高頻窄脈沖探頭在鋯合金小徑薄壁管超聲檢測中的應用

凌海軍,宮秋云,王 健,孫少林,焦永剛

(西部新鋯核材料科技有限公司，西安 710200)

高頻窄脈沖探頭在鋯合金小徑薄壁管超聲檢測中的應用

凌海軍,宮秋云,王 健,孫少林,焦永剛

(西部新鋯核材料科技有限公司，西安 710200)

針對鋯合金小徑薄壁管在超聲檢測時，要求檢測靈敏度一般為壁厚的5%，且管材壁厚較薄(小于1 mm)又易造成內外壁缺陷分辨困難的問題，重點分析了高頻窄脈沖探頭對檢測靈敏度和分辨力的影響，選取了3個不同參數的探頭對分析結果進行驗證，確定了在檢測鋯合金小徑薄壁管時選擇探頭的方法。

高頻探頭；窄脈沖；鋯合金管；小徑薄壁管；超聲檢測

鋯合金小徑(φ5～φ25 mm)薄壁(小于1 mm)管一般作為核燃料的包覆材料, 起著防止核產物外逸的重要作用。在包殼管材的生產過程中,超聲檢測是確保管材內部質量的重要方法。由于此類管材具有外徑小、曲率大、探頭難以與管材表面直接耦合等特點, 通常采用超聲波水浸聚焦方法對其進行檢測[1]。驗收時，一般要求管材中不能存在超過壁厚5%～10%深度當量的缺陷,這就需要檢測系統(tǒng)具有很高的檢測靈敏度和分辨力。

超聲探頭作為超聲檢測系統(tǒng)最重要的部件之一，其性能的好壞直接影響超聲檢測系統(tǒng)的性能與缺陷檢測的結果。為此，筆者從管材檢測的原理入手，著重分析討論了高頻窄脈沖探頭的參數對管材內外壁縱橫向缺陷檢測結果的影響，最終確定對此類小徑薄壁管進行超聲檢測時探頭的選擇方法。

1 檢測原理

1.1 縱向和橫向缺陷檢測方法

鋯合金小徑薄壁管為無縫管，其主要缺陷為平行于管軸的徑向缺陷(縱向缺陷)和垂直于管軸的徑向缺陷(橫向缺陷)[2]。

根據美國標準ASTM B811-2013《核反應堆燃料包殼用鍛造鋯合金無縫管材的標準規(guī)范》要求，采用水浸超聲脈沖反射法檢測核用鋯合金無縫管的檢測波型為橫波或蘭姆波，人工缺陷為內外壁的縱向人工缺陷和橫向人工缺陷。在標準管人工缺陷檢測調試時，管材內外壁縱橫向缺陷的波高應相近，一般要求相差不大于2 dB。

利用橫波周向掃查的方式對縱向缺陷進行檢測。管內純橫波由水浸聚焦探頭偏心或偏轉的方式產生，管內外壁縱向缺陷的檢測原理如圖1所示。

圖1 管內外壁縱向缺陷檢測原理

利用橫波軸向掃查的方式對橫向缺陷進行檢測。管內純橫波由水浸聚焦探頭傾斜入射的方式產生，管內外壁橫向缺陷的檢測原理如圖2所示。

圖2 管內外壁橫向缺陷檢測原理

由圖1和圖2可以看出，當管材壁厚很薄(小于1 mm)時，管材內壁缺陷的1次反射回波與界面回波及管材外壁的0次反射回波(超聲波直接入射到外壁缺陷時的回波，界面波的位置)的聲程時間差很短。

例如，當折射角為45°(ASTM B811-2013標準推薦)時，根據幾何關系，界面波與內壁缺陷回波的時間差公式為

(1)

式中：t為時間；δ為管材壁厚；c為傳播介質的聲速。

試驗用管材壁厚按0.57 mm計算，界面波與內壁缺陷回波的時間差t約為0.7 μs。如果要分辨界面波與內壁缺陷回波，就需要檢測系統(tǒng)有很高分辨力。

1.2 分辨力

超聲波探頭作為超聲檢測系統(tǒng)的核心組成部分，其分辨力好壞直接影響到產品的檢測。超聲波探頭分辨力分為縱向分辨力(R縱)和橫向分辨力(R橫)[3-4]，其公式為

