酸洗對鋯合金管材超聲檢測結(jié)果的影響分析

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(西部新鋯核材料科技有限公司， 西安 710299)

酸洗對鋯合金管材超聲檢測結(jié)果的影響分析

王健,肖穎,范清松

(西部新鋯核材料科技有限公司，西安710299)

分析了鋯合金管材表面缺陷在酸洗前后的去除情況，研究了酸洗對超聲檢測效果的影響。分析表明，適當(dāng)?shù)乃嵯垂に嚳梢韵喓辖鸸懿谋砻娴奈⑿∪毕?，改善管材的表面質(zhì)量；但酸洗不能徹底消除管材中的裂紋狀缺陷，反而會影響缺陷對超聲波的反射效果，甚至?xí)钩暀z測出現(xiàn)漏檢。

超聲檢測；酸洗；管材表面質(zhì)量

鋯合金由于熱中子吸收截面小，力學(xué)性能適中和加工性能良好，常被用作核動力水冷反應(yīng)堆的燃料包殼管和結(jié)構(gòu)材料[1]。

超聲檢測是鋯合金管材質(zhì)量控制的有效檢測手段，生產(chǎn)中使用廣泛。在鋯合金管材的生產(chǎn)過程中，酸洗是非常重要的工序，其對改善管材表面質(zhì)量和去除管材表面微小缺陷起著關(guān)鍵作用。但關(guān)于酸洗對鋯合金管材超聲檢測結(jié)果的影響的研究則鮮有報(bào)道。

筆者采用常規(guī)酸洗工藝，研究酸洗工序?qū)︿喓辖鸸懿某暀z測效果的影響。對管材經(jīng)超聲檢測出的缺陷類型進(jìn)行了分類分析；對已發(fā)現(xiàn)缺陷的管材，采取酸洗方式進(jìn)行返工處理，探討了酸洗作為返工手段的可行性；為實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)化酸洗工藝，提供了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

內(nèi)酸洗試驗(yàn)所用鋯合金管材的牌號為Zr-4；主要化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：Sn，1.2%～1.7%;Fe，0.18%～0.24%;Cr，0.07%～0.13%;O，≤0.16%;H，≤0.002 5%;N，≤0.08%；Zr，余量。數(shù)量：50支；規(guī)格(直徑×壁厚)：φ10 mm×0.7 mm；均存在自然缺陷。

內(nèi)酸洗配方：硝酸、氫氟酸和水配比而成的混合酸；內(nèi)酸洗工藝參數(shù)：酸洗去除量為8～30 μm，酸水轉(zhuǎn)換時間小于20 s，沖水時間120 s。

酸洗處理前后，分別進(jìn)行超聲檢測比對試驗(yàn)，考察酸洗對超聲檢測結(jié)果的影響；并根據(jù)結(jié)果分析管材中存在自然缺陷的種類。

采用水浸聚焦橫波法進(jìn)行超聲檢測。檢測設(shè)備為美國GE公司的Rota多通道數(shù)字檢測系統(tǒng)，用于校準(zhǔn)設(shè)備檢測靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)人工傷為刻制在管材內(nèi)外壁的縱向和橫向“U”型刻槽，其尺寸(長×寬×深)為1.65 mm×0.1 mm×0.05 mm。檢測采用的主要工藝參數(shù)為：探頭頻率,15 MHz;-3 dB處聚焦長度,3.0 mm;-3 dB處聚焦寬度,0.3 mm;探頭旋轉(zhuǎn)速度,6 000 r·min-1;管材送進(jìn)速度,9 m·min-1;重復(fù)頻率,16 kHz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1酸洗前后的超聲檢測結(jié)果

對所選取的50支管材,在酸洗前后分別進(jìn)行了超聲檢測。對比酸洗前后的超聲檢測圖譜，發(fā)現(xiàn)酸洗后管材缺陷的超聲檢測波幅幅值存在明顯降低、略有降低、升高及無變化4種情況。針對這些缺陷的超聲檢測波幅幅值的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中50%的缺陷幅值降低,40%的缺陷幅值沒有變化，10%的缺陷幅值反而升高。由此可見，酸洗工藝會對管材的超聲檢測結(jié)果存在影響。較為典型的酸洗前后超聲檢測圖譜對比如圖1～4所示。

圖1 管材酸洗后缺陷超聲檢測波幅幅值明顯降低的圖譜

圖2 管材酸洗后缺陷超聲檢測波幅幅值升高的圖譜

圖3 管材酸洗后缺陷超聲檢測波幅幅值略有降低的圖譜

圖4 管材酸洗后缺陷超聲檢測波幅無變化的圖譜

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

鋯合金管材的超聲檢測原理如圖5所示(圖中α為入射角，β為折射角,χ為偏心距)，探頭發(fā)出的縱波經(jīng)水耦合進(jìn)入管壁中，并折射轉(zhuǎn)化為橫波沿管壁傳播。遇到缺陷時，聲波經(jīng)缺陷側(cè)壁反射，返回的聲波被探頭接收，經(jīng)儀器處理形成缺陷信號，而缺陷信號幅值的大小與反射回來的聲波數(shù)量及缺陷有效反射面的大小有關(guān)。因此，理論上認(rèn)為缺陷信號的大小就代表了缺陷的大小。

