Zr-4合金管材超声缺陷研究

张新龙

【摘  要】本文主要利用金相法观察了超声波检测纵向通道Zr-4合金管材内表面缺陷类型。超声检测波幅与缺陷实际深度的关系。结果表明：Zr-4合金管材内表面纵向缺陷相貌为裂纹缺陷。超声缺陷的实际深度随着波幅增大基本呈现增大趋势。

【关键词】Zr-4合金;管材;超声;裂纹;波幅

Abstract：in this paper，the inner surface defect types of zr-4 alloy tubes detected by ultrasonic wave were observed by metallographic method.The relationship between ultrasonic wave amplitude and actual depth of defect.The results show that the longitudinal defect on the inner surface of Zr-4 alloy pipe is crack defect.The actual depth of ultrasonic defect showed an increasing trend with the increase of amplitude.

Key words：zr-4 alloy;Steel tubes;Ultrasound;Crack;amplitude

1前言

Zr-4合金具有優异的核性能、适中的力学性能和良好的加工性能，所以普遍用作核动力水冷反应堆的包壳材料和结构材料。Zr-4合金管是核电站反应堆的第一道屏障，基于其特殊的应用环境和苛刻的服役条件，人们对安全性和可靠性提出了更高的要求。超声探伤是Zr-4合金包壳管常用无损探伤方法之一。马小怀等人从超声探伤选用探头、入射角、焦点位置调节及干扰信号的抑制等方面认为，对管材采用水浸聚焦的方式可行。然而在Zr-4合金管材的超声检测过程中，超声图谱的纵伤通道会出现一些波幅信号，本文通过研究超声波幅与缺陷深度对应关系，并对Zr-4合金管材内表面纵向缺陷的波幅缺陷进行解剖确定缺陷的类型，为超声探伤在Zr-4合金管材的应用提供实践及理论基础。

2 实验

试验用料选用Zr-4合金管材，采用ROTA25超声设备对管材进行超声探伤，探头形式为线聚焦，探头旋转速度4000转/分，仪器重复频率12KHz，管材送进速度为6m/min。选取超声缺陷进行金相解剖，采用leica DM2500M光学显微镜对缺陷进行金相观察。选取满屏波幅为30～80%缺陷进行金相观察，分析缺陷的实际深度。

3 结果与分析

3.1缺陷形貌研究

管材超声缺陷典型形貌如图1所示。从图1中可看出，Zr-4管材内表面缺陷的主要形貌为裂纹缺陷，且裂纹沿着管材外径方向成30°～45°方向。这是由于Zr-4管材加工过程采用皮尔格周期式轧制方式，管材轧制过程中主要沿着轧制方向斜32°进行旋转，当管材轧制过程中因内壁受力不均匀时候，因变形不均匀会斜30°～45°出现裂纹。

3.2缺陷超声波幅对深度的影响

超声波幅与缺陷实际测量深度关系图如图2所示，从图2中可见，Zr-4合金管材超声波幅与实际缺陷深度基本呈现线性关系，缺陷的实际深度随着超声波幅的增加而增加。个别缺陷的实际检测深度会出现离散现象，这主要有是超声检测方法的局限性决定的。

超声检测时，采用人工加工的标准人工缺陷（通常在管材内外表面加工U型槽）对超声设备进行校准，确定探头声束的入射角及超声的实际检测参数。但由于超声标准人工缺陷为比较规则的U型槽，设备调试时以U型槽的侧面为反射面调整入射角，而实际缺陷存在一定的角度（如图1所示），当声波垂直缺陷表面时，缺陷的波幅高，而当有倾斜角度时候，缺陷波幅会随着入射角度的增大而急剧下降，其具体关系如图3所示。从图3可见，当声束垂直入射到缺陷上时，波幅最高，随着入射角的增大，波幅急剧降低。因此入射角度是影响缺陷实际深度与波幅偏差较大的原因之一。

另外，在超声检测时缺陷波幅反映的是超声声束在缺陷反射面的综合体现，而采用的线聚焦其声束有一定的长度，当缺陷深度虽深但长度较短，整体的反射面积较小，造成波幅较小，同时当缺陷深度虽浅但长度较长，整体的反射面积较大，造成波幅较高，因此会出现小波幅对应的深缺陷和高波幅对应的浅缺陷的现象。

4 结论

4.1 Zr-4合金管材内表面纵向缺陷相貌多为裂纹缺陷。

4.2 Zr-4合金管材超声波幅与实际缺陷深度基本呈现线性关系，但由于缺陷方向及缺陷长度的影响，会出现波幅与缺陷深度的离散现象。

参考文献：

[1] 刘建章.核结构材料[M].北京：化学工业出版社，2007：5-95.

[2] 马小怀，陈百锁，汶锁明.小径薄壁有色管超声波探伤[J].无损检测，2005，27（1）：45-47.

[3] 无损检测编委会.无损检测II级培训教材[M].北京：机械工业出版设，2005：170-179.

（作者单位：国核宝钛锆业股份公司）