壓力容器模擬缺陷的聲發(fā)射定位

王 瑤，晁立坤，何 攀，蔣兆翔，劉才學(xué)

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041)

核反應(yīng)堆壓力容器長期處于高溫、高壓、輻射的惡劣環(huán)境下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，如晶體結(jié)構(gòu)變化、滑移變化、裂紋擴(kuò)展等，最終發(fā)展為不同程度的疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻劑泄漏。目前，核反應(yīng)堆壓力容器缺陷的檢測手段主要為檢修期間的射線檢測，但該方法無法對(duì)活動(dòng)缺陷進(jìn)行快速定位，且耗時(shí)長、人員受輻射劑量大。聲發(fā)射檢測最大的優(yōu)點(diǎn)是作為一種動(dòng)態(tài)的無損檢測方法，通過只顯示和記錄對(duì)結(jié)構(gòu)安全更為有害的活動(dòng)性缺陷，可實(shí)現(xiàn)缺陷的快速定位，避免人員長時(shí)間接觸輻射。筆者采用聲發(fā)射檢測技術(shù)，開展了壓力容器模擬缺陷的聲發(fā)射定位試驗(yàn)，分別采用兩種定位方法對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，并比較兩種方法的定位精度。

1 定位方法及其原理

聲發(fā)射檢測的基本原理就是利用若干個(gè)聲發(fā)射傳感器以一定的布置方式耦合固定在被檢測工件表面，以接收壓力容器或管道在受載時(shí)內(nèi)部缺陷因屈服、開裂、裂紋擴(kuò)展等現(xiàn)象發(fā)出的應(yīng)力波，同時(shí)將應(yīng)力波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并進(jìn)行處理，從而獲得材料內(nèi)聲發(fā)射源的動(dòng)態(tài)信息。

聲發(fā)射信號(hào)分為突發(fā)型和連續(xù)型信號(hào)，針對(duì)不同的聲發(fā)射源需要采用不同的聲發(fā)射源定位方法，常用的聲發(fā)射定位法有時(shí)差定位法和衰減定位法。針對(duì)突發(fā)型信號(hào)，可采用時(shí)差定位法，但其應(yīng)用范圍窄，衰減定位法則不受信號(hào)源類型的限制，更具有工程應(yīng)用價(jià)值[1]。對(duì)壓力容器進(jìn)行現(xiàn)場檢測時(shí)通常會(huì)遇到多種聲發(fā)射源，由于無法判斷壓力容器在某段時(shí)間內(nèi)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有連續(xù)性還是突發(fā)性，因此，將采用兩種定位方法分別對(duì)壓力容器中的模擬缺陷進(jìn)行定位。

1.1 時(shí)差定位法

時(shí)差定位法是指將若干個(gè)聲發(fā)射傳感器按一定幾何關(guān)系放置在固定點(diǎn)上，組成傳感器陣列，測定聲發(fā)射源的聲波傳播到各個(gè)傳感器的相對(duì)時(shí)差。通過將這些相對(duì)時(shí)差代入滿足該陣列幾何關(guān)系的一組方程求解，即可得到缺陷的位置坐標(biāo)[2]。其具體實(shí)現(xiàn)路徑為：① 將壓力容器模擬體按定位網(wǎng)格劃分，可算出每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)到各傳感器的距離；② 聲發(fā)射信號(hào)的主頻率與傳感器的諧振頻率一致[3]，壓力容器模擬體壁厚已知，則可確定聲發(fā)射信號(hào)以何種模態(tài)在容器壁上傳播，從而可算出聲發(fā)射信號(hào)在壓力容器模擬體上的傳播速度，因此各網(wǎng)格中心到各傳感器的信號(hào)傳播時(shí)間差是確定的；③ 根據(jù)各監(jiān)測通道實(shí)測到的聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)差與各網(wǎng)格中心到各傳感器的信號(hào)傳播時(shí)差優(yōu)選網(wǎng)格，可確定缺陷點(diǎn)的位置，即實(shí)現(xiàn)壓力容器活動(dòng)缺陷的定位。聲發(fā)射傳感器安裝位置與聲發(fā)射源位置如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射傳感器安裝位置與聲發(fā)射源位置示意

