張　磊，黃　云，陳永勝

(1．中國(guó)煤炭科工集團(tuán)重慶研究院，重慶　400039；2．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶　400039；3．重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶　400044)

0　引言

Zr-4合金因其優(yōu)異的抗熱中子輻射脆化性能、適中的力學(xué)性能和良好的機(jī)械加工性能，已被普遍用作核動(dòng)力壓水反應(yīng)堆的燃料包殼管材料。由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)還不具備生產(chǎn)核級(jí)海綿鋯的能力，國(guó)內(nèi)在役核電站和在建核電站所用的Zr-4合金管坯全部由國(guó)外供應(yīng)商提供。若要建立完備的Zr-4合金管坯生產(chǎn)線，需要重點(diǎn)解決管坯壁厚砂帶自動(dòng)修磨技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中，管坯壁厚自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)又是急需重點(diǎn)攻克的技術(shù)瓶頸之一[1-5]。

Zr-4核用鋯合金管坯壁厚自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠在無(wú)人干預(yù)條件下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)壁厚數(shù)據(jù)測(cè)量和壁厚分布規(guī)律的確定。

1　超聲波局部溢流水浸測(cè)厚

1．1局部溢流水浸測(cè)厚原理

如圖1所示，局部溢流水浸測(cè)厚方法是在探頭盒中注滿水，被測(cè)工件與溢水面接觸形成聲耦合的一種檢測(cè)方式。這種方法代替了薄膜式充水膠囊，使水適當(dāng)溢出，減少了反射面，實(shí)現(xiàn)了比較穩(wěn)定的聲耦合。

圖1　局部溢流水浸法測(cè)厚原理圖

1．2探頭到管坯表面距離的確定

設(shè)探頭到管坯外表面的距離(即耦合水層厚度)為S，管坯壁厚為h.為了將探頭激勵(lì)信號(hào)與被測(cè)表面的回波反射信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，保證探頭能夠進(jìn)行有效范圍的檢測(cè)，減少其掃描盲區(qū)，要求探頭和被檢測(cè)面之間的距離需足夠長(zhǎng)。當(dāng)水層厚度較小時(shí)，聲波在探頭與試件間的延遲時(shí)間將短于在試件中的延遲時(shí)間，在試件后壁回波到達(dá)之前將會(huì)出現(xiàn)不希望有的二次界面回波。

1．2．1衰減對(duì)耦合水層厚度影響的計(jì)算

脈沖反射法測(cè)厚的實(shí)質(zhì)是測(cè)量?jī)上噜彿瓷浠夭ㄖg的經(jīng)歷時(shí)間T.因此，若把超聲波在管壁內(nèi)8次反復(fù)傳播的時(shí)間設(shè)計(jì)為不大于第一次界面波的返回時(shí)間，由T水=T鋯、S′=v·T可得：

T=S′/v水=t/v鋯=T鋯

(1)

式中：T為超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間；S′為聲波傳播距離；v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為管坯平均壁厚。

整理得：

S′=t·v水/v鋯

(2)

已知v水=1 500 m/s，v鋯=4 650 m/s(參考值)，t=19 mm，由此可得耦合水層厚度S≥8×19×1 500/4 650≈49 mm．

1．2．2近場(chǎng)距離N對(duì)水層厚度影響的計(jì)算

已知探頭直徑D=25 mm，探頭頻率f=7.5 MHz．

水的近場(chǎng)距離為

Zr-4合金的近場(chǎng)距離為

兩種介質(zhì)接觸時(shí)，鋯合金中的近場(chǎng)距離為：

式中：L為探頭至管外表面的距離。

從保證測(cè)量裝置水腔容積和檢測(cè)裝置靈活性的角度出發(fā)，探頭至管坯表面距離定在50～80 mm較合理。

2　Zr-4核用鋯合金管坯壁厚測(cè)量方法

測(cè)量方法的確定以能夠準(zhǔn)確掌握每根被測(cè)Zr-4合金管坯的壁厚分布規(guī)律為前提。由于是在線測(cè)量，壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)將直接被機(jī)床主控程序調(diào)用。為了精確定位每個(gè)測(cè)量截面，保證壁厚修磨精度，管坯的兩端必須夾緊固定。

考慮到熱擠壓管坯壁厚超差多成正余弦規(guī)律分布的情況，確定采用圖2所示的“管坯定心旋轉(zhuǎn)，探頭間歇直行”的壁厚測(cè)量工藝。為提高測(cè)量效率，只提取若干截面的壁厚數(shù)據(jù)，并從中推斷出整個(gè)管坯的壁厚分布規(guī)律。利用已經(jīng)掌握的管坯壁厚分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的管坯長(zhǎng)度和檢測(cè)截面距自動(dòng)確定需要取樣的截面數(shù)，檢測(cè)截面的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)也可設(shè)定。

