核用锆合金管材的超声波检测.docx

核用锆合金管材的超声波检测李恒羽,袁改焕,王德华(西北锆管有限责任公司,宝鸡721014)UltrasonicTestingforZirconiumAlloyTubeAppliedinReactorLIHeng2Yu,YUANGai2Huan,WANGDe2Hua(NorthwestZircocladdingCo.Ltd,Baoji721014,China)中图分类号:TG115.28文献标识码:B文章编号:100026656(2008)0420255203核用锆合金包壳管作为核燃料的包覆材料,起着防止核产物外逸的重要作用,而包壳管的壁厚却不足1mm,因此对其内在质量和几何尺寸要求格外严格,一般要求管材中不能存在超过壁厚5%～10%深度当量的缺陷,尺寸控制公差为30～40μm。目前在包壳管材的生产过程中,超声波检测是保证产品质量、减少组件破损率的重要手段。随着超声波检测技术的发展,不仅可检测管材缺陷,还可测量管材的尺寸。文章以10mm×0.7mm核用锆合金管材为例,介绍采用超声波技术检测核用锆合金管材的方法。Di———管材的内径;Do———管材的外径。为使声波对管材的内壁和外壁具有相近的检测灵敏度,通常将管材中的横波折射角调整为45°。对10mm×0.7mm锆合金管材来说,入射角约为27°时,可在管材中产生折射角为45°的纯横波。1.2管材尺寸测量[2]测试装置如图1所示,两个性能尽可能一致的点聚焦探头分别置于管材两侧,并且位于管材的中心轴线上。采用水作耦合剂。测量时,探头围绕管材高速旋转,管材直线前进。两个探头同时发出超声波到管材表面,一部分声波被管表面反射,另一部分声波进入到管壁中,并在管壁中形成多次反射回波。由被管表面直接反射回去的那部分声波,可计算得到实际的水距值,而由管壁中所形成的多次反射回波,就可计算得到管材的实际壁厚值。1检测原理1.1管材缺陷检测10mm×0.7mm核用锆合金管材属于小径薄壁管。由于外径小,曲率大,探头难以与管材表面直接耦合,为防止声束在管壁产生发散,通常采用超声波水浸聚焦检测技术[1]。在管材中产生纯横波,且横波能达到管材的内外壁,超声波的入射角α必须满足:C水C水Disinα·(1)CL管CS管Do式中C水———水中的纵波声速;CL管———管材中的纵波声速;CS管———管材中的横波声速;图1两探头组合的管材尺寸测量原理图由图1可得,管材的内外直径可表示为:Do=L-L1-L2Di=L-L1-L2-W1-W2实际应用时需解决的问题有:收稿日期:2007201208作者简介:李恒羽(1971-),男,工程硕士,高级工程师,从事无损检测技术工作。(2)(3)2008年第30卷第4期255NDT无损检测李恒羽等:核用锆合金管材的超声波检测(1)水中声速的温度补偿问题。水中超声波速度受水温影响较大,它会影响到管材内外径的计算。采用一个到探头距离固定的反射体,探头发出的声为了利用焦柱来进行检测,水程距离应等于探头的焦距[4]。为避免声波在管壁内来回反射时造成干扰,影响检测效果,要求焦柱的宽度小于管材壁厚的一半,同时焦柱长度要适当。为此对小径薄壁管进行检测时,一般选F/D=2～4[5],探头的焦距为20mm,晶片尺寸为6mm,线聚焦,对管材100%检验。而对尺寸测量来说,应进一步减小焦柱宽度,增强声束能量,提高检测分辨力和测量精度,因此探头焦距选为30mm,晶片尺寸为10mm,聚焦方式为点聚焦。薄壁管材的检测频率为5～20MHz。由式(4)和(5)可知,提高检测频率,可减小焦柱宽度,改善聚焦效果,提高对小缺陷的检测能力。确定10mm×0.7mm核用锆合金管材的缺陷检测时探头频率为15MHz,尺寸检测时探头频率为17MHz。3.2检测工艺参数检测工艺参数有:探头的旋转速度、管材的前进速度和仪器的重复频率。为保证检验的可靠性,实现对管材的100%检验,扫查区域必须有10%的覆盖。为此探头的旋转速度定为4000转/min,管材的前进速度为6m/min,即检验螺距为1.5,覆盖率为62.5%。仪器的重复频率f为[6]:波到反射体之间的传播时间为Tc。如果声速受水温的影响而发生变化,那么Tc也发生变化。因此可通过监控该组件实时地修正水中声速。(2)影响材料中声速的因素很多,可采用同一工艺条件生产的同规格管材加工制作成为对比样管,经精确计量后来校准仪器,以消除各个因素对声速的影响。(3)检测时,探头将围绕管材高速旋转,在离心力作用下,两个检测探头间的距离会发生变化,从而影响到尺寸的测量值。故需用一支已知外径尺寸的参考样管来校准仪器,修正两检测探头间的距离。通常可将壁厚样管与外径样管加工成同一支管。检测准备22.1对比试样的制作2.1.1参考人工缺陷对比试样为在管材的内外壁用电火花刻制了纵横向的U型人工槽,尺寸为0.0