反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓自動超聲檢驗(yàn)成像軟件設(shè)計開發(fā)

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（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

封頭螺栓是緊固壓力容器殼體和頂蓋的重要部件［1]，其質(zhì)量直接影響核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。按照核電無損檢測規(guī)范要求，必須定期對反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，以檢測封頭螺栓在高溫高壓條件下是否產(chǎn)生裂紋等缺陷。傳統(tǒng)的螺栓超聲自動檢驗(yàn)采用條形圖方式按時間連續(xù)記錄超過閾值的反射信號，只能反映出對應(yīng)于時間軸的信號幅值強(qiáng)弱，無法反映信號在螺栓中的具體位置，對顯示信號不能直觀分析，所以無法達(dá)到日益嚴(yán)格的核電無損檢測要求。為了滿足對螺栓超聲自動檢驗(yàn)缺陷信號準(zhǔn)確定位和定量的要求，通過針對性的試驗(yàn)研究，開發(fā)出了一套封頭螺栓自動超聲檢驗(yàn)軟件，實(shí)現(xiàn)了超聲信號的B型、C型和M型成像以及準(zhǔn)確的定位定量分析。

1 檢驗(yàn)技術(shù)

反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓直徑一般為φ150～200 mm，檢驗(yàn)范圍包括螺栓的光桿區(qū)及上、下螺紋區(qū)，主要目的是探測螺紋部位是否有腐蝕、撕裂引起的金屬缺損以及螺紋根部和光桿區(qū)是否存在裂紋等缺陷。自動超聲檢驗(yàn)系統(tǒng)包括機(jī)械、控制裝置和超聲信號采集分析系統(tǒng)，采用頻率為2～5 MHz的45°水浸或接觸式橫波探頭進(jìn)行檢驗(yàn)，耦合劑為水。檢驗(yàn)時，將螺栓垂直固定于機(jī)械裝置底座上，超聲探頭固定在一根螺桿上并利用探頭支架安置于螺栓的中心孔內(nèi)并與中心孔圓心重合。在電機(jī)的驅(qū)動下，螺栓旋轉(zhuǎn)并帶動超聲探頭沿螺栓軸線向下運(yùn)動，如圖1所示。同時通過超聲信號采集分析系統(tǒng)采集超聲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算處理后實(shí)時成像顯示。

圖1 自動超聲檢驗(yàn)示意圖

2 超聲成像難點(diǎn)

檢驗(yàn)時螺栓的旋轉(zhuǎn)速度約為60 r/min，探頭與螺栓的相對運(yùn)動較快，且運(yùn)動軌跡為螺旋形，超聲波傳播距離也較大，對信號的實(shí)時存儲，運(yùn)動位置的記錄，信號位置的運(yùn)算，數(shù)據(jù)重建和圖形成像處理都存在一定難度。另外，按照RSE－M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用螺栓上深度0.5 mm的刻槽進(jìn)行基準(zhǔn)靈敏度標(biāo)定，大于0.5 mm深槽的信號顯示應(yīng)予記錄。在靈敏度標(biāo)定時，螺紋區(qū)較強(qiáng)的螺紋反射信號與刻槽信號的幅值差異很小，數(shù)據(jù)成像后要求能將這一差異較小信號從螺紋信號中清晰區(qū)分開，這對信號成像的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)提出了較高要求。

3 超聲成像技術(shù)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

針對螺栓的超聲波自動成像技術(shù)是將超聲波信號與機(jī)械位置等進(jìn)行運(yùn)算，繪制出被檢對象的二維剖面圖、信號圖等，便于直觀的分析和缺陷定量。

3.1 M型條形圖成像

M型條形圖是自定義的成像方式，是針對傳統(tǒng)條形圖無法反映信號與探頭位置關(guān)系的一種改進(jìn)。傳統(tǒng)條形圖是按時間間隔記錄A型波形中閘門內(nèi)的峰值并將峰峰值連線形成的圖像，橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是聲波幅值。而M型條形圖是按照探頭螺旋運(yùn)動過程中，按照位置間隔進(jìn)行采樣，記錄A型波形中閘門內(nèi)的峰值，并將其連線形成的圖像。如圖2所示，橫坐標(biāo)為探頭移動位置，縱坐標(biāo)為聲波幅值。通過它能夠觀察整個螺栓缺陷幅值及缺陷分布情況，同時能夠查找螺栓某位置上對應(yīng)的聲波幅值。

