基于强方波脉冲发射技术的大直径石墨棒的超声检测

李文胜，何 成，赵建平，尹 璐，谭大基，陈秀明

(1.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011;2.广州多浦乐电子科技有限公司，广州 510663)

基于强方波脉冲发射技术的大直径石墨棒的超声检测

李文胜1，何 成1，赵建平1，尹 璐2，谭大基2，陈秀明2

(1.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011;2.广州多浦乐电子科技有限公司，广州 510663)

基于强方波脉冲发射技术，配合高增益高信噪比接收放大器、高速低功耗数字处理系统以及专用低频探头，对大直径石墨棒进行超声穿透法检测。结果表明：采用强方波脉冲发射技术对小厚度(50 mm以下)石墨件检测时，灵敏度余量比配合普通超声探头的超声检测仪高55 dB，可解决普通超声检测仪无法检测340 mm左右直径石墨棒的难题。

强方波脉冲发射；石墨棒；超声检测

石墨通常产于变质岩中，是煤或碳质岩石(或沉积物)受到区域变质作用或岩浆侵入作用而形成的。石墨棒为非金属制品，由碳、石墨加上适当的粘合剂通过挤压成形，具有耐高温、导电性良好、不易断裂的优点。石墨棒常被用来作为高温真空炉的电热体，最高使用温度可达3 000 ℃，可用于铂金、黄金及合金的冶炼。图1为成品石墨棒实物。

图1 成品石墨棒实物

随着科学技术的飞速发展，石墨制品目前已被广泛应用于国防、军工、电力、航空、航天等领域，为确保产品质量安全可靠，对石墨制品的质量要求也日趋严格。

1 石墨棒超声检测的特点和难点

目前对石墨棒的检测主要以X射线检测法为主。但该检测法的缺点是：设备昂贵、需要专用场地(防护场地)、不适合大厚度制品的检测。而超声波检测方法灵活、费用低、无污染，更适合石墨半成品的检测[1]。

然而超声检测也有其局限性，由于石墨制品的内部结构受石墨原材料特性和制造工艺流程的影响很大，具有材料疏松、晶粒粗大、孔隙较多、密度不均匀和各向异性较强等特点，从而使得声波的传播特性较差[2]，声波在石墨中的衰减相当大，可达到钢中衰减的几倍甚至几十倍[1]。因此，为了达到较好的检测效果，必须提高超声检测仪的发射强度。笔者在深入研究强方波脉冲发射技术的基础上，针对大直径石墨棒的超声检测提出了一种新的方法。

图2 600 V方波与1 500 V尖脉冲激励性能

2 强方波脉冲发射技术

目前现有超声检测仪器一般采用400～500 V尖脉冲或400 V方波脉冲，发射电路输出阻抗偏大，对探头激励的能量远远不够，穿透力和检测灵敏度较低，难以对石墨进行检测。而采用基于强方波脉冲发射技术的多浦乐Pangolin-39型数字超声检测仪，配合高增益高信噪比的接收放大器、高速低功耗数字处理系统以及专用低频探头，通过软硬件的紧密结合，并引入硬件TCG(时间增益较正曲线)、回波信号降噪处理等新技术，能够解决大直径石墨棒的检测难题。

图2为采用多浦乐频率为0.3 MHz复合材料晶片探头，使用36.5 mm的PS(聚苯乙烯)试块，600 V方波与1 500 V尖脉冲激励性能如图2所示，由图2可知，1 500 V尖脉冲的穿透波幅度为72.8 V，600 V方波的反射波幅度为678 V，两种激励波的幅度相差9倍以上。可见600 V方波的能量通过此特殊高能发射技术被最大程度地释放出来。

高能超声发射系统主要包含发射电路、探头以及组成一台超声检测仪所需的接收放大和数字处理系统。

2.1 专用低频探头的开发 通常选取带高压发射脉冲的超声检测仪,配用标称频率1 MHz以下的高灵敏度探头对高难穿透材料进行检测，且该探头必须能承受强脉冲的激励并产生特高的电声转换效率，因此采用传统工艺方法制作的探头不一定能满足这个条件。高灵敏度探头制作的关键在于如何使探头晶片产生最大振动幅度。图3为发射电压与晶片振动幅度之间的关系曲线，可见在达到饱和激励点之前，发射电压越高，晶片振幅越大。饱和激励电压取决于晶片材料、频率(厚度)等参数，不同材料和频率的差异相当大，如：2.5 MHz晶片饱和点约1 800 V(峰值电压)，0.5 MHz晶片饱和点达3 000 V，可见常规仪器的发射脉冲远未达到饱和激励电压。

