釬焊耦合高溫波導(dǎo)桿技術(shù)測厚可靠性研究

賈九紅，姚戴鋒，田紅春，王一寧，曹偉燁，彭善柏

(1.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室，上海 200237;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，南京 210036;3.上海新陣元電子科技有限公司，上海 200030)

0 引言

現(xiàn)代能源與化學(xué)工業(yè)向高溫、高壓、深冷等嚴(yán)苛工況發(fā)展，承壓設(shè)備規(guī)模不斷增大，腐蝕壁厚減薄、沖刷壁厚減薄時刻發(fā)生，減薄位置極易發(fā)生泄漏、開裂。在線壁厚監(jiān)測技術(shù)是能否守住承壓邊界安全“底線”的有力保障[1-2]，它不但考慮了設(shè)備的固有缺陷，而且兼顧到了意外事故的影響，可以及時發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行維修或維護，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，從而有效提高裝備的安全可靠性[3-6]。

研究發(fā)現(xiàn)超聲導(dǎo)波是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測的重要方法[7]，常規(guī)超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在室溫或安全環(huán)境中可以可靠地進(jìn)行監(jiān)測，但在高溫環(huán)境下超聲導(dǎo)波的監(jiān)測存在許多問題，主要有：如果壓電超聲換能器直接接觸被測試件會面臨高溫退極化失效的問題，其所使用的耦合劑易揮發(fā)；電磁超聲換能器可以實現(xiàn)高溫下的非接觸測量，但其功耗大，能量轉(zhuǎn)換效率低，體積和質(zhì)量大，不適合長期在線監(jiān)測[8-9]；激光超聲可實現(xiàn)非接觸測量，但是能量過大時可能將被測表面擊穿[10]。因此，為了滿足高溫結(jié)構(gòu)長時間在線測量的需求，引入了波導(dǎo)桿技術(shù)[11]，波導(dǎo)桿可將輕質(zhì)且穩(wěn)定性好的壓電超聲換能器與高溫被測試件有效隔開，使超聲傳感器一直處于“舒適”的工作狀態(tài)，這大大提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。

高溫波導(dǎo)桿技術(shù)中波導(dǎo)桿與被檢測試件的常見耦合方式有干耦合與焊接耦合，不同的波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)與不同的耦合方式組合而成的波導(dǎo)桿系統(tǒng)具有不同的測量精度。CEGLA等[12]設(shè)計了具有大長寬比的帶狀波導(dǎo)桿，采用干耦合方式。通過開展平板的測厚試驗發(fā)現(xiàn)：干耦合的情況下，系統(tǒng)可以有效地傳遞SH0*波，且監(jiān)測到的板底回波信號信噪比較高。通過長達(dá)4個星期的高溫穩(wěn)定性試驗，證明了波導(dǎo)桿監(jiān)測技術(shù)的可靠性，厚度測量誤差不大0.1 mm；尹正熙[13]也采用干耦合的方式，設(shè)計了兩根條狀導(dǎo)波構(gòu)成波導(dǎo)桿監(jiān)測系統(tǒng)，采用“一激一收”的檢測方式，并在400 ℃的高溫下進(jìn)行測厚試驗，通過試驗證明，該波導(dǎo)桿式監(jiān)測技術(shù)的測量誤差不大于0.2 mm。高炳軍等[14-15]采用焊接耦合方式，將圓柱形波導(dǎo)桿以全焊透的形式垂直地焊接在被測管道上，波導(dǎo)桿上設(shè)置翅片并輔以風(fēng)源進(jìn)行散熱，其遠(yuǎn)端安裝壓電超聲傳感器，近端焊接在被測管道上進(jìn)行400 ℃的測厚試驗，多次試驗的測量誤差不大于0.3 mm；石永亮等[16]優(yōu)化了圓柱形波導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將波導(dǎo)桿設(shè)計為階梯狀，采用非焊透的連接與耦合方式，波導(dǎo)桿的遠(yuǎn)端較粗便于壓電傳感器的安裝，波導(dǎo)桿與被測試件接觸的近端較細(xì)，與文獻(xiàn)[14]的波導(dǎo)桿系統(tǒng)相比較，焊接面積大大減小，焊縫對聲波的傳遞干擾明顯降低，因此高溫環(huán)境中的測厚精度顯著提高，測量誤差減小了0.15 mm。

