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超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁不銹鋼管檢測(cè)中的應(yīng)用

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-09-10 14:45:44 人氣:1091

浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)AP1000核燃料包殼管的檢測(cè)需求,基于超聲近場(chǎng)導(dǎo)波的檢測(cè)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(guò)超聲特征成像圖對(duì)缺陷信息進(jìn)行描述。構(gòu)建的檢測(cè)系統(tǒng)能對(duì)裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷進(jìn)行檢測(cè),減少了漏檢與誤檢,檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)。


 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(zhǎng)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(cè)。目前,超聲導(dǎo)波的應(yīng)用局限于低頻、遠(yuǎn)場(chǎng)范圍,檢測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)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(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)(結(jié)果見(jiàn)表)??梢?jiàn),其檢測(cè)范圍相對(duì)較小,但缺陷的定位定量精度很高,檢測(cè)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(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》。


一、超聲特征成像檢測(cè)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(cè),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(wú)法對(duì)缺陷類(lèi)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(cè)系統(tǒng)。


 檢測(cè)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(cè)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(cè)。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(cè)系統(tǒng)分別對(duì)內(nèi)壁圓底孔及V型槽進(jìn)行了檢測(cè)。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(mén):閘門(mén)寬度對(duì)應(yīng)抽取特征值的信號(hào)區(qū)域,閘門(mén)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(mén)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(cè)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(jiàn)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(cè)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(cè)并統(tǒng)計(jì)回波幅值,得出定量誤差不超過(guò)0.2mm,對(duì)槽狀缺陷的定量誤差甚至能達(dá)到0.02mm。檢測(cè)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(cè),杜絕了漏檢的發(fā)生;檢測(cè)人員通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)能力完全可以達(dá)到壁厚3%的水平,甚至更高。實(shí)際檢測(cè)中常常需要避開(kāi)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(cè)即可解決這一問(wèn)題。晶粒粗大會(huì)使回波信號(hào)中出現(xiàn)“草”狀波,通過(guò)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(cè)中也常常希望對(duì)缺陷類(lèi)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(lèi)和周向裂紋類(lèi)缺陷,周向?qū)Р▌t能夠識(shí)別孔類(lèi)和縱向裂紋類(lèi)缺陷,即可以初步對(duì)缺陷類(lèi)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(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)成像方法,構(gòu)建了薄壁不銹鋼管超聲特征成像檢測(cè)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(cè),檢測(cè)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(cè)時(shí)可以避開(kāi)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(lèi)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(kù)。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(wèn)題做出評(píng)價(jià)。


本文標(biāo)簽:薄壁不銹鋼管 

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