張樹瀟，謝 雪，劉麗麗，羅忠兵，楊會(huì)敏，張東輝，林 莉，張貴鋒

(1.大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116024;2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101601)

0 引言

核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫的無損檢驗(yàn)對(duì)于保證整個(gè)核電機(jī)組的安全運(yùn)行起著決定性作用，屬于法規(guī)必檢項(xiàng)目［1］。作為核電站的關(guān)鍵部件，對(duì)缺陷的定位、定量有更高的精度要求［2］。TOFD具有檢測(cè)效率高、缺陷定量精度高的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了越來越廣泛的工程應(yīng)用［3－6］。由于TOFD是利用缺陷尖端衍射波聲時(shí)差來對(duì)缺陷進(jìn)行定量的，當(dāng)缺陷高度較小時(shí)，缺陷上下尖端衍射波的混疊勢(shì)必會(huì)造成缺陷高度定量困難。在核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)中，由于通常需要采用較大的探頭中心間距(Probe Centre Separation，PCS)與較低的探頭頻率，因此，缺陷衍射波混疊造成的高度定量困難的問題尤為突出。

文中針對(duì)壁厚220 mm的核反應(yīng)堆壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)系統(tǒng)的高度分辨率進(jìn)行理論分析，提出基于傅里葉變換的頻譜分析法，從發(fā)生混疊的時(shí)域信號(hào)中提取出缺陷上下尖端衍射波的聲時(shí)差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷高度的定量。利用該方法能夠有效提高核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)缺陷高度分辨率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 TOFD檢測(cè)系統(tǒng)高度分辨率理論分析

TOFD技術(shù)是通過缺陷上下尖端衍射波聲時(shí)差對(duì)缺陷高度進(jìn)行定量的，如圖1所示。

圖1 TOFD技術(shù)缺陷高度定量示意

缺陷高度可用下式表示［7］:

式中 h——缺陷高度，mm

c——材料縱波聲速，m/s

t——缺陷上尖端衍射波到達(dá)時(shí)間，μs

Δt——缺陷上下尖端衍射波聲時(shí)差，μs

s——探頭中心間距(PCS)，mm

缺陷上下尖端衍射波的聲時(shí)差可以用下式表示:

研究會(huì)從最初四個(gè)亞太地區(qū)專業(yè)委員會(huì)、歐亞大陸橋?qū)I(yè)委員會(huì)、決策支持系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)、山海開發(fā)研究專業(yè)委員會(huì)，發(fā)展到現(xiàn)在九個(gè)專業(yè)委員會(huì)：中國亞太研究會(huì)、人口健康與長壽專業(yè)委員會(huì)、國家安全戰(zhàn)略與國防經(jīng)濟(jì)研究專業(yè)委員會(huì)、低碳經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)研究專業(yè)委員會(huì)、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃研究專業(yè)委員會(huì)、決策支持系統(tǒng)研究專業(yè)委員會(huì)、分享經(jīng)濟(jì)與創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究專業(yè)委員會(huì)、文化產(chǎn)業(yè)研究專業(yè)委員會(huì)、智能社會(huì)與智能經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)分析專業(yè)委員會(huì)。

可以看出，當(dāng)缺陷高度h較小時(shí)，缺陷上下尖端衍射波聲時(shí)差Δt會(huì)減小，當(dāng)Δt＜脈沖寬度時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射波混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致無法對(duì)缺陷高度進(jìn)行定量［8］。通過減小探頭中心間距 s，提高探頭頻率可以改善這一現(xiàn)象［9］，但衍射波混疊現(xiàn)象仍無法避免。

對(duì)于某一深度的缺陷，當(dāng)檢測(cè)參數(shù)一定時(shí)，通過式(2)即可計(jì)算出TOFD檢測(cè)系統(tǒng)高度分辨率。核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫通常需要采用多通道進(jìn)行掃查，探頭中心間距與探頭頻率都是隨厚度分區(qū)變化的，因此TOFD檢測(cè)系統(tǒng)高度分辨率是一個(gè)分段函數(shù)。以壁厚220 mm的核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)為例，檢測(cè)參數(shù)如表 1［10］所示。

