厚壁锆合金管材超声波探伤方法研究

朱康平，王 力，冯 辉，文 宁

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

1 前言

核工业用的锆合金厚壁管，规格为φ45 mm×11.25 mm，要求进行人工标准缺陷为槽型3 mm×0.1 mm×0.05 mm(长×宽×深)的超声波探伤。通常，对壁厚与外径之比(t/D)不大于0.2的管材采用纯横波法探伤［1-3］，而对于 t/D大于0.2的管材，受几何条件限制，横波可能无法检测到内壁，一般采用变型横波斜射法、斜射纵波切内壁法等［3-7］，这些方法波形转换及技术处理较为复杂，而且检测灵敏度较低。待检锆管t/D达到0.25，且探伤灵敏度要求很高，对于这种厚壁锆合金管的超声波探伤方法尚未见报道。本研究为获得厚壁锆合金管操作方便、准确可靠的探伤方法进行了实验。

根据超声波探伤相关理论［1］计算，可采用纯横波探伤方法探测最大t/D为0.258的锆管，该规格锆管刚好可使折射横波的声束轴线达到内壁。同时，如能预判出各反射波信号出现的位置，在检测参数上准确控制，避免其相互干扰，采用双角度纵波斜入射、横波与纵波相结合的探伤方法应是可行的。本实验采用水浸聚焦方式对以上3种方法进行对比实验，确定出该规格锆合金管材最优的探伤方案。

2 实验原理及方法

2.1 基本原理

利用波的折射定律，通过调节偏心距(即改变入射角)，使折射声场中生成所需的波型，并满足以下3种探伤方法所要求的条件。

2.1.1 纯横波水浸聚焦法

如图1所示，探头发射的纵波声束斜入射到水/管材界面时发生波形转换，当入射角在第一临界角和第二临界角之间时，纵波全反射，进入管材内部只有横波，利用折射横波来检查整个管材内部的缺陷。该方法的必要条件为:折射横波能检测到管材内壁。计算偏心距X为:7.2 mm≤X≤7.4 mm。

图1 纯横波探伤示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic testing by pure transverse wave method

2.1.2 横波纵波相结合水浸聚焦法

如图2所示，使入射角度小于第一临界角，管材内同时传播折射纵波和折射横波，利用折射横波检测管材内壁及近内壁部位，折射纵波检测管材外壁，从而检查整个管材的截面。该方法的必要条件为:折射横波能达到管材内壁，而折射纵波仅能达到外壁。计算偏心距X为:3.8 mm

图2 横波纵波相结合探伤示意图Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing by combing transverse wave with longitudinal wave

2.1.3 纵波斜入射水浸聚焦法

如图3所示，在小于第一临界角的范围内选择两个不同的入射角度，使其中一个折射纵波(L'1)能达到管材内壁，而另一个折射纵波(L'2)只能达到管材外壁，利用具有较高能量的折射纵波检查整个管材截面内的缺陷。此时，L1的偏心距为:X≤3.8 mm，而L2的偏心距为:3.8 mm

图3 纵波斜入射探伤示意图Fig..3 Schematic diagram of ultrasonic testing by longitudinal wave incidence with inclination

2.2 反射信号辨别及干扰去除

探伤时可能存在的反射信号包括:界面波及其多次回波、缺陷波及其多次反射波、不需观察的折射波信号及其多次反射波等［8-9］，利用几何声学原理可计算出这些回波信号在时基线出现的位置，通过对探伤参数的调节，使有用信号出现在不需观察的回波信号之前，再通过报警闸门始端、终端位置(观测窗口)的调整避开无用信号对探伤的干扰。

纯横波探伤时，干扰信号只有界面波及其多次反射波，如图4所示。通过调节水距，使一次内、外壁缺陷信号(F内、F外)在一次界面波(S1)和二次界面波(S2)之间出现，避开界面波对探伤的干扰。

图4 纯横波探伤波形示意图Fig.4 Schematic diagram of waveform using pure transverse wave

采用横波纵波相结合的方式探伤时，除避开界面波干扰外，通过调节闸门位置，只观测一次折射纵波和一次折射横波的反射信号以避开其他信号的干扰，此时的波形示意图见图5。由于锆中纵波声速约为横波声速的2倍，虽然纵波声程较大，但外伤信号出现在内伤信号之前。