設(shè)3個(gè)聲發(fā)射傳感器在容器上的位置為S1、S2、S3，缺陷位置為P，缺陷到S1的距離為X1，缺陷聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)S1和S2的時(shí)差為Δt12，到達(dá)S1和S3的時(shí)差為Δt13，到達(dá)S2和S3的時(shí)差為Δt23，傳感器間距離為L12、L13、L23，聲發(fā)射傳感器檢測信號(hào)波形與時(shí)差如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射傳感器檢測信號(hào)波形與時(shí)差示意

由圖1，2可推導(dǎo)出缺陷位置

(1)

式中：X1為缺陷的定位結(jié)果。

同理可推出缺陷距S2和S3的距離X2和X3。

檢測時(shí)，首先根據(jù)各傳感器接收到的聲發(fā)射振鈴信號(hào)到達(dá)時(shí)差或信號(hào)幅度(有效值)來確定與缺陷距離最近的傳感器，再選擇相應(yīng)的定位計(jì)算式。

1.2 衰減定位法

從聲發(fā)射源到傳感器接收位置的傳播過程中，聲發(fā)射信號(hào)的幅度必然會(huì)受到管道材料本身和不同形狀特征的影響，從而產(chǎn)生不同程度的衰減，衰減定位法即是利用聲發(fā)射信號(hào)水平沿著傳播路徑呈指數(shù)形式衰減的原理對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位的[4]。必須注意的是，首先需要根據(jù)各傳感器響應(yīng)的信號(hào)幅度(有效值)來確定缺陷距離最近的傳感器，再確定相應(yīng)的定位計(jì)算式。

假設(shè)缺陷處信號(hào)水平為Vp，傳感器探測到的信號(hào)水平為Vi，距離衰減系數(shù)為α，傳感器到缺陷位置的距離為Li，則有如下關(guān)系[5]

Vp=Viexp(αLi)

(2)

由式(2)可知，若已知衰減系數(shù)α，則可由任意兩個(gè)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)水平計(jì)算出聲發(fā)射源位置，因此，重點(diǎn)是確定衰減系數(shù)α。該衰減系數(shù)可通過容器模擬活動(dòng)缺陷的檢測定位與評(píng)定試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)壓力容器

試驗(yàn)采用的金屬壓力容器上下封頭直徑為2 880 mm，筒體高度為7 000 mm，容器壁厚為80 mm，其整體上近似于圓柱體，在上封頭處布置一個(gè)聲發(fā)射傳感器，筒體處布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器，下封頭處布置3個(gè)聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器布置如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器布置示意

2.2 檢測設(shè)備

缺陷檢測的設(shè)備包括聲發(fā)射傳感器(6個(gè))、前置放大器(6個(gè))、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、信號(hào)采集設(shè)備等。

2.2.1 模擬缺陷聲發(fā)射源信號(hào)

試驗(yàn)分別用兩種方式產(chǎn)生聲發(fā)射源信號(hào)來模擬活動(dòng)缺陷。

(1) 將一個(gè)聲發(fā)射傳感器緊貼在容器壁上進(jìn)行安裝，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)脈沖信號(hào)，激勵(lì)該傳感器使其連續(xù)受迫振動(dòng)，從而產(chǎn)生連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)。

(2) 由鉛筆芯在容器壁上折斷產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。

2.2.2 檢測設(shè)備

選擇聲發(fā)射傳感器和前置放大器作為信號(hào)檢測設(shè)備。

聲發(fā)射傳感器主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：① 工作頻率為30 kHz～900 kHz；② 峰值靈敏度≥50 dBV/μbar。前置放大器主要技術(shù)參數(shù)如下：① 工作頻率應(yīng)覆蓋聲發(fā)射傳感器工作頻率；② 增益為20，40，60 dB；③ 噪聲<7 μV；④ 頻率響應(yīng)變化不超過3 dB。

2.2.3 檢測主機(jī)

檢測主機(jī)為1臺(tái)便攜式一體化工控機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)的PXI(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))總線，包含聲發(fā)射信號(hào)測量模塊。試驗(yàn)過程中將采集模塊的采樣頻率設(shè)置為1 000 kHz，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為5～10 s。試驗(yàn)中，聲發(fā)射傳感器探測缺陷擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)，通過前置放大器的電荷轉(zhuǎn)換、放大、濾波后輸入信號(hào)采集設(shè)備。壓力信號(hào)可通過壓力表獲得。檢測設(shè)備組成示意如圖4所示。

