基于強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)的大直徑石墨棒的超聲檢測

李文勝，何 成，趙建平，尹 璐，譚大基，陳秀明

(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011;2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

基于強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)的大直徑石墨棒的超聲檢測

李文勝1，何 成1，趙建平1，尹 璐2，譚大基2，陳秀明2

(1.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830011;2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

基于強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)，配合高增益高信噪比接收放大器、高速低功耗數(shù)字處理系統(tǒng)以及專用低頻探頭，對(duì)大直徑石墨棒進(jìn)行超聲穿透法檢測。結(jié)果表明：采用強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)對(duì)小厚度(50 mm以下)石墨件檢測時(shí)，靈敏度余量比配合普通超聲探頭的超聲檢測儀高55 dB，可解決普通超聲檢測儀無法檢測340 mm左右直徑石墨棒的難題。

強(qiáng)方波脈沖發(fā)射；石墨棒；超聲檢測

石墨通常產(chǎn)于變質(zhì)巖中，是煤或碳質(zhì)巖石(或沉積物)受到區(qū)域變質(zhì)作用或巖漿侵入作用而形成的。石墨棒為非金屬制品，由碳、石墨加上適當(dāng)?shù)恼澈蟿┩ㄟ^擠壓成形，具有耐高溫、導(dǎo)電性良好、不易斷裂的優(yōu)點(diǎn)。石墨棒常被用來作為高溫真空爐的電熱體，最高使用溫度可達(dá)3 000 ℃，可用于鉑金、黃金及合金的冶煉。圖1為成品石墨棒實(shí)物。

圖1 成品石墨棒實(shí)物

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，石墨制品目前已被廣泛應(yīng)用于國防、軍工、電力、航空、航天等領(lǐng)域，為確保產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠，對(duì)石墨制品的質(zhì)量要求也日趨嚴(yán)格。

1 石墨棒超聲檢測的特點(diǎn)和難點(diǎn)

目前對(duì)石墨棒的檢測主要以X射線檢測法為主。但該檢測法的缺點(diǎn)是：設(shè)備昂貴、需要專用場地(防護(hù)場地)、不適合大厚度制品的檢測。而超聲波檢測方法靈活、費(fèi)用低、無污染，更適合石墨半成品的檢測[1]。

然而超聲檢測也有其局限性，由于石墨制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受石墨原材料特性和制造工藝流程的影響很大，具有材料疏松、晶粒粗大、孔隙較多、密度不均勻和各向異性較強(qiáng)等特點(diǎn)，從而使得聲波的傳播特性較差[2]，聲波在石墨中的衰減相當(dāng)大，可達(dá)到鋼中衰減的幾倍甚至幾十倍[1]。因此，為了達(dá)到較好的檢測效果，必須提高超聲檢測儀的發(fā)射強(qiáng)度。筆者在深入研究強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)大直徑石墨棒的超聲檢測提出了一種新的方法。

圖2 600 V方波與1 500 V尖脈沖激勵(lì)性能

2 強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)

目前現(xiàn)有超聲檢測儀器一般采用400～500 V尖脈沖或400 V方波脈沖，發(fā)射電路輸出阻抗偏大，對(duì)探頭激勵(lì)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，穿透力和檢測靈敏度較低，難以對(duì)石墨進(jìn)行檢測。而采用基于強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)的多浦樂Pangolin-39型數(shù)字超聲檢測儀，配合高增益高信噪比的接收放大器、高速低功耗數(shù)字處理系統(tǒng)以及專用低頻探頭，通過軟硬件的緊密結(jié)合，并引入硬件TCG(時(shí)間增益較正曲線)、回波信號(hào)降噪處理等新技術(shù)，能夠解決大直徑石墨棒的檢測難題。

圖2為采用多浦樂頻率為0.3 MHz復(fù)合材料晶片探頭，使用36.5 mm的PS(聚苯乙烯)試塊，600 V方波與1 500 V尖脈沖激勵(lì)性能如圖2所示，由圖2可知，1 500 V尖脈沖的穿透波幅度為72.8 V，600 V方波的反射波幅度為678 V，兩種激勵(lì)波的幅度相差9倍以上?？梢?00 V方波的能量通過此特殊高能發(fā)射技術(shù)被最大程度地釋放出來。

