分享：核電廠CRDM熱套管的相位相干成像檢測

反應(yīng)堆壓力容器頂蓋CRDM熱套管為不等厚變徑異型結(jié)構(gòu)，在核電廠運(yùn)行期間，該部件的變徑過渡區(qū)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，有形成熱疲勞裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。相控陣超聲檢測技術(shù)作為一種評(píng)價(jià)體積完整性的檢測方法，具有覆蓋范圍大，檢測靈敏度高，檢測效率高等優(yōu)勢[1-3]。而相控陣全聚焦成像技術(shù)是一種先進(jìn)的相控陣檢測技術(shù)，其利用超聲波換能器依次發(fā)射超聲波信號(hào)，其他換能器接收反射信號(hào)，從而形成一個(gè)完整的信號(hào)矩陣，此過程稱為全矩陣捕獲（FMC），隨后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜地運(yùn)算后處理，包括時(shí)間延遲、聲場重構(gòu)等，使成像區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)都能獲得最佳的聚焦效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分辨率高精度成像。[4-5] 

但是對(duì)于不等厚變徑結(jié)構(gòu)，超聲波在傳播過程中會(huì)在變徑區(qū)域形成結(jié)構(gòu)信號(hào)，該結(jié)構(gòu)信號(hào)幅值較高，容易干擾或掩蓋近變徑區(qū)域缺陷信號(hào)，即便采用全聚焦相控陣技術(shù)，仍較難檢出變徑區(qū)域附近的危害性缺陷（如裂紋）。因此提高相控陣超聲對(duì)固定反射體附近小缺陷的檢測能力，能夠豐富該檢測技術(shù)的適用范圍，為不等厚變徑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供更有效的手段。 

相位相干成像（PCI）是一種基于全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)采集后的新型超聲成像處理算法，其全矩陣數(shù)據(jù)采集的相關(guān)原理與全聚焦成像技術(shù)原理一致，只是數(shù)據(jù)采集后的處理成像算法不同，PCI主要是利用超聲A掃信號(hào)的相位信息進(jìn)行成像，而不利用信號(hào)的幅值信息進(jìn)行成像，（幅值信息不參與到PCI的算法中）。由于PCI具有獨(dú)特的超聲成像處理算法，來自大平面反射體的信號(hào)相對(duì)于回波幅值的求和會(huì)有所減少；且因?yàn)橹挥谢夭ǖ南辔恍畔⑴c到求和運(yùn)算中，PCI對(duì)于固定結(jié)構(gòu)信號(hào)的聚焦效果不強(qiáng)烈，大大提高了平面型缺陷衍射信號(hào)的敏感性，可作為一種針對(duì)不等厚變徑結(jié)構(gòu)的非振幅檢測方法。 

1.   PCI全聚焦成像原理

PCI成像檢測技術(shù)是一種基于全矩陣數(shù)據(jù)采集（FMC）的相控陣超聲后處理成像方法，首先將全矩陣采集到的超聲A掃描信號(hào)進(jìn)行相位化處理，將FMC的A掃信號(hào)幅值與時(shí)間轉(zhuǎn)換為相位與時(shí)間的關(guān)系。通常正相位用1表示，負(fù)相位用-1表示，0點(diǎn)相位用0表示，因此經(jīng)過相位化的A掃描信號(hào)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位值只會(huì)是1，0或-1三個(gè)值。采樣點(diǎn)的幅值為80%與10%對(duì)應(yīng)的相位值均為1，因此A掃描信號(hào)幅值對(duì)PCI成像影響很小，只要A掃描信號(hào)能夠準(zhǔn)確得到相應(yīng)點(diǎn)的相位信息即可。PCI相位轉(zhuǎn)化及成像結(jié)果示例如圖1所示（P為像素點(diǎn)）。 

圖  1  PCI相位轉(zhuǎn)化及成像結(jié)果示例

PCI圖像的計(jì)算過程與全聚焦成像相似，從激發(fā)陣元Fi到像素點(diǎn)P再返回到接收陣元Jj的聲程時(shí)間tij，基于該特定信號(hào)提取對(duì)應(yīng)該聲程時(shí)間的相位?ij。對(duì)FMC矩陣的所有信號(hào)重復(fù)該過程，將所有這些相位相加求和，得到PCI圖像中該像素點(diǎn)的相位，然后對(duì)所有像素點(diǎn)重復(fù)整個(gè)過程，以獲得整個(gè)PCI圖像。其計(jì)算公式為 

式中：I(P)為像素點(diǎn)P的相位；N為相控陣探頭激發(fā)晶片的總數(shù)；?ij為相位值。 

2.   試件制備與試驗(yàn)方法

為了對(duì)比全聚焦成像與PCI成像兩種模式的檢測效果，制作了比例為1∶1的CRDM熱套管缺陷模擬試塊，試塊材料為Z2CN19-10不銹鋼，內(nèi)徑為53 mm，管道壁厚為4.1~6.8 mm，缺陷模擬試塊的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。 

圖  2  不等厚變徑管道缺陷模擬試塊結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)斷裂力學(xué)分析，該部件應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)樽儚絽^(qū)，主要失效機(jī)理為熱疲勞裂紋，缺陷模擬試塊使用EDM（電火花線切割）刻槽作為典型的平面型缺陷，刻槽分布在變徑區(qū)的厚壁側(cè)、中間側(cè)以及薄壁側(cè)[6]，缺陷尺寸信息如表1所示，缺陷位置分布及試塊實(shí)物如圖3，4所示。 