(2)

(3)

式中：f為探頭的工作頻率；BW為探頭-6 dB帶寬；F為探頭的焦距；D為晶片直徑。

根據標準ASTM B811-2013，超聲波有效聲束的焦點直徑或焦線寬度與F/D的關系為

(4)

(5)

式中：φ-3 dB為-3 dB處的聲束焦點直徑；W-3 dB為-3 dB處的聲束焦線寬度；λ為聲束波長。

由式(2)可知，超聲探頭的頻率越高，-6 dB帶寬越大，其縱向分辨力就越高，越利于區(qū)分管材內壁和外壁的缺陷；由式(3)～(5)可知，探頭頻率越高，聲束的焦點直徑或焦線寬度越小，橫向分辨力越高，越利于小缺陷的識別。

因此,為了更利于分辨薄壁管的內外壁缺陷，達到良好的檢測靈敏度和分辨力，應選擇高頻率、可聚焦、寬頻帶的探頭，即水浸聚焦高頻窄脈沖探頭。

2 高頻窄脈沖探頭

一個脈沖波相當于無限多個不同頻率、持續(xù)時間無限的諧波在脈沖持續(xù)時間內疊加而成，而在持續(xù)時間外彼此抵消，脈沖持續(xù)時間越短，包含的諧波頻率越寬[5]。

由式(2)可知，頻帶寬度越寬，縱向分辨力越高，選擇探頭發(fā)射的脈沖持續(xù)時間應越短，即，選擇窄脈沖的探頭。

2.1 探頭頻率 超聲波的檢測靈敏度為波長的1/2，頻率為10 MHz～15 MHz探頭的橫波(鋯合金橫波聲速約2 300 m·s-1)在理論上可檢測鋯合金中不小于0.08 mm當量的缺陷，能滿足薄壁管中缺陷規(guī)格(寬×深×長)為0.09 mm×0.035 mm×1.5 mm的縱橫向缺陷的檢測要求，所以對于薄壁管檢測一般選用不小于10 MHz的高頻超聲探頭。

2.2F/D的選擇

根據ASTM B811及小徑薄壁管檢測經驗[6]，F/D取值范圍為2～4，選取探頭焦距為20 mm，晶片直徑為6 mm。

2.3 頻率特性

選取現有高頻窄脈沖超聲探頭中參數差別較大的3個探頭進行檢測試驗。采用GE公司制造的某探頭進行檢測，具體參數如表1所示，探頭的頻率特性如圖3所示。

圖3 不同探頭的脈沖波形和頻譜

表1 選取的高頻窄脈沖超聲探頭參數

由式(1)可知，界面波與內壁缺陷回波的聲程約為2.8δ，按壁厚為0.57 mm計算，界面波與內壁缺陷回波聲程為1.6 mm，因此，在理論上該3個高頻窄脈沖探頭是可以分辨出小徑薄壁管人工缺陷的。

3 檢測方法與結果

3.1 檢測設備與檢測對象

采用Rota25多通道超聲自動檢測系統(tǒng)對規(guī)格(外徑×壁厚)為φ9.5 mm×0.57 mm的鋯合金管材進行檢測，人工缺陷大小(長×寬×深)為1.5 mm×0.09 mm×0.035 mm。

3.2 內外壁縱橫向缺陷的檢測

采用不同參數探頭對某樣管的內外壁縱向缺陷和橫向缺陷的檢測結果如圖4所示。結果表明，縱向缺陷能明顯分辨，但橫向缺陷分辨得不是很清楚，僅能分辨出內外壁橫向缺陷的小部分波峰，其檢測分辨力結果如表2所示。