图5 横波纵波相结合波形示意图Fig.5 Schematic diagram of waveform of combing transverse wave with longitudinal wave

采用纵波斜入射法时，通过两个通道分别调节内、外壁人工缺陷，其波形与横波纵波相结合的波形类似，但闸门终端位置提前，见图6。此时，由于折射纵波声速大，同时产生的折射横波缺陷反射信号在纵波反射信号之后出现，通过闸门终端位置的前移可排除横波信号的干扰。

图6 纵波斜入射波形示意图Fig.6 Schematic diagram of waveform of longitudinal wave incidence with inclination

2.3 实验

分别按3种探伤方法的条件，在偏心距范围内均匀的选取几点(其中纯横波法因偏心距范围小仅取一点)。对每个偏心距，用不同的水中声程对标准管进行调试实验，观察各方法对标准管内、外壁人工缺陷的反射波形及探伤灵敏度(增益读数)的变化情况，通过对比，确定出3种方法最优的探伤参数。在3种方法的最优参数下，使标准管连续多次通过探伤设备，观察动态调试效果，验证其检测结果的可靠性。

探伤设备采用美国TACTIC公司76EX-18管棒材自动检测系统，其配套仪器为GE公司USPC2100四通道超声波探伤仪。考虑水距和探伤灵敏度要求，选择频率为10 MHz、焦距为60 mm、晶片尺寸为12.7 mm的线聚焦探头。

3 结果与分析

3.1 纯横波法

选择偏心距为7.3 mm，用不同的水距对标准管进行探伤实验，当内、外壁人工缺陷波幅均达到70%满幅时，增益读数见表1。纯横波法探伤时，超声波束发现内伤时的声程是外伤声程的一半，因材料的声能衰减和声程较大，理论上内伤波幅应高于外伤，但从表1的结果来看，其内伤波幅反而明显低于外伤。从表1还可看出，当水距增加，内伤检测灵敏度变化不大，但稍有提高，而外伤检测灵敏度明显降低。这是因为焦点上移后，打在内壁的声束变得集中，而打在外壁的声束更发散，使内伤灵敏度有所提高，而外伤灵敏度降低。当焦点落在内壁左右(水距为49 mm)时，内、外壁人工缺陷波幅基本达到一致，但此时增益值较高，如图7所示，当标准伤波幅达到满幅的70%时，噪声信号达到了20%～30%，不利于缺陷信号的辨别。

表1 纯横波探伤实验结果Table 1 Testing results of defect detecting by pure transverse wave

3.2 横波纵波相结合法

在3.8～7.2 mm范围内选择4组偏心距，分别用不同的水距对标准管进行探伤实验，当内、外壁人工缺陷波幅均达到满幅的70%时，实验结果见表2，探伤波形见图8。

图7 H=49 mm时纯横波探伤波形Fig.7 Waveform of defect dectecting by pure tranverse wave during H=49 mm

表2 横波纵波相结合探伤实验结果Table 2 Testing results of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave

图8 X=6 mm、H=38 mm时横波纵波相结合探伤波形Fig.8 Waveform of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave during X=6 mm and H=38 mm

由表2可见，随着水距的增加，内伤的检测灵敏度逐渐增高，而外伤的检验灵敏度逐渐降低。从实验结果看，有两组实验结果比较理想:偏心距为4 mm、水距为38 mm时，增益读数在74 dB左右，内、外壁人工缺陷增益差为1 dB;当偏心距为6 mm、水距为38.5 mm时，增益读数在78 dB左右，内、外壁人工缺陷增益差为1.5 dB。这两组的探头焦点均落在与声束中心轴相垂直的管材半径附近。由图8的波形上看，此时杂波低，内、外壁人工缺陷波均清晰可见，比较适合此规格的管材探伤。