圖4 檢測設(shè)備組成示意

2.3 試驗(yàn)方法

(1) 檢測設(shè)備連接。將聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號(hào)電纜與主機(jī)通道安裝連接到位。

(2) 通道靈敏度調(diào)試。將前置放大器放大倍數(shù)設(shè)置為40 dB，檢測設(shè)備各通道放大倍數(shù)設(shè)置為1；利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50 mV的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)(頻率選擇聲發(fā)射傳感器的諧振頻率)，對(duì)試驗(yàn)中使用的所有測量通道(前置放大器、信號(hào)電纜、主機(jī)通道等)進(jìn)行調(diào)試，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出測量通道的相對(duì)系數(shù)并記錄容器。

(3) 分別在頂蓋、筒體和底部各選兩個(gè)測試點(diǎn)并標(biāo)上記號(hào)，在標(biāo)記的位置進(jìn)行斷鉛，同時(shí)用信號(hào)采集設(shè)備采集接收到的聲發(fā)射信號(hào)并記錄。

(4) 在容器底部標(biāo)記的測試點(diǎn)處安裝一個(gè)聲發(fā)射傳感器，并將該傳感器連通信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)8 V左右的電脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)該傳感器，同時(shí)檢測并記錄所有通道響應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 容器網(wǎng)格化

無論是衰減定位法還是時(shí)差定位法，都需要確定聲發(fā)射源到傳感器的距離以及聲發(fā)射傳感器之間的距離。因?yàn)閴毫θ萜魇侨S結(jié)構(gòu)，所以需要首先對(duì)容器結(jié)構(gòu)做降維處理，即將容器上封頭和下封頭展開為圓形，筒體展開為一個(gè)四邊形。分別對(duì)兩個(gè)圓形和一個(gè)四邊形進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理，網(wǎng)格的大小通常由定位誤差決定，一般不超過0.5 m。對(duì)上封頭和下封頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)依據(jù)展開圓形的直徑進(jìn)行劃分；對(duì)筒體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)依據(jù)四邊形的長和寬進(jìn)行劃分。

試驗(yàn)采用的壓力容器上封頭和下封頭直徑為2 880 mm，共劃分7層，相鄰兩層半徑相差100 mm，共劃分出85個(gè)網(wǎng)格，上封頭二維網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 上封頭二維網(wǎng)格劃分結(jié)果

對(duì)筒體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，筒體高度為7 000 mm，直徑為2 880 mm，將筒體展成二維平面，平面的長為9 048 mm，寬為7 000 mm，以邊長為500 mm的正方形網(wǎng)格對(duì)筒體進(jìn)行劃分，共劃分出266個(gè)網(wǎng)格，筒體的二維網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 筒體的二維網(wǎng)格劃分結(jié)果

根據(jù)壓力容器網(wǎng)格劃分結(jié)果，6個(gè)聲發(fā)射傳感器所在網(wǎng)格信息如表1所示。

表1 聲發(fā)射傳感器所在網(wǎng)格信息

3.2 容器網(wǎng)格距離計(jì)算

網(wǎng)格離散化處理之后，需要計(jì)算各網(wǎng)格中心到任意兩個(gè)傳感器之間的距離差，試驗(yàn)以歐氏距離作為距離度量標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格和傳感器之間的距離計(jì)算可分為以下幾種情況。

(1) 傳感器位于上封頭處，計(jì)算上封頭網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離?？赏ㄟ^解三角形進(jìn)行計(jì)算，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別為上封頭圓心、上封頭網(wǎng)格中心和傳感器所在網(wǎng)格中心。

(2) 傳感器位于上封頭處，計(jì)算筒體網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離。首先將上封頭邊緣等分為n份，然后利用解三角形的方法分別計(jì)算傳感器所在網(wǎng)格中心和筒體網(wǎng)格中心到上封頭邊緣的距離，最后，將兩個(gè)距離相加，取n個(gè)值中的最小者作為最終的距離，即傳感器和筒體網(wǎng)格的最短傳播路徑。