圖2 M型波形成像

由于完成一次螺栓全體積掃查，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)非常多，往往大于計算機(jī)屏幕能夠容納的像素點(diǎn)，因此，需要將其進(jìn)行坐標(biāo)變換，能夠自適應(yīng)計算機(jī)窗口的大小，其計算公式如式（1）～（2）：

式中：x′，y′為計算機(jī)窗口屏幕像素點(diǎn)位置；x，y為數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際位置；Sx，Sy為比例因子；W/W′為計算機(jī)窗口屏幕寬度與數(shù)據(jù)點(diǎn)寬度比值；H/H′為計算機(jī)窗口高度與聲波幅值范圍的比值。

3.2 幅值－調(diào)色技術(shù)

幅值－調(diào)色技術(shù)是超聲波成像的基礎(chǔ)，因?yàn)锽，C型成像圖的像素點(diǎn)顏色取值取決于超聲波幅值。幅值－調(diào)色技術(shù)就是確定超聲波幅值映射到聲學(xué)成像圖的像素點(diǎn)的顏色值，0%～100%幅值的對應(yīng)顏色如圖3所示。

圖3 幅值調(diào)色板

由于所使用的超聲儀［2]A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)為8位，幅值取值范圍為0～255，因此，設(shè)計了一個包括256種顏色的調(diào)色板，使用該調(diào)色板中的顏色屬性作為成像圖的像素點(diǎn)顏色，根據(jù)需要，可任意設(shè)置調(diào)色板中的顏色。但256種顏色不可能通過手動方式一一設(shè)置，對此，采用了插值法簡化操作步驟。其具體方法是首先將0～255的幅值范圍劃分為16個等分，每個等分代表一種RGB顏色屬性，根據(jù)個人喜好手動設(shè)置每個等分的顏色值，然后程序?qū)⒌确种g的點(diǎn)采用插值的算法進(jìn)行顏色自動計算并設(shè)置。通過這種方式，只需設(shè)置16種顏色就可以確定256種顏色的調(diào)色板的顏色屬性。這里采用了兩種插值方法，一種是線性插值，另一種是對數(shù)插值，對數(shù)插值計算如式（3）所示［3]。

式中：A，B為已知點(diǎn)；C為內(nèi)插值點(diǎn)；X為A，C兩點(diǎn)間距；L為A，B兩點(diǎn)間距。

3.3 B型掃描成像設(shè)計

與傳統(tǒng)的B型［4]掃描成像不同的是螺栓的B型成像是螺栓周向方向的二維截面圖，它是超聲探頭旋轉(zhuǎn)一周后，聲速在螺栓周向截面的投影，投影圖像將是一個以螺栓軸線為圓心，以聲波傳播深度為半徑的圓，如圖4所示。圖像的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)均為圓的直徑，即聲波傳播深度的2倍，顏色為聲程上聲波幅值在幅值－調(diào)色調(diào)色板上所對應(yīng)的顏色值。

圖4 B型掃查成像原理

由于超聲儀的采樣是離散的，同時軟件也是按照探頭運(yùn)動間隔距離離散采樣，因此B型掃描圖像將也是離散的，是若干個離散點(diǎn)組成的圓。為了使B型圖像變得連續(xù)，看上去平滑，采用了雙線性插值法［5]對圖像中的離散采樣點(diǎn)之間的像素顏色值進(jìn)行求解，待插點(diǎn)的像素顏色值由離其最近的4個點(diǎn)值加權(quán)求得。