3.3 双角度纵波斜入射法

3.3.1 外伤检测

双角度纵波斜入射时，外伤的调节与横波纵波相结合方法一致，其偏心距及水距对探伤灵敏度的影响见表2。从表2的结果可知，纵波探外伤时，偏心距及水距越大，探伤灵敏度越低，但其变化幅度并不明显，尤其当偏心距在4～6 mm范围内变化时，探伤灵敏度的变化很小。为避开横波打在内壁缺陷时的反射信号，横波内伤信号与纵波外伤信号距离越远越好，以避免因尺寸公差变化或探伤过程中管材跳动造成的误判。通过实际探伤波形可知，偏心距加大时，内、外壁人工缺陷信号间距增大，因此应尽量选择较大的偏心距。

3.3.2 内伤检测

在≤3.8 mm的范围内选择4组偏心距，分别选择不同的水距对标准管的内伤进行探伤实验，波幅达到70%满幅时，实验结果见表3。

从表3的结果可知，偏心距及水距的变化对探伤灵敏度均没有大的影响，且增益值均较低，信噪比较好(见图9)。内伤调节时，只需把偏心距及水距落在一个较宽的范围内即可，操作简便易行。

表3 纵波斜入射探内伤实验结果Table 3 Testing results of detecting inner defects by longitudinal wave incidence with inclinationwave

图9 X=3.2 mm、H=41 mm时纵波探测内伤的波形Fig.9 Waveform of detecting inner defects by longitudinal wave during X=3.2 mm and H=41 mm

3.4 动态调试及实际应用

用最优的参数调试出3种方法比较理想的探伤状态，在正常探伤的条件下，使标准管连续20次通过探伤设备，设备对内、外壁人工缺陷报警情况见表4。

从表4的结果可知，纯横波法内壁缺陷的报警率仅为35%，这是因为采用该方法时偏心距可调范围小，对调节的精度要求高。同时，由于管材尺寸公差的变化或检测过程中管材的跳动，会使实际入射角发生变化［10］，使折射横波声束轴线可能无法达到管材内壁，从而造成内壁缺陷漏检的情况。该结果验证了纯横波法不适用于t/D大于0.2的管材探伤［1-7］的经验是正确的。

横波纵波相结合法及双角度纵波斜入射法的内、外壁人工缺陷报警率均达到100%，且通过波形记录可知，这2种探伤方法重复性较好，内、外壁人工缺陷反射信号波动均小于2 dB，说明这2种方法的检测结果是稳定的。采用这2种方法检测时，横波、纵波均同时在材料中传播，由于其传播角度不同，增加了对不同方向缺陷的发现几率，但对壁厚内部缺陷无法准确定位，需要时，可辅以纯横波或直射纵波进行判断。

表4 3种方法的动态调试实验结果Table 4 Testing results of dynamic testing of three kinds of method

作者已分别采用双角度纵波斜入射及横波纵波相结合的方法对数百支厚壁锆合金管材进行了检测对比，2种方法的检测结果对应性很好，说明2种方法均是可靠的，探测结果也得到用户认可。

横波纵波相结合的方法需用一个报警闸门同时采集内、外壁人工缺陷的波幅，调试时应使内、外壁人工缺陷反射波幅的差异小于2 dB，一般需经多次调试才能符合要求。双角度纵波斜入射采用不同的通道和闸门单独调试内、外壁缺陷，1次调试即可达到要求，操作更简单易行，但该方法要求设备有多1倍的通道或1支管材进行2次探伤，效率较低，适用于管材数量较少时的检测。

若需探测t/D更大的锆合金管材，横波纵波相结合及双角度纵波斜入射法可通过进一步减小入射角度，使声束达到内壁，从而达到探伤目的。

4 结论

(1)纯横波法不适用于规格为φ45 mm×11.25 mm锆合金管材的超声波探伤;采用横波纵波相结合或双角度纵波斜入射法对该规格锆管进行探伤是可行的，也是可靠的，这2种方法同时适用于探测t/D更大的管材。

(2)双角度纵波斜入射法操作更简单易行，但效率较低，适合小批量厚壁管的检测，而横波纵波相结合法更适用于大批量厚壁管检测。

(3)横波纵波相结合和双角度纵波斜入射法较传统的变型横波斜射法、斜射纵波切内壁法等方法在理论及技术处理上更简单易行，且检测灵敏度高，值得推广。

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