邢耀淇，高佳楠，陳以方

(1.清華大學(xué) 機械工程系無損檢測實驗室，北京 100084；2.中核包頭核燃料元件股份有限公司，包頭 014035)

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超聲近場導(dǎo)波在薄壁管檢測中的應(yīng)用

邢耀淇1，高佳楠2，陳以方1

(1.清華大學(xué) 機械工程系無損檢測實驗室，北京 100084；2.中核包頭核燃料元件股份有限公司，包頭 014035)

摘要：針對AP1000核燃料包殼管的檢測需求，基于超聲近場導(dǎo)波的檢測原理，提出了一種評價薄壁管質(zhì)量的方法，并通過超聲特征成像圖對缺陷信息進行描述。構(gòu)建的檢測系統(tǒng)能對裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷進行檢測，減少了漏檢與誤檢，檢測能力達到了壁厚3%的水平，定位定量誤差均小于0.2 mm。結(jié)果表明,超聲導(dǎo)波適用于高能耗包殼管的無損檢測。

關(guān)鍵詞：近場導(dǎo)波；聚焦探頭；薄壁管；超聲成像

超聲導(dǎo)波是在規(guī)則聲導(dǎo)體(可忽略材料和邊界耗散聲能的物體)中能遠距離傳播的超聲波，它滿足波動方程和邊界條件。邊界的波形轉(zhuǎn)換和全反射，將聲能約束在波包之內(nèi)，使得超聲導(dǎo)波具有超長距離傳播的特殊性能。圖1是水平剪切導(dǎo)波在薄板中傳播的光彈照片，圖中超聲波經(jīng)斜塊進入薄板后向上下兩側(cè)擴散，繼而受到邊界的約束產(chǎn)生反射與波型轉(zhuǎn)換，然后折回板中，前向聲波得到干涉加強。超聲導(dǎo)波具有頻散小、衰減小、背景噪聲小的傳播性能，適用于板材和管棒材的檢測[1-4]。目前，超聲導(dǎo)波的應(yīng)用局限于低頻、遠場范圍，檢測靈敏度和分辨率較低，只能檢出大當量缺陷，并且定位、定量精度不夠高。

圖1　薄板中水平剪切導(dǎo)波傳播光彈照片

AP1000核燃料包殼管(簡稱鋯管)是防止核燃料泄露的第一道屏障，管體的質(zhì)量要求很高。由于加工工藝不完善，鋯管中會小概率地出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜、分層、折疊等缺陷[5]。針對其壁薄，小當量缺陷的特征，筆者提出了一種超聲近場導(dǎo)波檢測方法對其進行檢測(結(jié)果見表1)?？梢姡錂z測范圍相對較小，但缺陷的定位定量精度很高，檢測能力達到了管材探傷中的最高標準——航空不銹鋼管的損傷檢出標準(不銹鋼管中的最高等級L1)，表1中航空不銹鋼管的數(shù)據(jù)源自GB/T 5777-2008《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》。

表1　鋯管損傷檢出能力與航空不銹鋼管

1薄壁管的近場導(dǎo)波檢測原理

在管內(nèi)材料是均勻線性彈性介質(zhì)的情況下，管中超聲波滿足如下微分方程：

(1)

(2)

式中:φ為位移標量勢;H為位移矢量勢;cl，ct分別為縱波和橫波的傳播速度。

質(zhì)點位移矢量u可以分解成位移標量勢φ的梯度和位移矢量勢H的旋度，φ和H分別滿足(1)(2)兩式，也就是縱波和橫波的控制方程：

(3)

近場區(qū)的窄脈沖超聲導(dǎo)波信號強度大，分辨能力高，適合于薄壁管缺陷的定位定量分析。研究近場導(dǎo)波檢測原理時，可以將薄壁管簡化為薄板，并將板中導(dǎo)波的形成分為導(dǎo)入和傳播兩部分。通常，板中導(dǎo)波呈現(xiàn)縱波與橫波相互轉(zhuǎn)化和耦合共存的傳播形態(tài)[6]，波列較長，信號模態(tài)復(fù)雜。調(diào)整聲波入射角，使折射的縱波完全彌散，從而獲得純橫波導(dǎo)波。橫波導(dǎo)波的導(dǎo)入機制為：橫波斜入射至半無限大固體空間內(nèi)；傳播機制為：橫波斜入射至無限大自由界面，不斷產(chǎn)生鏡面全反射，折線前行。

圖2　純橫波導(dǎo)波物理模型

圖2為橫波導(dǎo)波在無限大薄板內(nèi)導(dǎo)入與傳播的物理模型，薄板(板厚為d)兩側(cè)為真空，不存在聲波的傳播機制。無限大界面上的自由應(yīng)力邊界條件為：

(4)

橫波按振動方向可分為SV波和SH波，其中SV波的振動方向與傳播面(紙面)平行，這里僅對SV波進行論述。按其導(dǎo)入機制，沿r方向折射的SV波有如下振動表達式：

