双层管间隙测量难题看超声检测如何解决

国际热核实验堆(ITER)作为世界上第一个热核聚变实验堆，其目标是为未来聚变示范堆(DEMO)的设计和建造提供技术和数据基础。ITER装置上专门留有试验包层窗口，用于开展包层的系统运行、控制试验、产氚、排热、中子辐照特性及材料相容性等功能性试验研究，其对于DEMO聚变堆的发展至关重要，也是中方加入ITER计划所要掌握的关键技术。中方负责的氦冷陶瓷增殖剂氚试验包层模块(HCCBTBM)的试验包层系统由TBM-set[包括TBM(试验包层模块)本体模块和屏蔽块]、氦冷却系统、冷却剂净化系统、氚提取系统等组成。其中，屏蔽块不仅用于屏蔽中子，同时与TBM框架等其他部件共同构成ITER装置的真空边界，是包层系统的关键部件之一。TBM屏蔽块由法兰、隔板、外框架、后板、管道等构成，其中有5根管道采用双层管的设计，如图1所示，内管、外管以及管外的工况各不相同。图1屏蔽块内管道布置示意及双层管三维模型介质在输运过程中，内管会发生膨胀与振动，造成内外管的同轴度偏差，同时由于工况原因，内外管壁严禁相互触碰，因而设计对内外管之间的间隙尺寸提出了较高的精度要求。这种特殊的双层管结构的间隙该如何测量呢？今天我们来介绍一种填充介质的超声检测方法。屏蔽块内双层管的测量方法屏蔽块内的呈“几”字形及“S”形弯曲的双层管是一种较新颖的设计，目前没有见到类似结构的设计，其间隙尺寸的测量没有直接可用的方法参照。根据结构形式，有以下几种尺寸测量方法：

游标卡尺直接测量间距游标卡尺应用于内径的尺寸测量精度高，但是测量范围有限，可用于双层管的间隙测量，但只能满足管端头处的间隙测量，而双层管间隙测量要求满足整个管身任意点处的间隙尺寸的测量。所以游标卡尺的测量方法不适用。

三坐标建模计算间隙尺寸三坐标测量的工作原理是需要大量的采集点，然后对采集点的坐标进行分析和建模，从而得到尺寸数据。同游标卡尺测量间隙尺寸存在着相同的弊端，三坐标采点的探头长度有限，且探头不能弯曲，所以该方法同样不适用于双层管间隙尺寸的测量。

射线照相测量管壁厚度再计算间隙尺寸射线照相测量管壁厚度的工作原理是：射线源垂直照射，射线穿过管壁不同位置的透射厚度不一样，从而在底片上留下黑度不一致的影像，根据影像放大系数计算间隙处的尺寸。采用射线照相的方法判断黑度梯度边界时，很大程度上依赖于检测人员的经验，这个误差通常为2~3mm；射线照相测间隙尺寸的方法是在基于内外管同轴的基础上进行的，而实际上双层管的同轴度在制造加工过程中并不能得到保证，这是该方法本身存在的误差；射线照相的方法成本高，且存在着辐照的危险，不易于现场实施检测。

超声检测方法测量间隙尺寸超声检测的原理是超声波垂直入射到工件，并在工件中传播，遇到声阻抗不同的界面会发生透射与反射现象，再根据接收到的反射回波计算间隙尺寸。超声检测设备便携，方便现场作业，不具有放射性，且不产生噪声或化学污染，但是超声波在工件中传播遇到空气时会发生全反射，无透射。这是超声检测方法用于双层管间隙测量的一个难点。因此，目前采用在间隙内填充介质的方法实现超声波的透射，从而有望能够测量间隙尺寸，且满足测量精度的要求。填充介质的超声检测方法要得到内管外壁的反射回波，需要实现超声波在间隙处的透射，在测量对象的间隙处充满水，以水为介质让超声波能够在两个界面处产生反射波和透射波，从而实现对间隙尺寸的测量。超声波在双层管内传播的过程中，涉及到3个界面，界面及界面处的反射与透射示意如图2所示。图2界面及界面处的反射与透射示意

测量对象采用与待检工件一致的材料，且模拟件的表面条件与待检双层管的外管外壁表面条件一致。制作前对原材料进行射线检测，确保无影响检测的缺陷存在。待检工件的双层管由外管套于内管之外，再由法兰固定焊接而成，模拟件的制作只确保非焊缝位置间隙尺寸的设计与待检工件的一致。制作一个仅有直管段的模拟件，材料为316L不锈钢。模拟件规格与待检件一致，内管规格(外径×壁厚±误差，下同)为75mm×7mm±0.5mm，外管规格为114mm×8mm±0.5mm，凸台处外管规格为130mm×16mm±0.5mm；内外管同轴嵌套，内管外壁与外管内壁的间隙尺寸为12mm。间隙尺寸的测量误差要求不得超过0.2mm。管子设计为一端焊接法兰封堵，另一端开放。