表2 檢測分辨力結果

3.3 檢測結果分析

產生以上縱向缺陷和橫向缺陷分辨力差別大的原因與探頭聲束的焦線長度和寬度有關?？v向缺陷探頭布置為焦線平行于管材軸線和缺陷的長度方向，橫向缺陷探頭布置為焦線平行于管材軸線方向和垂直于缺陷的長度方向。所以，覆蓋縱向缺陷寬度方向的聲束寬度為焦線的寬度，約為0.4 mm；覆蓋橫向缺陷寬度方向的聲束寬度為焦線的長度，約為3.7 mm。由于內外壁缺陷的聲程差為1.6 mm，所以內壁縱向缺陷的聲束與外壁縱向缺陷的聲束不會產生重疊，而內壁橫向缺陷的聲束與外壁橫向缺陷的聲束會有約2 mm的重疊，這就造成了縱向缺陷分辨力明顯要高于橫向缺陷的分辨力。

經過調試，內外壁縱向缺陷和橫向缺陷均是可以分辨的，且內外壁缺陷的幅度相近，滿足2 dB的要求，與理論分析結果相符。同時，15 MHz探頭比10 MHz探頭更適合該管材的檢測。

4 結論

圖4 不同參數探頭對某樣管的內外壁縱向缺陷和橫向缺陷的檢測結果

高頻窄脈沖探頭具有高頻率、寬頻帶、窄脈沖、高分辨力的特點，對于小徑薄壁管中內外壁的小缺陷也能較好地分辨。根據理論分析和試驗結果，小徑薄壁管采用線聚焦探頭以焦線平行于管材軸線方向進行縱向缺陷和橫向缺陷檢測時，縱向缺陷的分辨力明顯高于橫向缺陷的分辨力。同時，對此類管材進行超聲檢測時，應選取頻率不低于10 MHz，-6 dB帶寬不低于40%的探頭。還應考慮在壁厚減薄或聲程變短時，選擇較高頻率的探頭。

[1] 李恒羽,袁改煥,王德華.核用鋯合金管材的超聲波檢測[J].無損檢測, 2008, 30(4):255-257.

[2] 中國特種設備檢驗協會組織編寫.超聲波探傷[ M] .北京:中國勞動社會保障出版社, 2008：18-19.

[3] 閆興偉,任巍.高頻無鉛壓電超聲換能器研究進展[J].中國醫(yī)療器械信息，2014(4):22-28.

[4] FOSTER F S, PAVLIN C J, HARASIEWICZ K A, et al. Advances in ultrasound biomicroscopy[J].Ultrasound in Medicine and Biology,2000,26(1):1-27.

[5] 薛興，李寶強，陳偉康.高頻窄脈沖探頭在從動盤超聲檢測中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng) 2013,32(2):149-152.

[6] 馬小懷, 陳百鎖, 汶鎖明.小徑薄壁有色管材超聲探傷[J].無損檢測,2005,27(1):44-46.

Application of High-Frequency Narrow-Pulse Probe in Ultrasonic Testing of Small Diameter Thin-Walled Zirconium Alloy Tube

LING Haijun, GONG Qiuyun, WANG Jian, SUN Shaolin， JIAO Yonggang

(Western Energy Material Technologies Co., Ltd., Xi′an 710200, China)

In the ultrasonic testing of nuclear zirconium alloy thin-walled tube, the sensitivity of detection of defects generally requires for approximately 5% of wall thickness. Because of the tube wall thickness being less than 1 mm, it is difficult to distinguish between inside and outside wall defect and hence the testing system needs very high detection sensitivity and resolution in order to meet the requirement of automatic testing. This paper focuses on the analysis of the influence of high frequency narrow pulse probe on the detection sensitivity and resolution. Three different parameters of the probe were selected to verify the analysis results, and the method of selecting probe was determined in the detection of small diameter thin-walled zirconium alloy tube.

high-frequency probe;narrow-pulse;zirconium alloy tube;small diameter thin-walled tube;ultrasonic testing

2016-12-29

凌海軍(1983-)，男，工程師，主要從事質量管理和無損檢測工作

凌海軍，153622120@qq.com

10.11973/wsjc201707014

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0061-04