圖2　管坯“定角度旋轉(zhuǎn)，探頭間歇直行”

3　超聲脈沖連續(xù)測(cè)厚系統(tǒng)的組成

為了實(shí)現(xiàn)超聲在線檢測(cè)的自動(dòng)化，測(cè)厚系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和信號(hào)激發(fā)/采集系統(tǒng)三部分組成。機(jī)械系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有探頭支撐固定及傳動(dòng)定位的功能。根據(jù)各部分所實(shí)現(xiàn)功能的不同，可將該機(jī)械組件細(xì)分為探頭固定及微調(diào)機(jī)構(gòu)、探頭前后調(diào)節(jié)定位機(jī)構(gòu)、探頭起落定位機(jī)構(gòu)、壓水靴等幾個(gè)主要部分。

3．1探頭固定及微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，該機(jī)構(gòu)的主要作用是固定和保護(hù)探頭，同時(shí)其內(nèi)部空腔能夠存儲(chǔ)一定容量的耦合劑(水)，以保證探頭底部與管坯外表面間水層厚度恒定。測(cè)量過(guò)程中需采用不間斷供水的方式才能避免因水流失而使探頭與空氣接觸。由于供水量往往大于水的流失量，腔體內(nèi)的水壓會(huì)在短時(shí)間內(nèi)驟然升高。雖然一定的水壓有利于腔內(nèi)水泡的快速溢出，但過(guò)高的壓力會(huì)使水從上部端蓋處溢出，從而使探頭與同軸電纜的連接端長(zhǎng)期浸沒(méi)于水中，影響測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)了螺紋孔式的泄流孔，操作人員可以根據(jù)需要通過(guò)安裝或拆卸螺栓的方式來(lái)調(diào)節(jié)溢流水量，以達(dá)到控制腔內(nèi)水壓的目的。

(a)　　　(b)

由于此機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期在有水環(huán)境下工作，為了防止元器件銹蝕，該裝置中的所有部件均采用不銹鋼和銅基材料制成。

3．2探頭自動(dòng)起落定位組件設(shè)計(jì)

關(guān)于翻譯的研究，從“信、達(dá)、雅”到后來(lái)的“三美”理論，都有他們的必要性。但是總的來(lái)說(shuō)，不論是什么作品的翻譯，都不僅僅需要傳達(dá)字面的意思，還應(yīng)該根據(jù)不同國(guó)家的文化背景做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)于英文電影字幕翻譯，有它自己的特色。字幕是為了讓觀影者了解電影情節(jié)，有文化交際的功能。與此同時(shí)，字幕翻譯的語(yǔ)言一般比較大眾化，在邏輯性與藝術(shù)性等方面有著特殊的要求。

如圖4所示，該機(jī)構(gòu)由氣缸、支撐叉、導(dǎo)向套、支座和氣缸安裝板等部件組成。主要實(shí)現(xiàn)探頭在豎直方向上的固定和軸向定位后的探頭收放功能。同時(shí)由于管坯存在一定的彎曲度，并且管坯外表面形貌存在較大起伏，為了確保測(cè)量過(guò)程中探頭檢測(cè)的有效性，在保證探頭下壓力的前提下，還需其在豎直方向存有一定的浮動(dòng)余量。

圖4　探頭起落定位組件

3．3壓水靴設(shè)計(jì)

壓水靴和探頭組件共同組成了Zr-4合金管坯超聲波測(cè)厚系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，作為測(cè)厚系統(tǒng)的核心部分，密封性是其實(shí)現(xiàn)測(cè)厚功能的關(guān)鍵。文中采用探頭軸向定位后靜止不動(dòng)，管坯旋轉(zhuǎn)定點(diǎn)測(cè)厚的檢測(cè)方法。為了獲得良好的密封效果，減少壓水靴與管壁間的接觸摩擦力，消除探頭在管坯轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)，壓水靴底部應(yīng)做成與被測(cè)管坯相同的圓弧面。

由于探頭儲(chǔ)水腔的容積有限，即使是采用連續(xù)不間斷補(bǔ)水的方式也很難克服因管坯自身彎曲和表面形貌起伏引起的耦合水大量泄漏和儲(chǔ)水腔液位不穩(wěn)現(xiàn)象。壓水靴所采用的密封材料在保證其自身耐磨性的前提下，還需具備良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)密封性。圖5為水靴和密封條。

