雙層管間隙測量難題看超聲檢測如何解決

國際熱核實驗堆(ITER)作為世界上第一個熱核聚變實驗堆，其目標是為未來聚變示范堆(DEMO)的設計和建造提供技術和數(shù)據(jù)基礎。ITER裝置上專門留有試驗包層窗口，用于開展包層的系統(tǒng)運行、控制試驗、產氚、排熱、中子輻照特性及材料相容性等功能性試驗研究，其對于DEMO聚變堆的發(fā)展至關重要，也是中方加入ITER計劃所要掌握的關鍵技術。中方負責的氦冷陶瓷增殖劑氚試驗包層模塊(HCCBTBM)的試驗包層系統(tǒng)由TBM-set[包括TBM(試驗包層模塊)本體模塊和屏蔽塊]、氦冷卻系統(tǒng)、冷卻劑凈化系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)等組成。其中，屏蔽塊不僅用于屏蔽中子，同時與TBM框架等其他部件共同構成ITER裝置的真空邊界，是包層系統(tǒng)的關鍵部件之一。TBM屏蔽塊由法蘭、隔板、外框架、后板、管道等構成，其中有5根管道采用雙層管的設計，如圖1所示，內管、外管以及管外的工況各不相同。圖1屏蔽塊內管道布置示意及雙層管三維模型介質在輸運過程中，內管會發(fā)生膨脹與振動，造成內外管的同軸度偏差，同時由于工況原因，內外管壁嚴禁相互觸碰，因而設計對內外管之間的間隙尺寸提出了較高的精度要求。這種特殊的雙層管結構的間隙該如何測量呢？今天我們來介紹一種填充介質的超聲檢測方法。屏蔽塊內雙層管的測量方法屏蔽塊內的呈“幾”字形及“S”形彎曲的雙層管是一種較新穎的設計，目前沒有見到類似結構的設計，其間隙尺寸的測量沒有直接可用的方法參照。根據(jù)結構形式，有以下幾種尺寸測量方法：

游標卡尺直接測量間距游標卡尺應用于內徑的尺寸測量精度高，但是測量范圍有限，可用于雙層管的間隙測量，但只能滿足管端頭處的間隙測量，而雙層管間隙測量要求滿足整個管身任意點處的間隙尺寸的測量。所以游標卡尺的測量方法不適用。

三坐標建模計算間隙尺寸三坐標測量的工作原理是需要大量的采集點，然后對采集點的坐標進行分析和建模，從而得到尺寸數(shù)據(jù)。同游標卡尺測量間隙尺寸存在著相同的弊端，三坐標采點的探頭長度有限，且探頭不能彎曲，所以該方法同樣不適用于雙層管間隙尺寸的測量。

射線照相測量管壁厚度再計算間隙尺寸射線照相測量管壁厚度的工作原理是：射線源垂直照射，射線穿過管壁不同位置的透射厚度不一樣，從而在底片上留下黑度不一致的影像，根據(jù)影像放大系數(shù)計算間隙處的尺寸。采用射線照相的方法判斷黑度梯度邊界時，很大程度上依賴于檢測人員的經(jīng)驗，這個誤差通常為2~3mm；射線照相測間隙尺寸的方法是在基于內外管同軸的基礎上進行的，而實際上雙層管的同軸度在制造加工過程中并不能得到保證，這是該方法本身存在的誤差；射線照相的方法成本高，且存在著輻照的危險，不易于現(xiàn)場實施檢測。

超聲檢測方法測量間隙尺寸超聲檢測的原理是超聲波垂直入射到工件，并在工件中傳播，遇到聲阻抗不同的界面會發(fā)生透射與反射現(xiàn)象，再根據(jù)接收到的反射回波計算間隙尺寸。超聲檢測設備便攜，方便現(xiàn)場作業(yè)，不具有放射性，且不產生噪聲或化學污染，但是超聲波在工件中傳播遇到空氣時會發(fā)生全反射，無透射。這是超聲檢測方法用于雙層管間隙測量的一個難點。因此，目前采用在間隙內填充介質的方法實現(xiàn)超聲波的透射，從而有望能夠測量間隙尺寸，且滿足測量精度的要求。填充介質的超聲檢測方法要得到內管外壁的反射回波，需要實現(xiàn)超聲波在間隙處的透射，在測量對象的間隙處充滿水，以水為介質讓超聲波能夠在兩個界面處產生反射波和透射波，從而實現(xiàn)對間隙尺寸的測量。超聲波在雙層管內傳播的過程中，涉及到3個界面，界面及界面處的反射與透射示意如圖2所示。圖2界面及界面處的反射與透射示意

測量對象采用與待檢工件一致的材料，且模擬件的表面條件與待檢雙層管的外管外壁表面條件一致。制作前對原材料進行射線檢測，確保無影響檢測的缺陷存在。待檢工件的雙層管由外管套于內管之外，再由法蘭固定焊接而成，模擬件的制作只確保非焊縫位置間隙尺寸的設計與待檢工件的一致。制作一個僅有直管段的模擬件，材料為316L不銹鋼。模擬件規(guī)格與待檢件一致，內管規(guī)格(外徑×壁厚±誤差，下同)為75mm×7mm±0.5mm，外管規(guī)格為114mm×8mm±0.5mm，凸臺處外管規(guī)格為130mm×16mm±0.5mm；內外管同軸嵌套，內管外壁與外管內壁的間隙尺寸為12mm。間隙尺寸的測量誤差要求不得超過0.2mm。管子設計為一端焊接法蘭封堵，另一端開放。