图3 发射电压与晶片振动幅度之间的关系

常规探头声与电的阻尼虽然是抑制晶片余振的有效手段，但也同时限制了晶片的最大振动幅度。为了同时获得晶片的最大振动幅度和较高的分辨率，笔者开发了“动态阻尼”新技术，即在饱和激励条件下，在回波峰值点过后引入超高阻尼(见图4)，从而解决分辨率问题。超高阻尼的引入不会影响回波的峰值，且其对低频探头的效果更好。

图4 “动态阻尼”原理示意

经过在探头晶片选材、声匹配设计及探头内部结构设计等多方面进行深入的研究，成功开发出了频率范围在0.2～0.5 MHz和2.0～4.0 MHz两个系列的专用探头(见图5)。该探头能够配合强方波发射模块，实现探头晶片的饱和激励，使晶片振动幅度趋近极限。

图5 专用低频探头实物

图6 600 V高能脉冲激励波形与PS试块回波

2.2 强方波脉冲发射技术 衡量方波发射系统的三个重要指标包括脉冲幅度、激励效果和有效输出阻抗。为实现晶片饱和激励，开发了新型超强脉冲发射系统，将方波发射脉冲幅度提高到了500～1 000 V，其中600 V超强方波激励0.3 MHz专用探头所产生的高能脉冲达3 550 V(峰峰值电压)，36.5 mm PS试块回波幅度达646 V(见图6)，远远超出普通检测仪的脉冲幅度。虽然高能发射脉冲瞬时功率超过500 W，但平均功耗极低，这是系统稳定的前提。

通常来说，脉冲前沿上升时间与探头回波1/4波长相当的部分为有效激励幅度，所以，上升前沿越陡，高频探头的激励效果越好。而对于方波激励模式，方波脉冲前/后沿的上升时间同样重要，笔者采用后沿激励叠加的方式，大大提高了激励效果。

探头是发射电路的负载，而不同频率探头的阻抗差异较大，部分常规探头的阻抗仅约50 Ω，输出阻抗越低的发射电路越能向探头提供最为有效的激励。笔者在严格选择关键器件的基础上，将重点放在工艺技术的攻关上，实现了实际发射电路的输出阻抗低于10 Ω，提高了系统的负载能力。

3 大直径石墨棒的超声检测试验

3.1 试样制作

在长度2 m，直径338 mm的石墨棒上截取一段长约46 mm的有自然裂纹缺陷的试样。试样形态相当于直径338 mm，厚度约46 mm的圆饼石墨件。根据缺陷类型制作的对比试样如图7所示，图中白色曲线为该石墨试件本体自然裂纹，A和B分别为探头在该石墨件圆周面进行穿透法检测时的摆放位置。

图7 根据缺陷类型制作的对比试样外观

3.2 仪器

采用多浦乐Pangolin-39型高能发射数字超声检测仪，该仪器突破性地采用了超强方波发射模块、新型探头激励模式、动态高阻尼新技术和专用探头概念，具有总增益150 dB的接收放大系统，引入了“C闸门底波衰减监控”技术和“强信号硬件TCG”功能，紧贴现场应用需求。

3.3 探头及楔块

试验分别选取的多浦乐专用探头型号为I0.3C30NF和I0.5C20NF，图8为所选探头外观。

图8 试验用探头外观

3.4 试验方案

由于石墨棒中声衰减大且材料不均匀，难以对其内部裂纹进行定量检测。因此拟通过对穿透波幅度的监测试验来验证石墨棒内部缺陷的情况，采用常规检测仪配常规探头做对比试验。

3.4.1 石墨饼试件声衰减检测试验

在石墨饼无裂纹区域分别选取三个试验点(见图9)，采用Pangolin-39型检测仪配用0.5 MHz专用探头进行声衰减试验，三个测试点穿透波达到80%时，增益分别为：38.8，39.4，32 dB。可见石墨饼不同位置处声衰减差异很大，这也是不能用超声进行精确定量的主要原因。

图9 石墨饼上不同测试点的声衰减试验

3.4.2 穿透法检测46 mm厚石墨饼试验

选取无裂纹区域，采用Pangolin-39型检测仪配用0.3 MHz专用探头对46 mm厚石墨饼进行穿透法检测试验，如图10(a)所示。穿透波波高达到80 %时，仪器增益16.3 dB。空载电噪声10 %时，仪器有效总增益145 dB，即尚有128.7 dB的有效灵敏度余量。