(a)

(b)

(c)

通過(guò)對(duì)多種耐磨材料的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用如圖5(c)所示的截面尺寸為4 mm×4 mm的方條形白色乳膠條在耐磨性、密封性和彈性等方面均能滿足要求。

圖6為設(shè)計(jì)的Zr-4合金管坯超聲波在線測(cè)厚裝置實(shí)物圖。

圖6　超聲波測(cè)厚裝置

該測(cè)厚裝置安裝在磨頭右方，當(dāng)工件在主軸和尾座上頂緊定位、輔助托輪升起后，即可起動(dòng)在線測(cè)量。首先使測(cè)量裝置放置在工件上方，起動(dòng)噴頭將測(cè)量裝置注滿水。工件與探頭之間不能有氣泡，否則測(cè)出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。測(cè)量的數(shù)據(jù)可直接讀入到數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行處理并生成加工程序。

4　超聲測(cè)厚系統(tǒng)的干擾源及抗干擾措施

超聲測(cè)厚系統(tǒng)的干擾源主要來(lái)自：

(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部元器件在工作時(shí)產(chǎn)生的電阻熱噪聲、分配噪聲和晶體管閃爍噪聲，數(shù)據(jù)采集板卡內(nèi)部電路絕緣不良而產(chǎn)生的漏電耦合干擾，信號(hào)放大電路正反饋時(shí)引起的自激振蕩，信號(hào)線絕緣不良而引入的串模干擾等。這些干擾信號(hào)主要通過(guò)地址線、電源線、信號(hào)線、分布電容和電感等途徑傳播。

(2)外界固定和偶然使用的電氣設(shè)備在工作時(shí)竄入系統(tǒng)內(nèi)的各種干擾。

4．2抗干擾措施

為了全面抑制各種電磁噪聲對(duì)超聲測(cè)厚系統(tǒng)的影響，將從干擾形成的三要素(即干擾源、干擾途徑和對(duì)噪聲敏感性較高的數(shù)據(jù)采集回路)入手，采用接地、屏蔽、濾波、隔離以及測(cè)量數(shù)據(jù)軟件處理等方法，提出實(shí)用的抗干擾措施。

4．2．1數(shù)據(jù)采集板卡的選用

數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，在整個(gè)測(cè)厚系統(tǒng)中起著調(diào)制傳感器(探頭)測(cè)量信號(hào)，信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換以便于后續(xù)軟件調(diào)用和分析數(shù)據(jù)的作用，同時(shí)其還有為超聲探頭提供激勵(lì)信號(hào)的功能。

數(shù)據(jù)采集板卡的好壞直接關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。為得到可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)也便于以后對(duì)系統(tǒng)的拓展和完善。在測(cè)量系統(tǒng)中，選用ZUXS-PC4超聲波測(cè)厚板卡。

4．2．2探頭電纜線的選取

為消除外來(lái)電磁波對(duì)探頭激勵(lì)脈沖及回波脈沖的影響，并防止這種高頻脈沖以電波的形式向外輻射，探頭與板卡間的連線采用如圖7所示的高頻同軸電纜。

圖7　高頻同軸電纜

電纜線的中心是單股銅芯線，芯線的外面是聚乙烯(PE)絕緣層，聚乙烯絕緣層的外面是銅絲編織的屏蔽層，電纜線的最外層是聚氯乙烯(PVC)絕緣外皮。同軸電纜比一般電纜脆弱，彎曲過(guò)大時(shí)容易損壞。因此，在排布探頭電纜線時(shí)要特別注意，應(yīng)將電纜線理順，不可扭折電纜線，更不能使電纜線破損銅芯外露。

4．2．3軟件抗干擾措施

系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有攔截失控程序、增加數(shù)據(jù)安全備份、采用主動(dòng)初始化及數(shù)據(jù)冗余技術(shù)、設(shè)立標(biāo)志判斷、采用片內(nèi)軟“看門狗”與重復(fù)執(zhí)行程序技術(shù)等。

5　結(jié)論

核反應(yīng)堆用Zr-4合金管坯壁厚超聲測(cè)厚系統(tǒng)的研制成功，有效地解決了熱擠壓管坯截面壁厚分布不均、壁厚數(shù)據(jù)難以在線測(cè)量和壁厚分布規(guī)律無(wú)法確定的難題，為成功實(shí)現(xiàn)壁厚自動(dòng)修磨提供了可靠保障。

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