圖5 管材水浸聚焦檢測原理示意

對比酸洗前后的超聲檢測結(jié)果，由圖1可看到，當(dāng)管材缺陷回波幅度較低時，管材內(nèi)酸洗后缺陷信號明顯降低。經(jīng)分析可以基本確定，此類缺陷類型不屬于裂紋缺陷。造成這一現(xiàn)象的原因是，在管材的軋制及后續(xù)脫脂等過程中，對管材內(nèi)表面處理時不夠細(xì)致，使得表面上產(chǎn)生了小的凹坑或是劃傷。反映在超聲圖譜中則出現(xiàn)較小幅值的缺陷顯示，此類缺陷通過內(nèi)酸洗可以予以消除并且不會影響管材質(zhì)量。

當(dāng)管材缺陷回波幅度具有一定幅度甚至超標(biāo)時，管材內(nèi)酸洗后缺陷信號幅度依然存在，只是回波幅度有所變化，見圖2～4。造成這一現(xiàn)象的原因是：管材的缺陷大多為沿管材軸線延伸的裂紋，此類裂紋往往具有尖銳的底部或不規(guī)則的開口，且與內(nèi)表面呈一定的角度；酸洗存在一定的去除量，對缺陷的形貌會造成一定程度的改變，使缺陷的超聲波反射面發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)而影響回波幅度的高低。另外，由于缺陷本身延展的取向不同，實(shí)際檢測中缺陷反射面相對于入射聲束軸線的位置往往不是一成不變的；當(dāng)缺陷反射面與入射聲束軸線垂直時回波幅度最高，當(dāng)有傾角時缺陷回波幅度隨傾角的增大而急劇下降。因此，酸洗前后檢測此類缺陷，超聲圖譜上會表現(xiàn)出幅值降低、無變化以及幅值升高等現(xiàn)象。對于此類缺陷，無論內(nèi)酸洗后缺陷回波幅度變化如何，缺陷是始終存在的，內(nèi)酸洗不可能消除此類缺陷，因此在實(shí)際檢測中，此類缺陷要給予特別的注意。

另外，由圖1～4可看到，酸洗后管材超聲波本底噪聲信號幅度均有所降低。對管材的內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測量，酸洗前內(nèi)表面粗糙度均在0.6～0.8 μm間，酸洗后內(nèi)表面粗糙度均在0.4～0.6 μm間。由此可見，通過內(nèi)酸洗可以改善管材內(nèi)壁表面狀態(tài)。

為了更加直觀地觀察以上兩類缺陷的特征，選取了部分缺陷管材進(jìn)行解剖。圖6與圖7分別為管材解剖后的內(nèi)表面凹坑與內(nèi)表面裂紋缺陷的金相圖。由圖7可看出：裂紋沿管材軸向分布，并沿一定角度向內(nèi)部延展，與管材切線呈45°夾角。

3 結(jié)論

(1) 酸洗工藝可消除管材內(nèi)壁表面的凹坑、劃傷類等微小缺陷，可提高管材內(nèi)表面粗糙度，對管材表面質(zhì)量起到積極的作用。

圖6 管材內(nèi)表面凹坑金相圖

圖7 管材內(nèi)表面裂紋金相圖

(2) 酸洗不能徹底消除管材中的裂紋狀、有延展趨勢的缺陷，并且可使此類缺陷的表面開口鈍化，從而影響缺陷對超聲波的反射效果，甚至?xí)钩暀z測時出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。

(3) 要保證產(chǎn)品質(zhì)量，需從根本上減少管材的軋制制造缺陷，不能依靠通過酸洗返工處理來降低超聲檢測的檢出缺陷。

[1] 劉建章.核結(jié)構(gòu)材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 孫陽平，許妍，馮輝,等.鋯管缺陷的無損檢測及處置措施[J].無損檢測,2014,36(11):54-58.

[3] 李恒羽，袁改煥，王德華,等.核用鋯合金管材的超聲波檢測[J].無損檢測,2008,30(4):62-64.

EffectofPicklingonUltrasonicTestofZirconiumAlloyTubes

WANGJian,XIAOYing,FANQingsong

(WesternEnergyMaterialTechnologiesCo.,Ltd.,Xi′an710299,China)

This paper analyzes the removal of surface defects of zirconium alloy tube before and after pickling, and studies the effect of pickling on ultrasonic detection. Analytical studies have shown that proper pickling processes can eliminate the small defects in the surface of zirconium alloy tube and improve the surface quality of the tube. But pickling cannot completely eliminate the crack defects in the tubes, and it may affect the ultrasonic reflection by defects, and even cause defects undetected.

ultrasonic test; pickling; tube surface quality

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0068-03

2017-01-24

王 健(1986-),男，工程師，主要工作內(nèi)容為質(zhì)量檢驗(yàn)、無損檢測

王 健,wj_space@163.com

10.11973/wsjc201710015