(5)

(6)

式中:Hz為位移矢量勢H在z方向的分量;ux，uy分別為u在x,y方向的分量。ω為SV波圓頻率;k=ω/ct，為SV波的波數(shù);A為波的振幅;kx=ksinθ，ky=kcosθ。折射角θ>arcsin(ct/cl)。

折射橫波到達下界面時，將產(chǎn)生反射縱波與反射橫波。三者在邊界處的綜合應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)滿足式(4)的邊界條件。由于橫波入射角θ>arcsin(ct/cl)，反射縱波以表面波形式傳播，稱為彌散縱波，其振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減[7]；反射橫波以反射角θ傳播；通常將這一反射模式稱為全反射。反射橫波到達上界面時，再次發(fā)生全反射，產(chǎn)生新的彌散縱波和反射橫波，不斷前行。彌散縱波在板中的振動可忽略不計，板中導(dǎo)波即近似為純橫波導(dǎo)波。

鑒于邊界的鏡面全反射，對式(6)的體波解加入全反射邊界調(diào)制，薄板中沿折線傳播的SV波位移解(x,y方向)為：

(7)

式中：n=1,3,5…。n的多值使得板內(nèi)同一位置常常會有若干個位移量相疊加。

有必要指出：上述模型是建立在無限時空基礎(chǔ)上的。只有無限寬波陣面，無限長波列的導(dǎo)波才具備上述通解。實際檢測波的聲束寬度和波列長度都是有限的，超聲波及區(qū)域和相干區(qū)域也是有限的。因此，上述位移解只能反映檢測聲束中心的波動情況。對于確定波列長度，聲束寬度和指向角的近場區(qū)窄脈沖超聲導(dǎo)波，可以獲得數(shù)值解從而解調(diào)出導(dǎo)波傳播時的相位信息和振幅信息。

基于上述模型，提出了薄壁圓管的超聲導(dǎo)波檢測方法。圖3是周向?qū)Рń鼒鰠^(qū)檢測示意。探頭：中心頻率10 MHz，帶寬100%，焦距20 mm，水浸聚焦[8]。將導(dǎo)波在管內(nèi)的第N次反射波稱為N次波，N=1,2,3…。可使用1，3，5次波對內(nèi)壁缺陷進行檢測，2，4，6次波對外壁缺陷檢測。檢測方式為一發(fā)一收或者自發(fā)自收。對于內(nèi)壁小裂紋，將探頭焦點調(diào)至1次波或3次波位置，采用單探頭自發(fā)自收的檢測方法，可以獲得較高的檢測精度?？v向?qū)Рz測原理與之相同。

圖3　周向?qū)Рń鼒鰠^(qū)檢測方法示意

2超聲特征成像檢測原理

待檢鋯管外徑9.5 mm，內(nèi)徑8.36 mm，壁厚0.57 mm。按圖3所示方法進行檢測，對超標回波信號進行報警，可以分選出不合格鋯管，但無法對缺陷類型、大小和位置作出準確判斷。為此，設(shè)計了一套超聲特征成像檢測系統(tǒng)。

檢測系統(tǒng)采用探頭螺旋運動的掃查方式進行聲成像。如圖4所示，預(yù)先在計算機中構(gòu)造出M×N的網(wǎng)格圖，M代表探頭旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，N代表探頭每轉(zhuǎn)一圈的掃查次數(shù)。檢測時探頭繞鋯管軸線螺旋前進，每轉(zhuǎn)動一個小角度，激勵一次超聲進行檢測。抽取全波列信號的特征值，在對應(yīng)的網(wǎng)格中用顏色深淺表示其大小。特征值可以選擇為缺陷回波信號的幅值或相位，分別對應(yīng)缺陷的幅值圖和深度圖。為了保證管內(nèi)待檢區(qū)域的全覆蓋，探頭螺旋轉(zhuǎn)動的螺距設(shè)為0.2 mm，一周掃查次數(shù)N設(shè)為120，得出管內(nèi)壁形成的掃查網(wǎng)格為0.2 mm×0.22 mm，超聲覆蓋率達到200%，從而達到了管內(nèi)待檢區(qū)域全覆蓋的要求。

圖4　超聲特征成像檢測的掃查方式及原理示意

3試驗結(jié)果分析

利用超聲特征成像檢測系統(tǒng)分別對內(nèi)壁圓底孔及V型槽進行了檢測。圖5是圓底孔的尺寸、周向?qū)Рǚ党上袷疽饧安ㄐ螆D。其中波形圖(圖5(c))設(shè)置了一個矩形閘門：閘門寬度對應(yīng)抽取特征值的信號區(qū)域，閘門高度對應(yīng)超標信號閾值，超出閾值的信號在成像圖(圖5(b))中用黑色表示，未達到閾值的信號用不同灰度表示。預(yù)先調(diào)節(jié)閘門寬度使其涵蓋1，3，5次回波信號可能出現(xiàn)的位置，獲得成像圖(圖5(b))。成像圖中缺陷信號分成三片區(qū)域，分別代表探頭轉(zhuǎn)動時5次波，3次波以及1次波對同一個圓底孔的檢測結(jié)果。圖5(c)所示三幅波形圖則是對應(yīng)的全波列信號，可見隨著探頭的轉(zhuǎn)動，回波幅值逐漸增大，相位逐漸靠前，這與圖3中的周向?qū)Рz測原理是一致的。