表1 厚度220 mm的焊縫TOFD檢測(cè)參數(shù)

圖2 厚度220 mm的焊縫TOFD檢測(cè)缺陷高度分辨率

將表1中的檢測(cè)參數(shù)代入式(2)，得到不同厚度分區(qū)中系統(tǒng)高度分辨率隨缺陷埋深變化的函數(shù)曲線，如圖2所示?？梢钥闯?，對(duì)于第4厚度分區(qū)，由于采用較大的探頭中心間距及較低的探頭頻率，系統(tǒng)的高度分辨率相對(duì)較差。

1.2 利用頻譜分析法對(duì)缺陷高度定量原理

缺陷上下尖端衍射波混疊現(xiàn)象與聲束垂直入射到含有薄層的多界面結(jié)構(gòu)中時(shí)，薄層表面反射回波與薄層和基體界面之間的反射回波因聲時(shí)差過小發(fā)生波形混疊類似，存在干涉現(xiàn)象。參照利用頻譜分析方法對(duì)薄層結(jié)構(gòu)混疊信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)而對(duì)薄層厚度進(jìn)行測(cè)量這一原理［11－12］，此處對(duì)缺陷上下尖端衍射波之間形成的混疊信號(hào)進(jìn)行FFT變換，由于干涉效應(yīng)導(dǎo)致其幅度譜fn處會(huì)出現(xiàn)極大或極小值。

式中 fn——諧振頻率

n——諧振頻率階數(shù)

2 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

2.1 試驗(yàn)

研究對(duì)象為核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫模擬試塊，材質(zhì)為45#鋼，尺寸480 mm×210 mm×220 mm(長×寬×高)，包含多個(gè)埋深、孔徑不同的側(cè)通孔，經(jīng)測(cè)量材料縱波聲速為5936 m/s。試驗(yàn)采用加拿大某公司生產(chǎn)的DYNARAY多通道超聲檢測(cè)儀。檢測(cè)參數(shù)見表1。已知在一通道掃查范圍內(nèi)，該試塊包含3個(gè)側(cè)通孔，位置與孔徑分別為:埋深7.5 mm，φ2.5 mm;埋深 22.5 mm，φ 3.0 mm;埋深 45.0 mm，φ4.5 mm。檢測(cè)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯裆顬?2.5 mm，φ3.0 mm的側(cè)通孔上下尖端衍射波發(fā)生混疊，無法從B掃圖中直接對(duì)其高度進(jìn)行定量。文中以該缺陷為例，對(duì)如何利用頻譜分析法實(shí)現(xiàn)缺陷高度定量進(jìn)行了說明。

圖3 一通道B掃查試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)B掃圖拋物線頂點(diǎn)處發(fā)生波形混疊的時(shí)域信號(hào)(見圖4(a))進(jìn)行頻譜分析，得到幅度譜如圖4(b)所示。將幅度譜中諧振頻率f2=3.17 MHz，f4=6.25 MHz代入式(3)，計(jì)算得到缺陷上下尖端衍射波聲時(shí)差Δt=0.31 μs。結(jié)合材料縱波聲速與缺陷上尖端衍射波到達(dá)時(shí)間，代入式(2)，得到該缺陷高度為3.0 mm，計(jì)算結(jié)果與缺陷實(shí)際高度一致。

圖4 埋深22.5 mm，φ3.0 mm缺陷TOFD試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，對(duì)同種試塊中埋深40.0 mm，φ2.0 mm;埋深80.0 mm，φ2.0 mm 的側(cè)通孔分別進(jìn)行B掃查。缺陷B掃圖與頻譜分析結(jié)果分別見圖5，6。讀取諧振峰極值代入式(3)，計(jì)算得到兩個(gè)側(cè)通孔的高度均為2.2 mm。

