凌海军,宫秋云,王 健,孙少林,焦永刚

(西部新锆核材料科技有限公司，西安 710200)

高频窄脉冲探头在锆合金小径薄壁管超声检测中的应用

凌海军,宫秋云,王 健,孙少林,焦永刚

(西部新锆核材料科技有限公司，西安 710200)

针对锆合金小径薄壁管在超声检测时，要求检测灵敏度一般为壁厚的5%，且管材壁厚较薄(小于1 mm)又易造成内外壁缺陷分辨困难的问题，重点分析了高频窄脉冲探头对检测灵敏度和分辨力的影响，选取了3个不同参数的探头对分析结果进行验证，确定了在检测锆合金小径薄壁管时选择探头的方法。

高频探头；窄脉冲；锆合金管；小径薄壁管；超声检测

锆合金小径(φ5～φ25 mm)薄壁(小于1 mm)管一般作为核燃料的包覆材料, 起着防止核产物外逸的重要作用。在包壳管材的生产过程中,超声检测是确保管材内部质量的重要方法。由于此类管材具有外径小、曲率大、探头难以与管材表面直接耦合等特点, 通常采用超声波水浸聚焦方法对其进行检测[1]。验收时，一般要求管材中不能存在超过壁厚5%～10%深度当量的缺陷,这就需要检测系统具有很高的检测灵敏度和分辨力。

超声探头作为超声检测系统最重要的部件之一，其性能的好坏直接影响超声检测系统的性能与缺陷检测的结果。为此，笔者从管材检测的原理入手，着重分析讨论了高频窄脉冲探头的参数对管材内外壁纵横向缺陷检测结果的影响，最终确定对此类小径薄壁管进行超声检测时探头的选择方法。

1 检测原理

1.1 纵向和横向缺陷检测方法

锆合金小径薄壁管为无缝管，其主要缺陷为平行于管轴的径向缺陷(纵向缺陷)和垂直于管轴的径向缺陷(横向缺陷)[2]。

根据美国标准ASTM B811-2013《核反应堆燃料包壳用锻造锆合金无缝管材的标准规范》要求，采用水浸超声脉冲反射法检测核用锆合金无缝管的检测波型为横波或兰姆波，人工缺陷为内外壁的纵向人工缺陷和横向人工缺陷。在标准管人工缺陷检测调试时，管材内外壁纵横向缺陷的波高应相近，一般要求相差不大于2 dB。

利用横波周向扫查的方式对纵向缺陷进行检测。管内纯横波由水浸聚焦探头偏心或偏转的方式产生，管内外壁纵向缺陷的检测原理如图1所示。

图1 管内外壁纵向缺陷检测原理

利用横波轴向扫查的方式对横向缺陷进行检测。管内纯横波由水浸聚焦探头倾斜入射的方式产生，管内外壁横向缺陷的检测原理如图2所示。

图2 管内外壁横向缺陷检测原理

由图1和图2可以看出，当管材壁厚很薄(小于1 mm)时，管材内壁缺陷的1次反射回波与界面回波及管材外壁的0次反射回波(超声波直接入射到外壁缺陷时的回波，界面波的位置)的声程时间差很短。

例如，当折射角为45°(ASTM B811-2013标准推荐)时，根据几何关系，界面波与内壁缺陷回波的时间差公式为

(1)

式中：t为时间；δ为管材壁厚；c为传播介质的声速。

试验用管材壁厚按0.57 mm计算，界面波与内壁缺陷回波的时间差t约为0.7 μs。如果要分辨界面波与内壁缺陷回波，就需要检测系统有很高分辨力。

1.2 分辨力

超声波探头作为超声检测系统的核心组成部分，其分辨力好坏直接影响到产品的检测。超声波探头分辨力分为纵向分辨力(R纵)和横向分辨力(R横)[3-4]，其公式为

(2)

(3)

式中：f为探头的工作频率；BW为探头-6 dB带宽；F为探头的焦距；D为晶片直径。

根据标准ASTM B811-2013，超声波有效声束的焦点直径或焦线宽度与F/D的关系为

(4)

(5)

式中：φ-3 dB为-3 dB处的声束焦点直径；W-3 dB为-3 dB处的声束焦线宽度；λ为声束波长。

由式(2)可知，超声探头的频率越高，-6 dB带宽越大，其纵向分辨力就越高，越利于区分管材内壁和外壁的缺陷；由式(3)～(5)可知，探头频率越高，声束的焦点直径或焦线宽度越小，横向分辨力越高，越利于小缺陷的识别。

因此,为了更利于分辨薄壁管的内外壁缺陷，达到良好的检测灵敏度和分辨力，应选择高频率、可聚焦、宽频带的探头，即水浸聚焦高频窄脉冲探头。

2 高频窄脉冲探头

一个脉冲波相当于无限多个不同频率、持续时间无限的谐波在脉冲持续时间内叠加而成，而在持续时间外彼此抵消，脉冲持续时间越短，包含的谐波频率越宽[5]。

由式(2)可知，频带宽度越宽，纵向分辨力越高，选择探头发射的脉冲持续时间应越短，即，选择窄脉冲的探头。

2.1 探头频率 超声波的检测灵敏度为波长的1/2，频率为10 MHz～15 MHz探头的横波(锆合金横波声速约2 300 m·s-1)在理论上可检测锆合金中不小于0.08 mm当量的缺陷，能满足薄壁管中缺陷规格(宽×深×长)为0.09 mm×0.035 mm×1.5 mm的纵横向缺陷的检测要求，所以对于薄壁管检测一般选用不小于10 MHz的高频超声探头。

