超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁管檢測(cè)中的應(yīng)用

邢耀淇，高佳楠，陳以方

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中核包頭核燃料元件股份有限公司，包頭 014035)

?

超聲近場(chǎng)導(dǎo)波在薄壁管檢測(cè)中的應(yīng)用

邢耀淇1，高佳楠2，陳以方1

(1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中核包頭核燃料元件股份有限公司，包頭 014035)

摘要：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0.2 mm。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)。

關(guān)鍵詞：近場(chǎng)導(dǎo)波；聚焦探頭；薄壁管；超聲成像

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1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)[1-4]。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。

圖1　薄板中水平剪切導(dǎo)波傳播光彈照片

AP1000核燃料包殼管(簡(jiǎn)稱鋯管)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[5]。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1)?？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1中航空不銹鋼管的數(shù)據(jù)源自GB/T 5777-2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》。

表1　鋯管損傷檢出能力與航空不銹鋼管

1薄壁管的近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)原理

在管內(nèi)材料是均勻線性彈性介質(zhì)的情況下，管中超聲波滿足如下微分方程：

(1)

(2)

式中:φ為位移標(biāo)量勢(shì);H為位移矢量勢(shì);cl，ct分別為縱波和橫波的傳播速度。

質(zhì)點(diǎn)位移矢量u可以分解成位移標(biāo)量勢(shì)φ的梯度和位移矢量勢(shì)H的旋度，φ和H分別滿足(1)(2)兩式，也就是縱波和橫波的控制方程：

(3)

近場(chǎng)區(qū)的窄脈沖超聲導(dǎo)波信號(hào)強(qiáng)度大，分辨能力高，適合于薄壁管缺陷的定位定量分析。研究近場(chǎng)導(dǎo)波檢測(cè)原理時(shí)，可以將薄壁管簡(jiǎn)化為薄板，并將板中導(dǎo)波的形成分為導(dǎo)入和傳播兩部分。通常，板中導(dǎo)波呈現(xiàn)縱波與橫波相互轉(zhuǎn)化和耦合共存的傳播形態(tài)[6]，波列較長(zhǎng)，信號(hào)模態(tài)復(fù)雜。調(diào)整聲波入射角，使折射的縱波完全彌散，從而獲得純橫波導(dǎo)波。橫波導(dǎo)波的導(dǎo)入機(jī)制為：橫波斜入射至半無(wú)限大固體空間內(nèi)；傳播機(jī)制為：橫波斜入射至無(wú)限大自由界面，不斷產(chǎn)生鏡面全反射，折線前行。

圖2　純橫波導(dǎo)波物理模型

圖2為橫波導(dǎo)波在無(wú)限大薄板內(nèi)導(dǎo)入與傳播的物理模型，薄板(板厚為d)兩側(cè)為真空，不存在聲波的傳播機(jī)制。無(wú)限大界面上的自由應(yīng)力邊界條件為：

(4)

橫波按振動(dòng)方向可分為SV波和SH波，其中SV波的振動(dòng)方向與傳播面(紙面)平行，這里僅對(duì)SV波進(jìn)行論述。按其導(dǎo)入機(jī)制，沿r方向折射的SV波有如下振動(dòng)表達(dá)式：

(5)

(6)

式中:Hz為位移矢量勢(shì)H在z方向的分量;ux，uy分別為u在x,y方向的分量。ω為SV波圓頻率;k=ω/ct，為SV波的波數(shù);A為波的振幅;kx=ksinθ，ky=kcosθ。折射角θ>arcsin(ct/cl)。

折射橫波到達(dá)下界面時(shí)，將產(chǎn)生反射縱波與反射橫波。三者在邊界處的綜合應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)滿足式(4)的邊界條件。由于橫波入射角θ>arcsin(ct/cl)，反射縱波以表面波形式傳播，稱為彌散縱波，其振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減[7]；反射橫波以反射角θ傳播；通常將這一反射模式稱為全反射。反射橫波到達(dá)上界面時(shí)，再次發(fā)生全反射，產(chǎn)生新的彌散縱波和反射橫波，不斷前行。彌散縱波在板中的振動(dòng)可忽略不計(jì)，板中導(dǎo)波即近似為純橫波導(dǎo)波。

鑒于邊界的鏡面全反射，對(duì)式(6)的體波解加入全反射邊界調(diào)制，薄板中沿折線傳播的SV波位移解(x,y方向)為：

(7)

式中：n=1,3,5…。n的多值使得板內(nèi)同一位置常常會(huì)有若干個(gè)位移量相疊加。

有必要指出：上述模型是建立在無(wú)限時(shí)空基礎(chǔ)上的。只有無(wú)限寬波陣面，無(wú)限長(zhǎng)波列的導(dǎo)波才具備上述通解。實(shí)際檢測(cè)波的聲束寬度和波列長(zhǎng)度都是有限的，超聲波及區(qū)域和相干區(qū)域也是有限的。因此，上述位移解只能反映檢測(cè)聲束中心的波動(dòng)情況。對(duì)于確定波列長(zhǎng)度，聲束寬度和指向角的近場(chǎng)區(qū)窄脈沖超聲導(dǎo)波，可以獲得數(shù)值解從而解調(diào)出導(dǎo)波傳播時(shí)的相位信息和振幅信息。

