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(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)對于保證整個核電機(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(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差來對缺陷進(jìn)行定量的，當(dāng)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(yīng)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(yīng)堆壓力容器焊縫TOFD檢測系統(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)生混疊的時域信號中提取出缺陷上下尖端衍射波的聲時差，從而實(shí)現(xiàn)對缺陷高度的定量。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檢測缺陷高度分辨率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 TOFD檢測系統(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差對缺陷高度進(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(jì)研究專業(yè)委員會、低碳經(jīng)濟(jì)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(jì)與創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)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(jì)系統(tǒng)分析專業(yè)委員會。

可以看出，當(dāng)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(dāng)Δt＜脈沖寬度時，就會發(fā)生衍射波混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致無法對缺陷高度進(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。

對于某一深度的缺陷，當(dāng)檢測參數(shù)一定時，通過式(2)即可計(jì)算出TOFD檢測系統(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(yīng)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。可以看出，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)混疊信號進(jìn)行處理進(jìn)而對薄層厚度進(jìn)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(jìn)行FFT變換，由于干涉效應(yīng)導(dǎo)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(yàn)與數(shù)值模擬

2.1 試驗(yàn)

研究對象為核反應(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)，包含多個埋深、孔徑不同的側(cè)通孔，經(jīng)測量材料縱波聲速為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(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掃圖中直接對其高度進(jìn)行定量。文中以該缺陷為例，對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B掃圖拋物線頂點(diǎn)處發(fā)生波形混疊的時域信號(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(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。可以看出，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)證該方法對埋深較大的缺陷高度進(jìn)行定量的有效性，利用CIVA軟件對埋深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。對其B掃圖拋物線頂點(diǎn)處時域信號進(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(shí)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(dāng)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(yīng)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(biāo)稱頻率的2倍。當(dāng)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(dǎo)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(jié)語

首先對TOFD檢測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，缺陷上下端波形混疊造成的無法對缺陷高度進(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檢測中具有較好的工程應(yīng)用價值。

［1］許遠(yuǎn)歡，聶勇.核電站反應(yīng)堆壓力容器焊縫的超聲檢測及驗(yàn)證［J］.壓力容器，2013，30(6):50－55.

［2］張俊，丁輝，王中亞，等.核電站關(guān)鍵部件超聲檢測計(jì)算分析系統(tǒng)［J］.核動力工程，2009(6):112－116.

［3］SILK M G.Sizing crack like defects by ultrasonic means.Research Techniques in Non－destructive Testing［M］.London:Academic Press，1977.

［4］GANG Tie，CHI Dazhao.Novel approach to the enhancement of ultrasonic TOFD B－scan image for the measurement of weld crack［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2007，12(1):87－93.

［5］CHARLESWORTHJP，TEMPLEJ.Engineering Applications of Ultrasonic Time－of－Flight Diffraction［M］.2nd ed US:Research Studies Press Ltd，2001.

［6］張平.超聲衍射時差檢測技術(shù)在中國的應(yīng)用進(jìn)展［J］.無損檢測，2008，30(7):397－402.

［7］金南輝，成德芳，牟彥春.TOFD檢測技術(shù)在壓力容器定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用前景［J］.壓力容器，2009，26(6):59－62.

［8］李衍.薄板試件的超聲TOFD法缺陷定量和成像［J］.無損探傷，2005，29(5):1－5.

［9］CHI Dazhao，GANG Tie.Shallow buried defect testing method based on ultrasonic TOFD［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2013，32(2):164－171.

［10］NB/T 47013.10—2010，承壓設(shè)備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測［S］.

［11］趙揚(yáng).超聲體波聲壓反射系數(shù)譜表征表面涂層研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［12］ZHAO Y，LIN L，LI X M，et al.Simultaneous determination of the coating thickness and its longitudinal velocity by ultrasonic nondestructive method［J］.NDT ＆ E International，2010，43(7):579－585.