張樹瀟，謝 雪，劉麗麗，羅忠兵，楊會敏，張東輝，林 莉，張貴鋒

(1.大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧大連 116024;2.核工業(yè)工程研究設計有限公司，北京 101601)

0 引言

核反應堆厚壁壓力容器焊縫的無損檢驗對于保證整個核電機組的安全運行起著決定性作用，屬于法規(guī)必檢項目［1］。作為核電站的關鍵部件，對缺陷的定位、定量有更高的精度要求［2］。TOFD具有檢測效率高、缺陷定量精度高的優(yōu)點，近年來得到了越來越廣泛的工程應用［3－6］。由于TOFD是利用缺陷尖端衍射波聲時差來對缺陷進行定量的，當缺陷高度較小時，缺陷上下尖端衍射波的混疊勢必會造成缺陷高度定量困難。在核反應堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測中，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。

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

1 理論基礎

1.1 TOFD檢測系統(tǒng)高度分辨率理論分析

TOFD技術是通過缺陷上下尖端衍射波聲時差對缺陷高度進行定量的，如圖1所示。

圖1 TOFD技術缺陷高度定量示意

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時間，μs

Δt——缺陷上下尖端衍射波聲時差，μs

s——探頭中心間距(PCS)，mm

缺陷上下尖端衍射波的聲時差可以用下式表示:

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

可以看出，當缺陷高度h較小時，缺陷上下尖端衍射波聲時差Δt會減小，當Δt＜脈沖寬度時，就會發(fā)生衍射波混疊現(xiàn)象，導致無法對缺陷高度進行定量［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。

對于某一深度的缺陷，當檢測參數(shù)一定時，通過式(2)即可計算出TOFD檢測系統(tǒng)高度分辨率。核反應堆厚壁壓力容器焊縫通常需要采用多通道進行掃查，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檢測系統(tǒng)高度分辨率是一個分段函數(shù)。以壁厚220 mm的核反應堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測為例，檢測參數(shù)如表 1［10］所示。

表1 厚度220 mm的焊縫TOFD檢測參數(shù)

圖2 厚度220 mm的焊縫TOFD檢測缺陷高度分辨率

將表1中的檢測參數(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)的高度分辨率相對較差。

1.2 利用頻譜分析法對缺陷高度定量原理

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構中時，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薄層結構混疊信號進行處理進而對薄層厚度進行測量這一原理［11－12］，此處對缺陷上下尖端衍射波之間形成的混疊信號進行FFT變換，由于干涉效應導致其幅度譜fn處會出現(xiàn)極大或極小值。

式中 fn——諧振頻率

n——諧振頻率階數(shù)

2 試驗與數(shù)值模擬

2.1 試驗

研究對象為核反應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)，包含多個埋深、孔徑不同的側通孔，經(jīng)測量材料縱波聲速為5936 m/s。試驗采用加拿大某公司生產(chǎn)的DYNARAY多通道超聲檢測儀。檢測參數(shù)見表1。已知在一通道掃查范圍內(nèi)，該試塊包含3個側通孔，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。檢測結果如圖3所示?？梢钥闯?，埋深為22.5 mm，φ3.0 mm的側通孔上下尖端衍射波發(fā)生混疊，無法從B掃圖中直接對其高度進行定量。文中以該缺陷為例，對如何利用頻譜分析法實現(xiàn)缺陷高度定量進行了說明。

圖3 一通道B掃查試驗結果

對B掃圖拋物線頂點處發(fā)生波形混疊的時域信號(見圖4(a))進行頻譜分析，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)，計算得到缺陷上下尖端衍射波聲時差Δt=0.31 μs。結合材料縱波聲速與缺陷上尖端衍射波到達時間，代入式(2)，得到該缺陷高度為3.0 mm，計算結果與缺陷實際高度一致。

圖4 埋深22.5 mm，φ3.0 mm缺陷TOFD試驗結果分析

根據(jù)上述試驗方法，對同種試塊中埋深40.0 mm，φ2.0 mm;埋深80.0 mm，φ2.0 mm 的側通孔分別進行B掃查。缺陷B掃圖與頻譜分析結果分別見圖5，6。讀取諧振峰極值代入式(3)，計算得到兩個側通孔的高度均為2.2 mm。

圖5 埋深40 mm，φ2.0 mm缺陷B掃圖與頻譜分析結果

圖6 埋深80 mm，φ2.0 mm缺陷B掃圖與頻譜分析結果

2.2 數(shù)值模擬

圖7 TOFD模擬波形與試驗波形對比

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軟件對文中提出方法的有效性從數(shù)值模擬角度進行進一步驗證。構建與上述試驗中所用試塊聲學特性相同、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 側通孔的衍射波波形如圖7(b)所示?？梢钥闯觯M波形與試驗波形吻合度高，表明利用CIVA軟件進行TOFD數(shù)值模擬具有較高的可靠性。

為進一步驗證該方法對埋深較大的缺陷高度進行定量的有效性，利用CIVA軟件對埋深182.0 mm，φ2.0 mm的側通孔進行數(shù)值模擬。該缺陷的B掃查結果如圖8(a)所示，可看出，缺陷上下尖端衍射波發(fā)生了混疊。對其B掃圖拋物線頂點處時域信號進行頻譜分析(見圖8(b))，經(jīng)計算缺陷高度為2.0 mm，與實際高度一致。

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

3 分析與討論

如上所述，圖2從理論角度分析了壁厚220 mm的核反應堆壓力容器TOFD檢測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檢測缺陷高度分辨率的提高效果

根據(jù)式(2)，對于埋深為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現(xiàn)了對高度為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，當缺陷位于第4厚度分區(qū)時，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堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測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，通常為標稱頻率的2倍。當Δt＜1/2f時，諧振頻率不能出現(xiàn)在有效頻帶范圍內(nèi)，這便導致了頻譜分析法不再適用，對于這一區(qū)域還需要尋求新的解決辦法。

4 結語

首先對TOFD檢測的缺陷高度分辨率進行理論分析，為核反應堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測中系統(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缺陷高度小于系統(tǒng)分辨率時，缺陷上下端波形混疊造成的無法對缺陷高度進行定量的問題;從試驗與數(shù)值模擬的角度表明了該方法的有效性。預計該方法在核反應堆厚壁壓力容器焊縫TOFD檢測中具有較好的工程應用價值。

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