基于上述模型，提出了薄壁圓管的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法。圖3是周向?qū)Рń鼒?chǎng)區(qū)檢測(cè)示意。探頭：中心頻率10 MHz，帶寬100%，焦距20 mm，水浸聚焦[8]。將導(dǎo)波在管內(nèi)的第N次反射波稱為N次波，N=1,2,3…?？墒褂?，3，5次波對(duì)內(nèi)壁缺陷進(jìn)行檢測(cè)，2，4，6次波對(duì)外壁缺陷檢測(cè)。檢測(cè)方式為一發(fā)一收或者自發(fā)自收。對(duì)于內(nèi)壁小裂紋，將探頭焦點(diǎn)調(diào)至1次波或3次波位置，采用單探頭自發(fā)自收的檢測(cè)方法，可以獲得較高的檢測(cè)精度?？v向?qū)Рz測(cè)原理與之相同。

圖3　周向?qū)Рń鼒?chǎng)區(qū)檢測(cè)方法示意

2超聲特征成像檢測(cè)原理

待檢鋯管外徑9.5 mm，內(nèi)徑8.36 mm，壁厚0.57 mm。按圖3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4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0.2 mm，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0.2 mm×0.22 mm，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。

圖4　超聲特征成像檢測(cè)的掃查方式及原理示意

3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5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(圖5(c))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(圖5(b))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(圖5(b))。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5(c)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3中的周向?qū)Рz測(cè)原理是一致的。

圖5　圓底孔的尺寸、周向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D

圖6是周向V型槽的尺寸、縱向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D，其分析同圖5。通過(guò)圖5，6的成像圖可以很容易判斷管內(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0.2 mm。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)0.2 mm，對(duì)槽狀缺陷的定量誤差甚至能達(dá)到0.02 mm。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。

圖6　周向V型槽的尺寸、縱向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D

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2所示。通常信噪比達(dá)到6 dB，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2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。

表2　不同缺陷樣品的信噪比對(duì)比

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[9]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。

4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0.5 mm的薄壁管進(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0.2 mm。

(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)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張昭,李雪崗,肖迎春,等.管中導(dǎo)波的頻散計(jì)算與缺陷檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè), 2012,34(12):65-68.

[2]齊向前.導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在小徑管檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè), 2014,36(8):54-56.

[3]蔡國(guó)寧,章炳華,嚴(yán)錫明.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道腐蝕的波形特征與識(shí)別[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(7):372-374.

[4]徐柳娟,王秋萍.導(dǎo)波技術(shù)在管道損傷檢測(cè)中的應(yīng)用研究述評(píng)[J].人民黃河, 2013,35(3):124-126.

[5]李光海,沈功田,李鶴年.工業(yè)管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè), 2006,28(2):89-93.

[6]朱新杰.焊接結(jié)構(gòu)板中缺陷超聲導(dǎo)波大尺度陣列成像檢測(cè)研究[D].北京：清華大學(xué), 2012.

[7]楊桂通,張善元.彈性動(dòng)力學(xué)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社, 1988:121-123.

[8]吳海燕,吳揚(yáng)寶,高東林，等.φ500～1 000 mm管材超聲波水浸法自動(dòng)探傷設(shè)備[J].無(wú)損檢測(cè), 2013,35(10):25-27.

[9]楊博,范弘.鋼管虛擬超聲檢測(cè)信號(hào)處理技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè), 2014,36(12):56-59.

Application of Ultrasonic Near-filed Guided Wave in Thin-walled Tube

XING Yao-qi1, GAO Jia-nan2, CHEN Yi-fang1

(1.Nondestructive Testing Laboratory, School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;

2.China Baotou Nuclear Fuel Co., Ltd., Baotou 014035, China)

Abstract：To meet the testing requirements of AP1000 nuclear fuel cladding tube, based on ultrasonic near-field guided wave principle, this paper proposes a method to evaluate the quality of thin-walled tube. Defect information is shown in the form of ultrasonic feature image. The test system can detect the defects in the tube, such as cracks, gas porosity, inclusions, lamination and folding defects, thus completely avoiding the occurrence of leak or mistakenly testing. The applicable minimum defect equivalent can reach 3% of wall thickness. Besides that, we can get the location and equivalent of the defects with an accuracy of 0.2mm. In conclusion, ultrasonic guided wave is suitable for the nondestructive evaluation of high energy consumption cladding tube.

Key words:Near-field guided wave; Focusing probe; Thin-walled tube; Ultrasonic imaging

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)02-0005-04

DOI:10.11973/wsjc201602002

作者簡(jiǎn)介：邢耀淇(1990-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)槌暉o(wú)損檢測(cè)。

收稿日期：2015-04-29