高能超聲發(fā)射系統(tǒng)主要包含發(fā)射電路、探頭以及組成一臺(tái)超聲檢測儀所需的接收放大和數(shù)字處理系統(tǒng)。

2.1 專用低頻探頭的開發(fā) 通常選取帶高壓發(fā)射脈沖的超聲檢測儀,配用標(biāo)稱頻率1 MHz以下的高靈敏度探頭對(duì)高難穿透材料進(jìn)行檢測，且該探頭必須能承受強(qiáng)脈沖的激勵(lì)并產(chǎn)生特高的電聲轉(zhuǎn)換效率，因此采用傳統(tǒng)工藝方法制作的探頭不一定能滿足這個(gè)條件。高靈敏度探頭制作的關(guān)鍵在于如何使探頭晶片產(chǎn)生最大振動(dòng)幅度。圖3為發(fā)射電壓與晶片振動(dòng)幅度之間的關(guān)系曲線，可見在達(dá)到飽和激勵(lì)點(diǎn)之前，發(fā)射電壓越高，晶片振幅越大。飽和激勵(lì)電壓取決于晶片材料、頻率(厚度)等參數(shù)，不同材料和頻率的差異相當(dāng)大，如：2.5 MHz晶片飽和點(diǎn)約1 800 V(峰值電壓)，0.5 MHz晶片飽和點(diǎn)達(dá)3 000 V，可見常規(guī)儀器的發(fā)射脈沖遠(yuǎn)未達(dá)到飽和激勵(lì)電壓。

圖3 發(fā)射電壓與晶片振動(dòng)幅度之間的關(guān)系

常規(guī)探頭聲與電的阻尼雖然是抑制晶片余振的有效手段，但也同時(shí)限制了晶片的最大振動(dòng)幅度。為了同時(shí)獲得晶片的最大振動(dòng)幅度和較高的分辨率，筆者開發(fā)了“動(dòng)態(tài)阻尼”新技術(shù)，即在飽和激勵(lì)條件下，在回波峰值點(diǎn)過后引入超高阻尼(見圖4)，從而解決分辨率問題。超高阻尼的引入不會(huì)影響回波的峰值，且其對(duì)低頻探頭的效果更好。

圖4 “動(dòng)態(tài)阻尼”原理示意

經(jīng)過在探頭晶片選材、聲匹配設(shè)計(jì)及探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行深入的研究，成功開發(fā)出了頻率范圍在0.2～0.5 MHz和2.0～4.0 MHz兩個(gè)系列的專用探頭(見圖5)。該探頭能夠配合強(qiáng)方波發(fā)射模塊，實(shí)現(xiàn)探頭晶片的飽和激勵(lì)，使晶片振動(dòng)幅度趨近極限。

圖5 專用低頻探頭實(shí)物

圖6 600 V高能脈沖激勵(lì)波形與PS試塊回波

2.2 強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù) 衡量方波發(fā)射系統(tǒng)的三個(gè)重要指標(biāo)包括脈沖幅度、激勵(lì)效果和有效輸出阻抗。為實(shí)現(xiàn)晶片飽和激勵(lì)，開發(fā)了新型超強(qiáng)脈沖發(fā)射系統(tǒng)，將方波發(fā)射脈沖幅度提高到了500～1 000 V，其中600 V超強(qiáng)方波激勵(lì)0.3 MHz專用探頭所產(chǎn)生的高能脈沖達(dá)3 550 V(峰峰值電壓)，36.5 mm PS試塊回波幅度達(dá)646 V(見圖6)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通檢測儀的脈沖幅度。雖然高能發(fā)射脈沖瞬時(shí)功率超過500 W，但平均功耗極低，這是系統(tǒng)穩(wěn)定的前提。

通常來說，脈沖前沿上升時(shí)間與探頭回波1/4波長相當(dāng)?shù)牟糠譃橛行Ъ?lì)幅度，所以，上升前沿越陡，高頻探頭的激勵(lì)效果越好。而對(duì)于方波激勵(lì)模式，方波脈沖前/后沿的上升時(shí)間同樣重要，筆者采用后沿激勵(lì)疊加的方式，大大提高了激勵(lì)效果。

探頭是發(fā)射電路的負(fù)載，而不同頻率探頭的阻抗差異較大，部分常規(guī)探頭的阻抗僅約50 Ω，輸出阻抗越低的發(fā)射電路越能向探頭提供最為有效的激勵(lì)。筆者在嚴(yán)格選擇關(guān)鍵器件的基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)放在工藝技術(shù)的攻關(guān)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際發(fā)射電路的輸出阻抗低于10 Ω，提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力。

3 大直徑石墨棒的超聲檢測試驗(yàn)