除了探頭旋轉(zhuǎn)一周形成的單層B型圖像外，還設(shè)計了多個單層B型疊加圖像。即將若干個單層B型圖像，通過數(shù)字圖像處理進(jìn)行疊加，合成一幅B型圖。通過這種方法，可以觀察一段螺紋區(qū)間內(nèi)的螺栓周向截面的情況。

3.4 C型掃描成像設(shè)計

C型掃描成像與傳統(tǒng)的C型成像類似，能夠反映工件內(nèi)部缺陷的位置，相當(dāng)于將螺栓的一面剖開拉直，展開成一個矩形立方體，C型圖像就是矩形立方體的平面投影圖。但不同的是，由于探頭旋轉(zhuǎn)使得角度從0°到360°周而復(fù)始，因此螺栓的C型成像圖橫坐標(biāo)是0°～360°，縱坐標(biāo)是螺栓的長度，像素顏色由聲波幅值在幅值－調(diào)色調(diào)色板上所對應(yīng)的顏色值確定。C型掃描成像也采用了與B型成像一樣的技術(shù)，通過插值進(jìn)行圖像處理。

聲程上某一位置的采樣點(diǎn)所形成的C型圖像是單層圖像，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，將多個單層的圖像合成一幅C型圖像，即是聲程上的一段區(qū)間內(nèi)的多個單層C型圖像的疊加。通過疊加C型圖可以觀察螺栓內(nèi)部的缺陷在螺栓周向方向和軸向方向的分布情況及位置。

4 超聲成像軟件

超聲成像軟件采用Visual C# 2008在Windows 7平臺進(jìn)行開發(fā)，主要完成超聲波數(shù)據(jù)采集、信號處理、A/B/C型成像圖、M型條形圖、峰值測量、缺陷位置測量、軟增益等主要功能，界面如圖5所示。軟件結(jié)構(gòu)主要分為三層，即用戶交互層、業(yè)務(wù)邏輯層和控制層。

圖5 超聲探傷軟件界面圖

用戶交互層主要負(fù)責(zé)和用戶交換信息，用戶通過該層輸入數(shù)據(jù)和指令，同時計算機(jī)又將采集和處理后的數(shù)據(jù)輸出到顯示器。業(yè)務(wù)邏輯層主要負(fù)責(zé)信號處理，包括FFT、IFFT、峰值保存、數(shù)據(jù)壓縮、軟增益、A/B/C型成像圖繪制、M型條形圖繪制、數(shù)據(jù)平滑處理以及數(shù)據(jù)存儲等業(yè)務(wù)。控制層則是軟件最底層的部分，負(fù)責(zé)與超聲儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊、參數(shù)輸入、指令交互、工作時序控制等。

5 測試試驗(yàn)

利用標(biāo)定螺栓［6]對超聲成像軟件進(jìn)行了測試試驗(yàn)。如圖6所示，標(biāo)定螺栓刻有兩組人工切槽，第一組切槽編號A～F，第二組切槽與第一組切槽以螺栓長度的一半為中心軸對稱分布。其中槽A～C深度為2，1，0.5 mm，周向方向都位于180°位置，與退刀槽距離分別為第10齒、第20齒、第30齒，螺紋螺距為4 mm，槽D～F，周向方向分別位于0°，120°和240°，與退刀槽距離分別為40，80，120 mm。筆者只列舉了第一組切槽的實(shí)際測試結(jié)果，如表1所示。從表中結(jié)果可以看出，通過對成像后的超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，槽信號的位置顯示非常準(zhǔn)確。

圖6 標(biāo)定螺栓示意圖

表1 測試結(jié)果

6 結(jié)論

與傳統(tǒng)條形圖相比，封頭螺栓自動超聲檢驗(yàn)軟件具有幾個優(yōu)點(diǎn)：第一能夠直觀清晰地呈現(xiàn)缺陷分布狀態(tài)；其次能夠準(zhǔn)確、直接的測量缺陷位置；再者通過偽彩色圖像的視覺反差，人眼能夠敏銳的識別與螺紋信號差異較小的缺陷信號，避免漏檢；除此之外，該軟件還具有數(shù)據(jù)記錄全面，具備多種測量工具等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價值。

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