Zr-4合金管材超聲缺陷研究

張新龍

【摘 ?要】本文主要利用金相法觀察了超聲波檢測(cè)縱向通道Zr-4合金管材內(nèi)表面缺陷類型。超聲檢測(cè)波幅與缺陷實(shí)際深度的關(guān)系。結(jié)果表明：Zr-4合金管材內(nèi)表面縱向缺陷相貌為裂紋缺陷。超聲缺陷的實(shí)際深度隨著波幅增大基本呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】Zr-4合金;管材;超聲;裂紋;波幅

Abstract：in this paper，the inner surface defect types of zr-4 alloy tubes detected by ultrasonic wave were observed by metallographic method.The relationship between ultrasonic wave amplitude and actual depth of defect.The results show that the longitudinal defect on the inner surface of Zr-4 alloy pipe is crack defect.The actual depth of ultrasonic defect showed an increasing trend with the increase of amplitude.

Key words：zr-4 alloy;Steel tubes;Ultrasound;Crack;amplitude

1前言

Zr-4合金具有優(yōu)異的核性能、適中的力學(xué)性能和良好的加工性能，所以普遍用作核動(dòng)力水冷反應(yīng)堆的包殼材料和結(jié)構(gòu)材料。Zr-4合金管是核電站反應(yīng)堆的第一道屏障，基于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和苛刻的服役條件，人們對(duì)安全性和可靠性提出了更高的要求。超聲探傷是Zr-4合金包殼管常用無(wú)損探傷方法之一。馬小懷等人從超聲探傷選用探頭、入射角、焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)及干擾信號(hào)的抑制等方面認(rèn)為，對(duì)管材采用水浸聚焦的方式可行。然而在Zr-4合金管材的超聲檢測(cè)過(guò)程中，超聲圖譜的縱傷通道會(huì)出現(xiàn)一些波幅信號(hào)，本文通過(guò)研究超聲波幅與缺陷深度對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)Zr-4合金管材內(nèi)表面縱向缺陷的波幅缺陷進(jìn)行解剖確定缺陷的類型，為超聲探傷在Zr-4合金管材的應(yīng)用提供實(shí)踐及理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)用料選用Zr-4合金管材，采用ROTA25超聲設(shè)備對(duì)管材進(jìn)行超聲探傷，探頭形式為線聚焦，探頭旋轉(zhuǎn)速度4000轉(zhuǎn)/分，儀器重復(fù)頻率12KHz，管材送進(jìn)速度為6m/min。選取超聲缺陷進(jìn)行金相解剖，采用leica DM2500M光學(xué)顯微鏡對(duì)缺陷進(jìn)行金相觀察。選取滿屏波幅為30～80%缺陷進(jìn)行金相觀察，分析缺陷的實(shí)際深度。

3 結(jié)果與分析

3.1缺陷形貌研究

管材超聲缺陷典型形貌如圖1所示。從圖1中可看出，Zr-4管材內(nèi)表面缺陷的主要形貌為裂紋缺陷，且裂紋沿著管材外徑方向成30°～45°方向。這是由于Zr-4管材加工過(guò)程采用皮爾格周期式軋制方式，管材軋制過(guò)程中主要沿著軋制方向斜32°進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)管材軋制過(guò)程中因內(nèi)壁受力不均勻時(shí)候，因變形不均勻會(huì)斜30°～45°出現(xiàn)裂紋。

3.2缺陷超聲波幅對(duì)深度的影響

超聲波幅與缺陷實(shí)際測(cè)量深度關(guān)系圖如圖2所示，從圖2中可見，Zr-4合金管材超聲波幅與實(shí)際缺陷深度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，缺陷的實(shí)際深度隨著超聲波幅的增加而增加。個(gè)別缺陷的實(shí)際檢測(cè)深度會(huì)出現(xiàn)離散現(xiàn)象，這主要有是超聲檢測(cè)方法的局限性決定的。

超聲檢測(cè)時(shí)，采用人工加工的標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷（通常在管材內(nèi)外表面加工U型槽）對(duì)超聲設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，確定探頭聲束的入射角及超聲的實(shí)際檢測(cè)參數(shù)。但由于超聲標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷為比較規(guī)則的U型槽，設(shè)備調(diào)試時(shí)以U型槽的側(cè)面為反射面調(diào)整入射角，而實(shí)際缺陷存在一定的角度（如圖1所示），當(dāng)聲波垂直缺陷表面時(shí)，缺陷的波幅高，而當(dāng)有傾斜角度時(shí)候，缺陷波幅會(huì)隨著入射角度的增大而急劇下降，其具體關(guān)系如圖3所示。從圖3可見，當(dāng)聲束垂直入射到缺陷上時(shí)，波幅最高，隨著入射角的增大，波幅急劇降低。因此入射角度是影響缺陷實(shí)際深度與波幅偏差較大的原因之一。

另外，在超聲檢測(cè)時(shí)缺陷波幅反映的是超聲聲束在缺陷反射面的綜合體現(xiàn)，而采用的線聚焦其聲束有一定的長(zhǎng)度，當(dāng)缺陷深度雖深但長(zhǎng)度較短，整體的反射面積較小，造成波幅較小，同時(shí)當(dāng)缺陷深度雖淺但長(zhǎng)度較長(zhǎng)，整體的反射面積較大，造成波幅較高，因此會(huì)出現(xiàn)小波幅對(duì)應(yīng)的深缺陷和高波幅對(duì)應(yīng)的淺缺陷的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

4.1 Zr-4合金管材內(nèi)表面縱向缺陷相貌多為裂紋缺陷。

4.2 Zr-4合金管材超聲波幅與實(shí)際缺陷深度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，但由于缺陷方向及缺陷長(zhǎng)度的影響，會(huì)出現(xiàn)波幅與缺陷深度的離散現(xiàn)象。

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（作者單位：國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司）