3.1 試樣制作

在長度2 m，直徑338 mm的石墨棒上截取一段長約46 mm的有自然裂紋缺陷的試樣。試樣形態(tài)相當(dāng)于直徑338 mm，厚度約46 mm的圓餅石墨件。根據(jù)缺陷類型制作的對(duì)比試樣如圖7所示，圖中白色曲線為該石墨試件本體自然裂紋，A和B分別為探頭在該石墨件圓周面進(jìn)行穿透法檢測時(shí)的擺放位置。

圖7 根據(jù)缺陷類型制作的對(duì)比試樣外觀

3.2 儀器

采用多浦樂Pangolin-39型高能發(fā)射數(shù)字超聲檢測儀，該儀器突破性地采用了超強(qiáng)方波發(fā)射模塊、新型探頭激勵(lì)模式、動(dòng)態(tài)高阻尼新技術(shù)和專用探頭概念，具有總增益150 dB的接收放大系統(tǒng)，引入了“C閘門底波衰減監(jiān)控”技術(shù)和“強(qiáng)信號(hào)硬件TCG”功能，緊貼現(xiàn)場應(yīng)用需求。

3.3 探頭及楔塊

試驗(yàn)分別選取的多浦樂專用探頭型號(hào)為I0.3C30NF和I0.5C20NF，圖8為所選探頭外觀。

圖8 試驗(yàn)用探頭外觀

3.4 試驗(yàn)方案

由于石墨棒中聲衰減大且材料不均勻，難以對(duì)其內(nèi)部裂紋進(jìn)行定量檢測。因此擬通過對(duì)穿透波幅度的監(jiān)測試驗(yàn)來驗(yàn)證石墨棒內(nèi)部缺陷的情況，采用常規(guī)檢測儀配常規(guī)探頭做對(duì)比試驗(yàn)。

3.4.1 石墨餅試件聲衰減檢測試驗(yàn)

在石墨餅無裂紋區(qū)域分別選取三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(見圖9)，采用Pangolin-39型檢測儀配用0.5 MHz專用探頭進(jìn)行聲衰減試驗(yàn)，三個(gè)測試點(diǎn)穿透波達(dá)到80%時(shí)，增益分別為：38.8，39.4，32 dB?？梢娛灢煌恢锰幝曀p差異很大，這也是不能用超聲進(jìn)行精確定量的主要原因。

圖9 石墨餅上不同測試點(diǎn)的聲衰減試驗(yàn)

3.4.2 穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗(yàn)

選取無裂紋區(qū)域，采用Pangolin-39型檢測儀配用0.3 MHz專用探頭對(duì)46 mm厚石墨餅進(jìn)行穿透法檢測試驗(yàn)，如圖10(a)所示。穿透波波高達(dá)到80 %時(shí)，儀器增益16.3 dB?？蛰d電噪聲10 %時(shí)，儀器有效總增益145 dB，即尚有128.7 dB的有效靈敏度余量。

在同一位置，采用Pangolin-39型儀器配用0.5 MHz專用探頭對(duì)46 mm厚石墨餅進(jìn)行穿透法檢測試驗(yàn)，如圖10(b)所示。穿透波波高達(dá)到80%時(shí)，儀器增益28 dB?？蛰d電噪聲10 %時(shí)，儀器有效總增益145 dB，即尚有117 dB的有效靈敏度余量。

圖10 不同頻率探頭穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗(yàn)現(xiàn)場

在同一位置，選用普通數(shù)字超聲檢測儀配合0.5 MHz普通超聲探頭進(jìn)行穿透法檢測試驗(yàn)，如圖11所示。穿透波波高達(dá)到80 %時(shí)，儀器增益32.5 dB，如圖12(a)所示?？蛰d電噪聲10 %時(shí)，儀器有效總增益94.5 dB，如圖12(b)所示，即有62 dB的有效靈敏度余量。

圖11 常規(guī)檢測儀穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗(yàn)現(xiàn)場

圖12 常規(guī)檢測儀穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗(yàn)結(jié)果

從以上對(duì)比試驗(yàn)可知，采用強(qiáng)方波發(fā)射技術(shù)的Pangolin-39型檢測儀進(jìn)行石墨棒穿透法試驗(yàn)時(shí)，檢測靈敏度余量可比普通數(shù)字超聲檢測儀配合普通超聲探頭靈敏度余量高55 dB。

3.4.3 石墨餅試件直徑338 mm外圓穿透檢測試驗(yàn)