测量方法采用欧能达3600S型数字超声检测仪，综合考虑近场区长度、检测系统分辨力、探头频带宽度等因素后选用10P10D型探头。测量开始前，对钢的声速及水的声速进行校正，对探头延迟进行测定。首先，特制了规格为50mm×50mm×100mm的316L不锈钢试块，探头对准H1=100mm和H2=50mm的厚度方向进行声速校正。超声检测仪内预设声速c1，分别记录超声检测仪此时显示的一次底波声程x1和x2。探头延迟为P，钢中的纵波声速为c钢，可以推导出以下公式：因为H1和H2已知，x1和x2可以直接在仪器上读取，所以P及c钢可以通过上式计算得出。通过同样的方法对水的声速进行校正，测试时以平底容器盛水，采用简单的十字形固定装置固定探头，保证探头保护膜平行于水面。同时，探头用胶带贴紧，直尺固定，通过调节探头位置，读出探头保护膜前端对应的刻度即为H1和H2。联立方程，计算出水的声速c水。如图2所示，由于钢的声阻抗大于水的声阻抗，所以超声波垂直入射到钢/水界面时，声压透射率很低，声压反射率很高。其声压反射率为-0.935，声压透射率为0.065。若入射声压为P0，则反射声压Pr1为-0.935P0，透射声压Pt1为0.065P0。透过界面的超声波继续在水中传播，遇到第二个界面(水/钢界面)时，与第一个界面不同，其界面的声压反射率和声压透射率都很高，且反射波声压与入射波声压同相位，从而使得合成声压振幅增大。其声压反射率为0.935，声压透射率为1.935。相对于初始入射声压，此时反射声压Pr2为0.061P0，透射声压Pt2为0.126P0。反射的超声波沿原路反射回水中，继续传播，遇到第三个界面(水/钢界面)时，其界面的声压反射率和声压透射率都很高，且反射波声压与入射波声压同相位，合成声压振幅增大。相对于初始入射声压，此时的反射声压Pr3为0.057P0，透射声压Pt3为0.118P0。探头分别接收到Pr1和Pt3，两个声压幅值差异大。同时，由于钢和水中声速的差异大，外管壁厚T1与间隙中水层厚度T2的关系使得探头接收到的超声波在外管内壁、外壁中产生多次回波后，才会接收到来自水层与内管外壁的界面回波声压Pt3。超声波在外管内壁、外壁间多次反射和透射，声压衰减大，产生多次底波后，声压幅值将与Pt3难以区分。因此，假设Pt3处于第n~(n+1)次外管内壁回波之间(见图3)，有必要在检测开始前，根据介质中的声速及介质厚度计算出n值，n的计算公式如下：图3测量时仪器显示屏波形示意按照n值设置检测仪声程略大于(n+1)T1。测量时，由于外管内壁一次回波Pr1位于始脉冲范围内，故而其声程采用第三次回波与第四次回波的声程差值代替，记录该值为s1。保持探头位置不变，提高增益后，读取第n~n+1次外管内壁回波之间的Pt3的声程s2。实测Pt3位置如图4所示，可见Pt3位于第n~n+1次外管内壁回波之间。图4实测Pt3位置示意由于管壁材料的声速与间隙层水的声速有差异，所以间隙水层的实际厚度需要经过声速修正得到，修正公式如下：

测量结果超声检测方法测量间隙尺寸的测量位置如图5中的标记红点位置，测量过程中不需要接触间隙层，可以直接从外管外壁实现外管壁厚及内外管之间间隙的测量。图5超声检测测量位置示意经声速修正计算后的结果如表1所示。表1超声波测量间隙结果（mm）模拟件为直管段，测量位置为三坐标探头能达到的深度范围。此处采用ACCURAIIAKTIV12/18/10桥式三坐标仪对双层管间隙进行测量，定位精度为（2.9+L/300）μm（L为探头行进长度），形状精度为2.9μm。测得结果如表2所示。表2三坐标测量间隙结果（mm）三坐标测量与超声检测结果误差如表3所示。表3两种方法测量结果误差（mm）从表3可以看出，两种方法测得结果的最大误差为0.19mm，最小误差为0.04mm，平均误差为0.095mm。所有误差均在设计允许的误差范围内。对超声检测测量间隙尺寸的误差来源进行分析，可以得出：①在填充介质(水)的声速标定过程中，对水的深度测量精度不高，使得水的声速标定精度相应降低；②所采用的探头保护膜为平面，而被检件表面为曲面，因而带来测量误差；③测量方法自身存在局限性。探头晶片有着一定的面积，不能保证接收到的就是垂直入射的超声波，因而测得的间隙可能不是真实值。结语采用填充介质的方式实现了超声波的透射，从探头参数的选择、声速及探