在同一位置，采用Pangolin-39型仪器配用0.5 MHz专用探头对46 mm厚石墨饼进行穿透法检测试验，如图10(b)所示。穿透波波高达到80%时，仪器增益28 dB。空载电噪声10 %时，仪器有效总增益145 dB，即尚有117 dB的有效灵敏度余量。

图10 不同频率探头穿透法检测46 mm厚石墨饼试验现场

在同一位置，选用普通数字超声检测仪配合0.5 MHz普通超声探头进行穿透法检测试验，如图11所示。穿透波波高达到80 %时，仪器增益32.5 dB，如图12(a)所示。空载电噪声10 %时，仪器有效总增益94.5 dB，如图12(b)所示，即有62 dB的有效灵敏度余量。

图11 常规检测仪穿透法检测46 mm厚石墨饼试验现场

图12 常规检测仪穿透法检测46 mm厚石墨饼试验结果

从以上对比试验可知，采用强方波发射技术的Pangolin-39型检测仪进行石墨棒穿透法试验时，检测灵敏度余量可比普通数字超声检测仪配合普通超声探头灵敏度余量高55 dB。

3.4.3 石墨饼试件直径338 mm外圆穿透检测试验

通过46 mm厚石墨饼穿透试验，得出采用0.3 MHz专用探头比0.5 MHz专用探头的检测灵敏度余量高11.7 dB，穿透效果更好，故在后续石墨饼试件直径338 mm外圆穿透检测试验中均选用0.3 MHz专用探头。而普通常规数字超声检测仪的频带下限一般不低于0.5 MHz，故进行普通常规数字超声检测仪对比试验时，只能选用0.5 MHz普通超声探头。试验步骤为：

(1) 在圆周面选取图7所示B位置放置两个0.3 MHz专用探头，即采用穿透法，使超声波穿过直径338 mm的无裂纹区域，如图13(a)所示，当穿透波波高达到70 %时，仪器总增益80 dB。在同一位置，选用普通数字超声检测仪配合0.5 MHz普通超声探头进行穿透法检测试验，穿透波已埋没在噪声信号中无法区分，如图14所示。

图13 高能发射数字超声检测仪外圆穿透检测试验示意

(2) 在圆周面选取图7所示略偏离B位置的地方放置两个0.3 MHz专用探头，即采用穿透法，使超声波穿过直径338 mm的有微弱裂纹区域，如图13(b)所示。当仪器总增益为80 dB时，屏幕有高度约为20 %的微弱穿透回波信号。

在圆周面选取图7所示A位置放置两个0.3 MHz专用探头，即采用穿透法，使超声波穿过直径338 mm的有裂纹区域，超声波完全被裂纹挡住无法穿透，无回波信号，如图13(c)所示。通过石墨饼外圆穿透试验可知，石墨棒内裂纹状况可通过对穿透波幅度的分析来判断，因此基本解决了石墨棒内缺陷的定性检测。但如何根据穿透波幅度来制定一个缺陷评级准则，还需要进一步的试验和研究。

图14 常规数字超声检测仪外圆穿透检测试验示意

4 结语

(1) 石墨棒内部密度和材料的不均匀性导致其在不同位置处的声衰减状况存在较大差异。

(2) 通过使用强方波脉冲发射技术，配合特制的专用低频超声探头能够解决较大直径石墨棒的超声检测难题，检测灵敏度余量可达到普通超声检测仪配合普通超声探头的2倍。

(3) 针对大直径石墨棒的超声检测，鉴于其高衰减特性，可利用超声波穿透法检测材料内部有无缺陷。由于穿透法的限制，仅能判断缺陷在石墨棒长度方向上的位置，而无法得出缺陷深度，无法对缺陷进行精确定量。

(4) 由于检测样品数量有限，如将此技术运用到实际生产中还需大量试验来制定缺陷评判的标准，并根据各批次的具体检测情况对检测工艺参数进行进一步优化。

[1] 李平，陆玉峻，李婉秋. X射线和超声波检测法在碳石墨制品中的应用[J]. 无损探伤，1999，23(3)：1-5.

[2] 李平，陈锐，李婉秋. 石墨制品的超声波无损检测技术[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

李文胜(1968-)，男，高级工程师，主要从事电力设备检验及检测工作。

尹 璐，E-mail: yinlu@cndoppler.cn。

10.11973/wsjc201703005

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0018-05