 39(10):21-23. [4] 蔡家藩,陈增武,乔维,等.核电站反应堆控制棒束组件检查技术应用[C]//中国核学会2009年学术年会.北京：原子能出版社,2010：907-914. [5] 张丽琴,钟志民,李劲松,等 ．燃料组件控制棒包壳在役超声涡流自动检测[J]．无损检测,2005, 27(1):38-40.
下载:
计量
- 文章访问数: 33
- HTML全文浏览量: 3
- PDF下载量: 30