(3) 傳感器位于筒體處，計(jì)算上、下封頭網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離，方法同(2)。

(4) 傳感器位于筒體處，計(jì)算筒體網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離，可直接計(jì)算歐氏距離。

(5) 傳感器位于下封頭處，計(jì)算筒體網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離，方法同(2)。

(6) 傳感器位于下封頭處，計(jì)算下封頭網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)格之間的距離，方法同(1)。

兩個(gè)傳感器位于筒體處和分別位于上封頭和筒體處時(shí)，各網(wǎng)格到兩傳感器的距離差曲線如圖7所示。

圖7 各網(wǎng)格到兩傳感器的距離差曲線

3.3 衰減系數(shù)標(biāo)定

衰減系數(shù)α可通過容器模擬活動(dòng)缺陷的檢測定位與評(píng)定試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。壓力容器非一體式結(jié)構(gòu)，聲發(fā)射信號(hào)從筒體或者下封頭傳至上封頭過程中，衰減很大，因此采用衰減定位法對(duì)壓力容器模擬活動(dòng)缺陷進(jìn)行整體定位時(shí)，擬采用鉛筆芯斷鉛產(chǎn)生聲發(fā)射源信號(hào)來模擬活動(dòng)缺陷，具體步驟如下。

通過對(duì)試件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到α在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為計(jì)算最優(yōu)的定位衰減系數(shù) ，可定義以下矩陣

(3)

采用最小二乘法對(duì)矩陣中每個(gè)元素Uij做以下運(yùn)算

(4)

式中：Ui0為矩陣A中每行缺陷處產(chǎn)生的聲信號(hào)水平；Lj為每列(即某一確定的測點(diǎn))距離缺陷的距離；δ為目標(biāo)函數(shù)(即誤差函數(shù))。

δ取極小值時(shí)對(duì)應(yīng)的α即為最優(yōu)的衰減系數(shù)。目標(biāo)函數(shù)δ的變化規(guī)律如圖8所示，將確定的δ極小值代入式(2)即可對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行衰減定位。

圖8 目標(biāo)函數(shù)δ的變化規(guī)律

3.4 聲發(fā)射信號(hào)傳播速度標(biāo)定

根據(jù)信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)差和傳感器的位置差求得聲發(fā)射信號(hào)在壓力容器上的傳播速度，求其平均值得到聲發(fā)射信號(hào)沿壓力容器表面?zhèn)鞑サ乃俣?，將該速度代入?1)，即可對(duì)壓力容器聲發(fā)射源進(jìn)行時(shí)差定位。聲發(fā)射信號(hào)在壓力容器上的傳播速度分布如圖9所示。

圖9 聲發(fā)射信號(hào)在壓力容器上的傳播速度分布

4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及分析

4.1 突發(fā)型聲發(fā)射源定位結(jié)果

在壓力容器下封頭處選取6個(gè)位置進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，每個(gè)位置測試4次，同時(shí)檢測每個(gè)傳感器響應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)水平和信號(hào)到達(dá)時(shí)間。將每個(gè)傳感器響應(yīng)的信號(hào)到達(dá)時(shí)間和上節(jié)試驗(yàn)標(biāo)定的信號(hào)傳播速度代入式(2)，可獲得聲發(fā)射源位置；將每個(gè)傳感器響應(yīng)的發(fā)射信號(hào)水平和上節(jié)試驗(yàn)標(biāo)定出的聲發(fā)射信號(hào)衰減系數(shù)代入式(2)，可確定聲發(fā)射源位置。

(1) 時(shí)差定位結(jié)果驗(yàn)證分析

定位方法分以下兩種：① 最小單誤差定位法，根據(jù)上節(jié)得到的各網(wǎng)格和傳感器的距離差(數(shù)量為436×10)，按列依次找出與這10個(gè)距離差最接近的值，做差并取絕對(duì)值得到1×10 (行×列，下同)的矩陣，選取其中最小值所在的網(wǎng)格作為最終的定位結(jié)果；② 最小和誤差定位法，同樣根據(jù)上節(jié)得到的各網(wǎng)格和傳感器的距離差(數(shù)量為436×10)，按行依次計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格和該10個(gè)距離差的歐氏距離，得到436×1的誤差矩陣，選取其中最小值所在的網(wǎng)格作為最終的定位結(jié)果。