2.2F/D的选择

根据ASTM B811及小径薄壁管检测经验[6]，F/D取值范围为2～4，选取探头焦距为20 mm，晶片直径为6 mm。

2.3 频率特性

选取现有高频窄脉冲超声探头中参数差别较大的3个探头进行检测试验。采用GE公司制造的某探头进行检测，具体参数如表1所示，探头的频率特性如图3所示。

图3 不同探头的脉冲波形和频谱

表1 选取的高频窄脉冲超声探头参数

由式(1)可知，界面波与内壁缺陷回波的声程约为2.8δ，按壁厚为0.57 mm计算，界面波与内壁缺陷回波声程为1.6 mm，因此，在理论上该3个高频窄脉冲探头是可以分辨出小径薄壁管人工缺陷的。

3 检测方法与结果

3.1 检测设备与检测对象

采用Rota25多通道超声自动检测系统对规格(外径×壁厚)为φ9.5 mm×0.57 mm的锆合金管材进行检测，人工缺陷大小(长×宽×深)为1.5 mm×0.09 mm×0.035 mm。

3.2 内外壁纵横向缺陷的检测

采用不同参数探头对某样管的内外壁纵向缺陷和横向缺陷的检测结果如图4所示。结果表明，纵向缺陷能明显分辨，但横向缺陷分辨得不是很清楚，仅能分辨出内外壁横向缺陷的小部分波峰，其检测分辨力结果如表2所示。

表2 检测分辨力结果

3.3 检测结果分析

产生以上纵向缺陷和横向缺陷分辨力差别大的原因与探头声束的焦线长度和宽度有关。纵向缺陷探头布置为焦线平行于管材轴线和缺陷的长度方向，横向缺陷探头布置为焦线平行于管材轴线方向和垂直于缺陷的长度方向。所以，覆盖纵向缺陷宽度方向的声束宽度为焦线的宽度，约为0.4 mm；覆盖横向缺陷宽度方向的声束宽度为焦线的长度，约为3.7 mm。由于内外壁缺陷的声程差为1.6 mm，所以内壁纵向缺陷的声束与外壁纵向缺陷的声束不会产生重叠，而内壁横向缺陷的声束与外壁横向缺陷的声束会有约2 mm的重叠，这就造成了纵向缺陷分辨力明显要高于横向缺陷的分辨力。

经过调试，内外壁纵向缺陷和横向缺陷均是可以分辨的，且内外壁缺陷的幅度相近，满足2 dB的要求，与理论分析结果相符。同时，15 MHz探头比10 MHz探头更适合该管材的检测。

4 结论

图4 不同参数探头对某样管的内外壁纵向缺陷和横向缺陷的检测结果

高频窄脉冲探头具有高频率、宽频带、窄脉冲、高分辨力的特点，对于小径薄壁管中内外壁的小缺陷也能较好地分辨。根据理论分析和试验结果，小径薄壁管采用线聚焦探头以焦线平行于管材轴线方向进行纵向缺陷和横向缺陷检测时，纵向缺陷的分辨力明显高于横向缺陷的分辨力。同时，对此类管材进行超声检测时，应选取频率不低于10 MHz，-6 dB带宽不低于40%的探头。还应考虑在壁厚减薄或声程变短时，选择较高频率的探头。

[1] 李恒羽,袁改焕,王德华.核用锆合金管材的超声波检测[J].无损检测, 2008, 30(4):255-257.

[2] 中国特种设备检验协会组织编写.超声波探伤[ M] .北京:中国劳动社会保障出版社, 2008：18-19.

[3] 闫兴伟,任巍.高频无铅压电超声换能器研究进展[J].中国医疗器械信息，2014(4):22-28.

[4] FOSTER F S, PAVLIN C J, HARASIEWICZ K A, et al. Advances in ultrasound biomicroscopy[J].Ultrasound in Medicine and Biology,2000,26(1):1-27.

[5] 薛兴，李宝强，陈伟康.高频窄脉冲探头在从动盘超声检测中的应用[J].传感器与微系统 2013,32(2):149-152.

[6] 马小怀, 陈百锁, 汶锁明.小径薄壁有色管材超声探伤[J].无损检测,2005,27(1):44-46.

Application of High-Frequency Narrow-Pulse Probe in Ultrasonic Testing of Small Diameter Thin-Walled Zirconium Alloy Tube

LING Haijun, GONG Qiuyun, WANG Jian, SUN Shaolin， JIAO Yonggang

(Western Energy Material Technologies Co., Ltd., Xi′an 710200, China)

In the ultrasonic testing of nuclear zirconium alloy thin-walled tube, the sensitivity of detection of defects generally requires for approximately 5% of wall thickness. Because of the tube wall thickness being less than 1 mm, it is difficult to distinguish between inside and outside wall defect and hence the testing system needs very high detection sensitivity and resolution in order to meet the requirement of automatic testing. This paper focuses on the analysis of the influence of high frequency narrow pulse probe on the detection sensitivity and resolution. Three different parameters of the probe were selected to verify the analysis results, and the method of selecting probe was determined in the detection of small diameter thin-walled zirconium alloy tube.

high-frequency probe;narrow-pulse;zirconium alloy tube;small diameter thin-walled tube;ultrasonic testing

2016-12-29

凌海军(1983-)，男，工程师，主要从事质量管理和无损检测工作

凌海军，153622120@qq.com

10.11973/wsjc201707014

TG115.28

A

1000-6656(2017)07-0061-04