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超声近场导波在薄壁ManBetx检测中的应用

来源:至德钢业 日期:2020-09-10 14:45:44 人气:36

浙江至德钢业有限公司针对AP1000核燃料包壳管的检测需求,基于超声近场导波的检测原理,提出了一种评价薄壁ManBetx质量的方法,并通过超声特征成像图对缺陷信息进行描述。构建的检测系统能对裂纹、气孔、夹杂、分层、折叠等缺陷进行检测,减少了漏检与误检,检测能力达到了壁厚3%的水平,定位定量误差均小于0.2mm。结果表明,超声导波适用于高能耗包壳管的无损检测。


 超声导波是在规则声导体(可忽略材料和边界耗散声能的物体)中能远距离传播的超声波,它满足波动方程和边界条件。边界的波形转换和全反射,将声能约束在波包之内,使得超声导波具有超长距离传播的特殊性能。图是水平剪切导波在薄板中传播的光弹照片,图中超声波经斜块进入薄板后向上下两侧扩散,继而受到边界的约束产生反射与波型转换,然后折回板中,前向声波得到干涉加强。超声导波具有频散小、衰减小、背景噪声小的传播性能,适用于板材和管棒材的检测。目前,超声导波的应用局限于低频、远场范围,检测灵敏度和分辨率较低,只能检出大当量缺陷,并且定位、定量精度不够高。


 AP1000核燃料包壳管(简称锆管)是防止核燃料泄露的第一道屏障,管体的质量要求很高。由于加工工艺不完善,锆管中会小概率地出现裂纹、气孔、夹杂、分层、折叠等缺陷。针对其壁薄,小当量缺陷的特征,笔者提出了一种超声近场导波检测方法对其进行检测(结果见表)。可见,其检测范围相对较小,但缺陷的定位定量精度很高,检测能力达到了管材探伤中的最高标准———航空ManBetx的损伤检出标准(ManBetx中的最高等级L1),表中航空ManBetx的数据源自GB/T5777-2008无缝钢管超声波探伤检验方法》。


一、超声特征成像检测原理

 

 待检锆管外径9.5mm,内径8.36mm,壁厚0.57mm。按图所示方法进行检测,对超标回波信号进行报警,可以分选出不合格锆管,但无法对缺陷类型、大小和位置作出准确判断。为此,设计了一套超声特征成像检测系统。


 检测系统采用探头螺旋运动的扫查方式进行声成像。如图所示,预先在计算机中构造出M×N的网格图,M代表探头旋转的圈数,N代表探头每转一圈的扫查次数。检测时探头绕锆管轴线螺旋前进,每转动一个小角度,激励一次超声进行检测。抽取全波列信号的特征值,在对应的网格中用颜色深浅表示其大小。特征值可以选择为缺陷回波信号的幅值或相位,分别对应缺陷的幅值图和深度图。为了保证管内待检区域的全覆盖,探头螺旋转动的螺距关注0.2mm,一周扫查次数N关注120,得出管内壁形成的扫查网格为0.2mm×0.22mm,超声覆盖率达到200%,从而达到了管内待检区域全覆盖的要求。


二、试验结果分析


  利用超声特征成像检测系统分别对内壁圆底孔及V型槽进行了检测。图是圆底孔的尺寸、周向导波幅值成像示意及波形图。其中波形图设置了一个矩形闸门:闸门宽度对应抽取特征值的信号区域,闸门高度对应超标信号阈值,超出阈值的信号在成像图中用黑色表示,未达到阈值的信号用不同灰度表示。预先调节闸门宽度使其涵盖1,3,5次回波信号可能出现的位置,获得成像图。成像图中缺陷信号分成三片区域,分别代表探头转动时5次波,3次波以及1次波对同一个圆底孔的检测结果。图所示三幅波形图则是对应的全波列信号,可见随着探头的转动,回波幅值逐渐增大,相位逐渐靠前,这与图中的周向导波检测原理是一致的。以很容易判断管内是否存在缺陷。当管内存在缺陷时,寻找成像图中回波幅值最大的网格,记录该点坐标和回波幅值的准确数值,可以对缺陷进行定位定量分析。定位误差取决于扫查密度,达到0.2mm。对同一根管多次检测并统计回波幅值,得出定量误差不超过0.2mm,对槽状缺陷的定量误差甚至能达到0.02mm。检测系统拥有200%以上的覆盖率,配合周向与纵向导波同时检测,杜绝了漏检的发生;检测人员通过成像图可以辨别缺陷信号和干扰信号,杜绝了误检的发生。


 为了分析系统的检测能力,对若干根带有不同缺陷的样品进行了试验,检测结果如表所示。通常信噪比达到6dB,也就是信号与噪声的幅值比不低于2即认为能检出缺陷。从表可分析得出,该方法的检测能力完全可以达到壁厚3%的水平,甚至更高。实际检测中常常需要避开表面粗糙、晶粒粗大等区域。粗糙表面的表面回波会进入1次波信号区域,采用3次波检测即可解决这一问题。晶粒粗大会使回波信号中出现“草”状波,通过信号处理积分处理,频域分析等方法可以滤除噪声干扰,有效地检出裂纹、气孔等目标缺陷。另外,检测中也常常希望对缺陷类型加以识别。从幅值成像图可发现,纵向导波能够识别孔类和周向裂纹类缺陷,周向导波则能够识别孔类和纵向裂纹类缺陷,即可以初步对缺陷类型进行识别。然后,进一步提取全波列信号特征,结合特定的算法,可以在一定程度上重构缺陷形貌。


三、结论


 提出了一种超声近场导波检测成像方法,构建了薄壁ManBetx超声特征成像检测系统,系统具有以下优点:(1)能对壁厚低至0.5mm的薄壁ManBetx进行检测,检测能力达到壁厚的3%,减少了漏检与误检。定位定量误差均优于0.2mm。(2)检测时可以避开表面粗糙、晶粒粗大等引起的干扰,有效地检出裂纹、气孔等目标缺陷。分析全波列信号,能对缺陷类型加以识别。(3)自动记录全波列信号,生成产品质量数据库。对管材质量有异议时,可及时追溯。同时允许技术人员对全波列信号进行后期处理与分析,对诸如管材圆度,晶粒粗大等管材质量问题做出评价。


本文标签:薄壁ManBetx 

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