超声波测量核用锆管尺寸技术

　　由于核用锆合金管材用途的特殊性,因此在使用中要求管材的尺寸具有较高的一致性和稳定性。目前精密管材尺寸的测量多采用接触法,但该方法不能实现对管材的100%测量,在测量过程中无法消除人为因素的影响和测量工具对管材表面的划伤,且检验效率低,不能满足企业大批量生产的要求。超声波测量技术可在对管材进行超声波探伤的同时,完成对管材直径、内径和壁厚等尺寸的测量,极大地提高了检验效率和检验质量。

　　1　超声波测量管材尺寸的原理^[1]

　　超声波测量管材尺寸时采用两个点聚焦探头,分别置于管材两侧且与管材处在同一中心线上(图1)。探头发出的声束经管材表面反射后再由探头接收,检测系统即可计算出超声波分别在水程距离L_¹和L_²中的传播时间t_¹和t_²,用传播时间t_¹和t_²乘以声波在水中的声速v水就得到探头到管表面的水程距离,即L1=t_^1v水,L2=t_²v_^水。由此得到管材的外径尺寸Do为:

　　由于水温的变化会引起声速的变化,使外径的测量值发生较大的偏差。因此设计一个声速随水温变化的监控组件(图2)。用一个带固定反射体的探头测得组件中v水=Lc/tc,式中tc为超声波到固定反射体的传播时间。如果声速受水温的影响而发生变化,那么tc也发生变化。因此水程距离和外径Do的计算公式可表示为:

　　通过监控组件实时修正超声波在水中的声速,起到对水温变化引起声速变化的补偿作用,保证测量值的准确性。

　　由图1可知,探头发出的超声波经过管材表面时会透射到管壁内部,并在管壁中由内外表面的多次反射形成反射回波。图3是用17 MHz点聚焦探头在10 mm×0.7 mm核用锆合金管材的管壁中所测得的多次反射回波。检测系统采用数字脉冲相位法,测出超声波在管壁中的传播时间t′,即系统对反射回波作数字化处理,用闸门从中选取某次回波(图3选取的是二次回波),延迟一段时间后与下次回波重合,所延迟的这段时间就是超声波在管材内壁的传播时间t′。

    由此得到管材的壁厚值为:

　　式中　W^₁,W^₂———管材的壁厚;

　　v———超声波在金属中的传播速度;

　　t′^₁,t′^₂———超声波在金属管壁中的传播时间。

　　可见,在测量管材壁厚时,须知道超声波在管材中的传播速度v。但由于不同的测量方法和测量条件获得的声速值是不同的,即使是同一材料,如果在化学成分、冶金及加工过程和热处理等方面有差异,其声速值也有差异。通常认为同一批材料或同一种工艺条件生产的材料其声速是相同的,因此可采用同一工艺条件生产的同规格管材制成标准试样,用来调试仪器,修正超声波的声速值v,保证管材壁厚测量的准确性。