圖  3  缺陷位置分布示意

圖  4  缺陷模擬試塊實(shí)物

全聚焦相控陣檢測采用GEKKO（64/128PR）型便攜式相控陣超聲儀，其共有128個(gè)檢測通道，單次激發(fā)晶片最大數(shù)量為64個(gè)，最大采樣率為100 MHz。試驗(yàn)采用頻率為10 MHz、32晶片的線陣探頭。儀器設(shè)備的標(biāo)定及檢測參數(shù)設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 23864：2021《焊縫無損檢測 超聲檢測 自動(dòng)化全聚焦技術(shù)（TFM）及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用》，對(duì)比試驗(yàn)中采用同樣的設(shè)備以及檢測參數(shù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可比性。 

3.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

將工件模型導(dǎo)入相控陣儀器，全聚焦成像檢測區(qū)域覆蓋缺陷模擬試塊的變徑檢測區(qū)域，選擇橫波T-T模式，成像區(qū)域的寬度為25 mm，高度為10 mm。成像分辨率為40采樣點(diǎn)·mm−1，像素點(diǎn)幅值最大誤差為0.2 dB。 

3.1   成像效果對(duì)比

選擇兩個(gè)不同位置的EDM刻槽作為典型的平面型缺陷，對(duì)比全聚焦成像和PCI成像兩種全聚焦模式的檢測結(jié)果。中間側(cè)刻槽（高度1.0 mm）的檢測結(jié)果如圖5所示，可見，全聚焦成像模式提供了清晰的檢測圖像，缺陷模擬試塊的變徑過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)信號(hào)明顯且幅值較高，刻槽的上尖端信號(hào)清晰可見，未發(fā)現(xiàn)刻槽的側(cè)壁信號(hào)；PCI成像模式表現(xiàn)出更高的信噪比，由于只有回波的相位信息參與到運(yùn)算中，缺陷模擬試塊的變徑過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)信號(hào)呈現(xiàn)間斷的特征，未體現(xiàn)出大面積反射體的聚焦效果，刻槽的上尖端信號(hào)同樣清晰可見，且能發(fā)現(xiàn)與刻槽相關(guān)聯(lián)的側(cè)壁信號(hào)，對(duì)于平面型缺陷能提供更多的信息，特別是在有結(jié)構(gòu)信號(hào)干擾的情況下，展現(xiàn)出了PCI成像的優(yōu)勢。 

圖  5  試塊的中間側(cè)刻槽檢測結(jié)果

當(dāng)缺陷位于厚壁側(cè)，缺陷模擬試塊中0.1 mm高度的刻槽均未被檢出，0.2 mm高度的刻槽僅在厚壁側(cè)位置才能檢出。厚壁側(cè)刻槽（0.2 mm）的檢測結(jié)果如圖6所示，可以看出，全聚焦成像模式下，未發(fā)現(xiàn)刻槽上尖端信號(hào)；而PCI成像模式可清晰分辨0.2 mm高度的刻槽上尖端信號(hào)，對(duì)于微小信號(hào)的捕捉能力更強(qiáng)，大大提高了平面型缺陷尖端衍射信號(hào)的敏感性。 

圖  6  試塊的厚壁側(cè)刻槽檢測結(jié)果

3.2   缺陷檢測及定量效果對(duì)比

為對(duì)比全聚焦成像以及PCI成像兩種模式的檢測及定量結(jié)果，使用自動(dòng)化設(shè)備對(duì)厚壁側(cè)、中間側(cè)以及薄壁側(cè)的缺陷模擬試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖7~9所示。選取缺陷模擬試塊中0.4，0.8，1.0，2.0 mm高度的刻槽進(jìn)行高度測量，缺陷定量結(jié)果如表2所示。 

圖  7  缺陷模擬試塊（厚壁側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖  8  缺陷模擬試塊（中間側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖  9  缺陷模擬試塊（薄壁側(cè)）數(shù)據(jù)采集結(jié)果

使用端點(diǎn)衍射測高法對(duì)全聚焦成像以及PCI成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行刻槽高度測量，為了對(duì)比兩種成像模式對(duì)近變徑過渡區(qū)域的平面型缺陷的定量精度，對(duì)表2中的高度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根誤差計(jì)算，得到全聚焦成像模式缺陷高度測量的均方根誤差為0.18 mm，PCI成像模式缺陷高度測量的均方根誤差為0.11 mm。 

4.   結(jié)論

（1）對(duì)于不等厚變徑管道近變徑區(qū)域的平面型缺陷，PCI成像技術(shù)具有較高的檢出率和分辨力，可檢出的最小平面型缺陷高度為0.2 mm。 

（2）PCI成像具有獨(dú)特的超聲成像處理算法，對(duì)于近變徑過渡區(qū)域的平面型缺陷檢測效果更好，且能發(fā)現(xiàn)缺陷的關(guān)聯(lián)信號(hào)。 

（3）對(duì)比全聚焦成像以及PCI成像兩種全聚焦算法的定量效果，PCI成像模式對(duì)平面型缺陷的端點(diǎn)衍射信號(hào)更加敏感，高度定量精度更高。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)