測量方法采用歐能達3600S型數(shù)字超聲檢測儀，綜合考慮近場區(qū)長度、檢測系統(tǒng)分辨力、探頭頻帶寬度等因素后選用10P10D型探頭。測量開始前，對鋼的聲速及水的聲速進行校正，對探頭延遲進行測定。首先，特制了規(guī)格為50mm×50mm×100mm的316L不銹鋼試塊，探頭對準H1=100mm和H2=50mm的厚度方向進行聲速校正。超聲檢測儀內預設聲速c1，分別記錄超聲檢測儀此時顯示的一次底波聲程x1和x2。探頭延遲為P，鋼中的縱波聲速為c鋼，可以推導出以下公式：因為H1和H2已知，x1和x2可以直接在儀器上讀取，所以P及c鋼可以通過上式計算得出。通過同樣的方法對水的聲速進行校正，測試時以平底容器盛水，采用簡單的十字形固定裝置固定探頭，保證探頭保護膜平行于水面。同時，探頭用膠帶貼緊，直尺固定，通過調節(jié)探頭位置，讀出探頭保護膜前端對應的刻度即為H1和H2。聯(lián)立方程，計算出水的聲速c水。如圖2所示，由于鋼的聲阻抗大于水的聲阻抗，所以超聲波垂直入射到鋼/水界面時，聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。其聲壓反射率為-0.935，聲壓透射率為0.065。若入射聲壓為P0，則反射聲壓Pr1為-0.935P0，透射聲壓Pt1為0.065P0。透過界面的超聲波繼續(xù)在水中傳播，遇到第二個界面(水/鋼界面)時，與第一個界面不同，其界面的聲壓反射率和聲壓透射率都很高，且反射波聲壓與入射波聲壓同相位，從而使得合成聲壓振幅增大。其聲壓反射率為0.935，聲壓透射率為1.935。相對于初始入射聲壓，此時反射聲壓Pr2為0.061P0，透射聲壓Pt2為0.126P0。反射的超聲波沿原路反射回水中，繼續(xù)傳播，遇到第三個界面(水/鋼界面)時，其界面的聲壓反射率和聲壓透射率都很高，且反射波聲壓與入射波聲壓同相位，合成聲壓振幅增大。相對于初始入射聲壓，此時的反射聲壓Pr3為0.057P0，透射聲壓Pt3為0.118P0。探頭分別接收到Pr1和Pt3，兩個聲壓幅值差異大。同時，由于鋼和水中聲速的差異大，外管壁厚T1與間隙中水層厚度T2的關系使得探頭接收到的超聲波在外管內壁、外壁中產生多次回波后，才會接收到來自水層與內管外壁的界面回波聲壓Pt3。超聲波在外管內壁、外壁間多次反射和透射，聲壓衰減大，產生多次底波后，聲壓幅值將與Pt3難以區(qū)分。因此，假設Pt3處于第n~(n+1)次外管內壁回波之間(見圖3)，有必要在檢測開始前，根據(jù)介質中的聲速及介質厚度計算出n值，n的計算公式如下：圖3測量時儀器顯示屏波形示意按照n值設置檢測儀聲程略大于(n+1)T1。測量時，由于外管內壁一次回波Pr1位于始脈沖范圍內，故而其聲程采用第三次回波與第四次回波的聲程差值代替，記錄該值為s1。保持探頭位置不變，提高增益后，讀取第n~n+1次外管內壁回波之間的Pt3的聲程s2。實測Pt3位置如圖4所示，可見Pt3位于第n~n+1次外管內壁回波之間。圖4實測Pt3位置示意由于管壁材料的聲速與間隙層水的聲速有差異，所以間隙水層的實際厚度需要經(jīng)過聲速修正得到，修正公式如下：

測量結果超聲檢測方法測量間隙尺寸的測量位置如圖5中的標記紅點位置，測量過程中不需要接觸間隙層，可以直接從外管外壁實現(xiàn)外管壁厚及內外管之間間隙的測量。圖5超聲檢測測量位置示意經(jīng)聲速修正計算后的結果如表1所示。表1超聲波測量間隙結果（mm）模擬件為直管段，測量位置為三坐標探頭能達到的深度范圍。此處采用ACCURAIIAKTIV12/18/10橋式三坐標儀對雙層管間隙進行測量，定位精度為（2.9+L/300）μm（L為探頭行進長度），形狀精度為2.9μm。測得結果如表2所示。表2三坐標測量間隙結果（mm）三坐標測量與超聲檢測結果誤差如表3所示。表3兩種方法測量結果誤差（mm）從表3可以看出，兩種方法測得結果的最大誤差為0.19mm，最小誤差為0.04mm，平均誤差為0.095mm。所有誤差均在設計允許的誤差范圍內。對超聲檢測測量間隙尺寸的誤差來源進行分析，可以得出：①在填充介質(水)的聲速標定過程中，對水的深度測量精度不高，使得水的聲速標定精度相應降低；②所采用的探頭保護膜為平面，而被檢件表面為曲面，因而帶來測量誤差；③測量方法自身存在局限性。探頭晶片有著一定的面積，不能保證接收到的就是垂直入射的超聲波，因而測得的間隙可能不是真實值。結語采用填充介質的方式實現(xiàn)了超聲波的透射，從探頭參數(shù)的選擇、聲速及探