兩種定位方法各有優(yōu)劣，在多傳感器定位中，如果某個(gè)傳感器信號(hào)和理想狀態(tài)差距較大，最小和誤差定位法則容易產(chǎn)生較大誤差；如果多傳感器信號(hào)都較理想，則該方法具有更強(qiáng)的魯棒性，最小單誤差定位法更依賴于信號(hào)較好的兩個(gè)傳感器，壓力容器時(shí)差定位結(jié)果如表2所示，同一個(gè)區(qū)域取兩組數(shù)據(jù)為例。

表2 壓力容器時(shí)差定位結(jié)果(突發(fā)型聲發(fā)射源)

從時(shí)差定位結(jié)果可以看出，無論是單誤差法還是和誤差法，大部分定位誤差僅為1個(gè)網(wǎng)格或者2個(gè)網(wǎng)格，單誤差定位法最大誤差為3個(gè)網(wǎng)格(小于傳感器間距的10%，但僅出現(xiàn)兩次)，可以忽略不計(jì)，整體上定位效果較準(zhǔn)確，誤差較小，因此，可認(rèn)為時(shí)差定位方法適用于壓力容器突發(fā)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

(2) 衰減定位結(jié)果驗(yàn)證分析

根據(jù)每個(gè)傳感器的安裝位置、對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)水平和標(biāo)定的衰減系數(shù)，同樣采用最小單誤差定位法和最小和誤差定位法進(jìn)行定位結(jié)果驗(yàn)證。衰減定位結(jié)果如表3所示，同一個(gè)區(qū)域取兩組數(shù)據(jù)為例。

表3 壓力容器衰減定位結(jié)果(突發(fā)型聲發(fā)射源)

由表3得知，無論是單誤差法還是和誤差法，大部分定位誤差僅為2個(gè)網(wǎng)格，最大定位誤差約為3個(gè)網(wǎng)格(小于傳感器間距的10%且出現(xiàn)頻率極低)，整體上看衰減定位結(jié)果較精準(zhǔn)，誤差較小，因此，可認(rèn)為衰減定位方法同樣適用于壓力容器突發(fā)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

4.2 連續(xù)型聲發(fā)射源定位結(jié)果

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)較微弱，到達(dá)筒體和上封頭時(shí)衰減較大(由于壓力容器結(jié)構(gòu)非一體式)，因此，試驗(yàn)僅使用下封頭傳感器接收到的信號(hào)，采用衰減定位法進(jìn)行定位。

利用和誤差法進(jìn)行缺陷定位結(jié)果驗(yàn)證，壓力容器衰減定位結(jié)果如表4所示。

表4 壓力容器衰減定位結(jié)果(連續(xù)型聲發(fā)射源)

在4個(gè)不同位置進(jìn)行衰減定位方法驗(yàn)證，定位結(jié)果顯示最大定位誤差不超過4個(gè)網(wǎng)格(小于傳感器間距的10%)，由于傳感器的減少，定位精度稍低于突發(fā)型聲發(fā)射源定位結(jié)果的精度，但仍在可接受范圍內(nèi)，可認(rèn)為衰減定位方法同樣適用于壓力容器連續(xù)型聲發(fā)射源的缺陷定位。

5 結(jié)論

采用時(shí)差定位法和衰減定位法對(duì)壓力容器模擬缺陷進(jìn)行定位，首先通過對(duì)壓力容器進(jìn)行模擬缺陷聲發(fā)射檢測試驗(yàn)，標(biāo)定了聲發(fā)射信號(hào)沿著壓力容器傳播的速度和衰減系數(shù)這兩個(gè)重要參數(shù)，然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種定位方法的定位結(jié)果，并得出以下結(jié)論。

(1) 時(shí)差定位法和衰減定位法均適用于定位突發(fā)型聲發(fā)射源，而連續(xù)型聲發(fā)射源可采用衰減定位法進(jìn)行定位，定位最大誤差均小于傳感器間距的10%，且定位效果良好。

(2) 在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)在可行的范圍內(nèi)盡量增加傳感器的數(shù)量以提高定位精度。