圖5 埋深40 mm，φ2.0 mm缺陷B掃圖與頻譜分析結(jié)果

圖6 埋深80 mm，φ2.0 mm缺陷B掃圖與頻譜分析結(jié)果

2.2 數(shù)值模擬

圖7 TOFD模擬波形與試驗(yàn)波形對(duì)比

鑒于厚壁焊縫模擬試塊的制作周期長、人工反射體加工難度較大。利用CIVA軟件對(duì)文中提出方法的有效性從數(shù)值模擬角度進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。構(gòu)建與上述試驗(yàn)中所用試塊聲學(xué)特性相同、所含缺陷一致的物理模型。得到模擬聲源波形如圖 7(a)所示，埋深 22.5 mm，φ3.0 mm 側(cè)通孔的衍射波波形如圖7(b)所示?？梢钥闯?，模擬波形與試驗(yàn)波形吻合度高，表明利用CIVA軟件進(jìn)行TOFD數(shù)值模擬具有較高的可靠性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法對(duì)埋深較大的缺陷高度進(jìn)行定量的有效性，利用CIVA軟件對(duì)埋深182.0 mm，φ2.0 mm的側(cè)通孔進(jìn)行數(shù)值模擬。該缺陷的B掃查結(jié)果如圖8(a)所示，可看出，缺陷上下尖端衍射波發(fā)生了混疊。對(duì)其B掃圖拋物線頂點(diǎn)處時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析(見圖8(b))，經(jīng)計(jì)算缺陷高度為2.0 mm，與實(shí)際高度一致。

圖8 埋深182.0 mm，φ2.0 mm缺陷TOFD數(shù)值模擬結(jié)果

3 分析與討論

如上所述，圖2從理論角度分析了壁厚220 mm的核反應(yīng)堆壓力容器TOFD檢測(cè)中缺陷高度分辨率隨缺陷埋深變化的函數(shù)曲線。圖9示出了采用頻譜分析法對(duì)缺陷高度分辨率的提高程度。

圖9 采用頻譜分析法后TOFD檢測(cè)缺陷高度分辨率的提高效果

根據(jù)式(2)，對(duì)于埋深為22.5 mm的缺陷，系統(tǒng)高度分辨率為5.1 mm，利用頻譜分析法后實(shí)現(xiàn)了對(duì)高度為3.0 mm缺陷的高度定量，且缺陷高度分辨率最高可提高至1.0 mm;對(duì)于埋深為182.0 mm的缺陷，利用頻譜分析法可將缺陷高度分辨率從4.5 mm提高至2.0 mm，且缺陷高度分辨率最高可提高至1.1 mm，如圖9中虛線所示。

可以看出，當(dāng)缺陷位于第4厚度分區(qū)時(shí)，缺陷高度分辨率提高的程度較大。因此，利用頻譜分析法解決核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)中缺陷高度定量的問題，具有更為突出的效果。但是由于探頭頻帶寬度有限，通常為標(biāo)稱頻率的2倍。當(dāng)Δt＜1/2f時(shí)，諧振頻率不能出現(xiàn)在有效頻帶范圍內(nèi)，這便導(dǎo)致了頻譜分析法不再適用，對(duì)于這一區(qū)域還需要尋求新的解決辦法。

4 結(jié)語

首先對(duì)TOFD檢測(cè)的缺陷高度分辨率進(jìn)行理論分析，為核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)中系統(tǒng)高度分辨率的判定提供了理論依據(jù);提出利用頻譜分析法解決當(dāng)缺陷高度小于系統(tǒng)分辨率時(shí)，缺陷上下端波形混疊造成的無法對(duì)缺陷高度進(jìn)行定量的問題;從試驗(yàn)與數(shù)值模擬的角度表明了該方法的有效性。預(yù)計(jì)該方法在核反應(yīng)堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測(cè)中具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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