通過46 mm厚石墨餅穿透試驗(yàn)，得出采用0.3 MHz專用探頭比0.5 MHz專用探頭的檢測靈敏度余量高11.7 dB，穿透效果更好，故在后續(xù)石墨餅試件直徑338 mm外圓穿透檢測試驗(yàn)中均選用0.3 MHz專用探頭。而普通常規(guī)數(shù)字超聲檢測儀的頻帶下限一般不低于0.5 MHz，故進(jìn)行普通常規(guī)數(shù)字超聲檢測儀對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，只能選用0.5 MHz普通超聲探頭。試驗(yàn)步驟為：

(1) 在圓周面選取圖7所示B位置放置兩個(gè)0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的無裂紋區(qū)域，如圖13(a)所示，當(dāng)穿透波波高達(dá)到70 %時(shí)，儀器總增益80 dB。在同一位置，選用普通數(shù)字超聲檢測儀配合0.5 MHz普通超聲探頭進(jìn)行穿透法檢測試驗(yàn)，穿透波已埋沒在噪聲信號(hào)中無法區(qū)分，如圖14所示。

圖13 高能發(fā)射數(shù)字超聲檢測儀外圓穿透檢測試驗(yàn)示意

(2) 在圓周面選取圖7所示略偏離B位置的地方放置兩個(gè)0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的有微弱裂紋區(qū)域，如圖13(b)所示。當(dāng)儀器總增益為80 dB時(shí)，屏幕有高度約為20 %的微弱穿透回波信號(hào)。

在圓周面選取圖7所示A位置放置兩個(gè)0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的有裂紋區(qū)域，超聲波完全被裂紋擋住無法穿透，無回波信號(hào)，如圖13(c)所示。通過石墨餅外圓穿透試驗(yàn)可知，石墨棒內(nèi)裂紋狀況可通過對(duì)穿透波幅度的分析來判斷，因此基本解決了石墨棒內(nèi)缺陷的定性檢測。但如何根據(jù)穿透波幅度來制定一個(gè)缺陷評(píng)級(jí)準(zhǔn)則，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

圖14 常規(guī)數(shù)字超聲檢測儀外圓穿透檢測試驗(yàn)示意

4 結(jié)語

(1) 石墨棒內(nèi)部密度和材料的不均勻性導(dǎo)致其在不同位置處的聲衰減狀況存在較大差異。

(2) 通過使用強(qiáng)方波脈沖發(fā)射技術(shù)，配合特制的專用低頻超聲探頭能夠解決較大直徑石墨棒的超聲檢測難題，檢測靈敏度余量可達(dá)到普通超聲檢測儀配合普通超聲探頭的2倍。

(3) 針對(duì)大直徑石墨棒的超聲檢測，鑒于其高衰減特性，可利用超聲波穿透法檢測材料內(nèi)部有無缺陷。由于穿透法的限制，僅能判斷缺陷在石墨棒長度方向上的位置，而無法得出缺陷深度，無法對(duì)缺陷進(jìn)行精確定量。

(4) 由于檢測樣品數(shù)量有限，如將此技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中還需大量試驗(yàn)來制定缺陷評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)各批次的具體檢測情況對(duì)檢測工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

[1] 李平，陸玉峻，李婉秋. X射線和超聲波檢測法在碳石墨制品中的應(yīng)用[J]. 無損探傷，1999，23(3)：1-5.

[2] 李平，陳銳，李婉秋. 石墨制品的超聲波無損檢測技術(shù)[J]. 炭素，1997，20(4)：32-36.

Ultrasonic Inspection of Large-diameter Graphite Rod by High Square-wave Pulse Emission Technology

LI Wen-sheng1, HE Cheng1, ZHAO Jian-ping1, YIN Lu2, TAN Da-ji2, CHEN Xiu-ming2

(1.Electric Power Science Research Institute of National Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011, China； 2.Guangzhou Doppler Electronic Technologies Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

A research was performed on high square-wave pulse emission technology. Together with high-gain high signal-noise ratio amplifier, high-speed low-power consumption digital processing system and dedicated low-frequency probes, large-diameter graphite rod was inspected by ultrasonic through-transmission method. Comparision test was carried on using common ultrasonic flaw detector with low-frequency ordinary probe. The result shows that: using this new technology, the surplus sensitivity is two times of normal ultrasound method while using this new technology; and the 340mm large diameter graphite rod inspection problems are successful resolved.

High square-wave pulse emission；Graphite rod；Ultrasonic inspection

2016-07-11

李文勝(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力設(shè)備檢驗(yàn)及檢測工作。

尹 璐，E-mail: yinlu@cndoppler.cn。

10.11973/wsjc201703005

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0018-05