圖5　圓底孔的尺寸、周向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D

圖6是周向V型槽的尺寸、縱向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D，其分析同圖5。通過圖5，6的成像圖可以很容易判斷管內(nèi)是否存在缺陷。當管內(nèi)存在缺陷時，尋找成像圖中回波幅值最大的網(wǎng)格，記錄該點坐標和回波幅值的準確數(shù)值，可以對缺陷進行定位定量分析。定位誤差取決于掃查密度，達到0.2 mm。對同一根管多次檢測并統(tǒng)計回波幅值，得出定量誤差不超過0.2 mm，對槽狀缺陷的定量誤差甚至能達到0.02 mm。檢測系統(tǒng)擁有200%以上的覆蓋率，配合周向與縱向?qū)Рㄍ瑫r檢測，杜絕了漏檢的發(fā)生；檢測人員通過成像圖可以辨別缺陷信號和干擾信號，杜絕了誤檢的發(fā)生。

圖6　周向V型槽的尺寸、縱向?qū)Рǔ上袷疽饧安ㄐ螆D

為了分析系統(tǒng)的檢測能力，對若干根帶有不同缺陷的樣品進行了試驗，檢測結(jié)果如表2所示。通常信噪比達到6 dB，也就是信號與噪聲的幅值比不低于2即認為能檢出缺陷。從表2可分析得出，該方法的檢測能力完全可以達到壁厚3%的水平，甚至更高。

表2　不同缺陷樣品的信噪比對比

實際檢測中常常需要避開表面粗糙、晶粒粗大等區(qū)域。粗糙表面的表面回波會進入1次波信號區(qū)域，采用3次波檢測即可解決這一問題。晶粒粗大會使回波信號中出現(xiàn)“草”狀波，通過信號處理積分處理，頻域分析[9]等方法可以濾除噪聲干擾，有效地檢出裂紋、氣孔等目標缺陷。另外，檢測中也常常希望對缺陷類型加以識別。從幅值成像圖可發(fā)現(xiàn)，縱向?qū)Р軌蜃R別孔類和周向裂紋類缺陷，周向?qū)Р▌t能夠識別孔類和縱向裂紋類缺陷，即可以初步對缺陷類型進行識別。然后，進一步提取全波列信號特征，結(jié)合特定的算法，可以在一定程度上重構(gòu)缺陷形貌。

4結(jié)論

提出了一種超聲近場導(dǎo)波檢測成像方法，構(gòu)建了薄壁管超聲特征成像檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1) 能對壁厚低至0.5 mm的薄壁管進行檢測，檢測能力達到壁厚的3%，減少了漏檢與誤檢。定位定量誤差均優(yōu)于0.2 mm。

(2) 檢測時可以避開表面粗糙、晶粒粗大等引起的干擾，有效地檢出裂紋、氣孔等目標缺陷。分析全波列信號，能對缺陷類型加以識別。

(3) 自動記錄全波列信號，生成產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。對管材質(zhì)量有異議時，可及時追溯。同時允許技術(shù)人員對全波列信號進行后期處理與分析，對諸如管材圓度，晶粒粗大等管材質(zhì)量問題做出評價。

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Application of Ultrasonic Near-filed Guided Wave in Thin-walled Tube

XING Yao-qi1, GAO Jia-nan2, CHEN Yi-fang1

(1.Nondestructive Testing Laboratory, School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;

2.China Baotou Nuclear Fuel Co., Ltd., Baotou 014035, China)

Abstract：To meet the testing requirements of AP1000 nuclear fuel cladding tube, based on ultrasonic near-field guided wave principle, this paper proposes a method to evaluate the quality of thin-walled tube. Defect information is shown in the form of ultrasonic feature image. The test system can detect the defects in the tube, such as cracks, gas porosity, inclusions, lamination and folding defects, thus completely avoiding the occurrence of leak or mistakenly testing. The applicable minimum defect equivalent can reach 3% of wall thickness. Besides that, we can get the location and equivalent of the defects with an accuracy of 0.2mm. In conclusion, ultrasonic guided wave is suitable for the nondestructive evaluation of high energy consumption cladding tube.

Key words:Near-field guided wave; Focusing probe; Thin-walled tube; Ultrasonic imaging

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0005-04

DOI:10.11973/wsjc201602002

作者簡介：邢耀淇(1990-),男，碩士研究生，研究方向為超聲無損檢測。

收稿日期：2015-04-29