焊接耦合比夾緊方式的干耦合連接固定的效果好，但是焊接過程中波導(dǎo)桿與被測試件的接觸部位會經(jīng)歷化學(xué)成分和金相組織的變化，不但容易在被測試件表面產(chǎn)生焊接缺陷，而且焊縫會干擾聲波的傳遞，降低測量精度。然而，釬焊技術(shù)是利用低于焊件熔點的釬料，在焊接時熔融填充固態(tài)工件的縫隙，從而使金屬連接的焊接方法，對被測試件的影響較低。

釬焊技術(shù)與常規(guī)焊接技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：(1)不會導(dǎo)致被測結(jié)構(gòu)基材金屬溶解，不會對被測試件材料產(chǎn)生破壞作用；(2)釬料熔融后，利用毛細(xì)流動原理將波導(dǎo)桿與被測平板焊接在一起，降低中間介質(zhì)對超聲反射的影響[17-20]。鑒于以上優(yōu)點，為了提高高溫環(huán)境中波導(dǎo)桿系統(tǒng)的測厚精度，本文研究釬焊焊接耦合方式在高溫波導(dǎo)桿技術(shù)應(yīng)用中的可行性；設(shè)計脈沖反射法的測厚試驗系統(tǒng)，將經(jīng)過多次加工減薄后的平板放置在不同溫度中，進(jìn)行厚度監(jiān)測，測量不同溫度下的SH0*波精確波速值，以驗證基于釬焊耦合的波導(dǎo)桿測厚系統(tǒng)的高溫穩(wěn)定性和厚度測量的高可靠性。

1 釬焊耦合高溫波導(dǎo)桿測厚試驗系統(tǒng)

由于非頻散類水平剪切波(SH0*)沒有離面位移，不會受到承壓設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)的干擾而引入測量誤差，因此在線監(jiān)測承壓設(shè)備時非常有利[11-12,21]。因此根據(jù)高溫波導(dǎo)桿傳遞非頻散類水平剪切波(SH0*)的限制條件[22]，該試驗中波導(dǎo)桿設(shè)計為300 mm×18 mm×1 mm。在工程實際使用的過程中，波導(dǎo)桿技術(shù)主要用于管道或容器等曲表面上，波導(dǎo)桿的寬度方向與管道或容器的中心向平行，此時直徑較大的管道或容器等曲表面相對于1 mm厚的薄板，可以近似為平板。所以為了方便試驗過程中被測試件減薄加工，設(shè)計平板作為被測試件，試驗平板厚度利用螺旋測微計實測數(shù)值為10.375 mm，在試驗過程中根據(jù)需要將逐漸減薄。材料均選擇SUS316L不銹鋼。釬料選擇耐高溫的不銹鋼BAg45CuZn銀基釬焊釬料，同時為了減少焊接對聲波的干擾，將釬料僅僅放置于波導(dǎo)桿端面的兩側(cè)部分，利用毛細(xì)流動原理將波導(dǎo)桿與被測平板焊接在一起。

設(shè)計高溫測試系統(tǒng)，試驗結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測試樣平板、釬焊的連接接頭和波導(dǎo)桿的近端放置在高溫箱中，波導(dǎo)桿的遠(yuǎn)端由高溫箱上部的開口處伸出至常溫環(huán)境，開口處用保溫棉封閉以提高保溫效果。高溫箱內(nèi)的試樣平板上部安裝熱電偶，實時測量平板的溫度。伸出高溫箱的波導(dǎo)桿遠(yuǎn)端面上安裝剪切式壓電傳感器，激勵信號為1.5 MHz中心頻率(fc)下的漢寧窗調(diào)制的五周期正弦波信號。

圖1 釬焊耦合的高溫測厚試驗系統(tǒng)示意

高溫測試系統(tǒng)中試驗設(shè)備包括信號發(fā)生器、功率放大器、雙工器、數(shù)字示波器、橫波探頭等。信號發(fā)生器產(chǎn)生超聲信號，經(jīng)功率放大器放大一定倍率，進(jìn)入雙工器。雙工器一方面將超聲信號傳遞給探頭，使得壓電傳感器在波導(dǎo)桿頂端面激勵超聲信號；另一方面，雙工器可以得到壓電傳感器當(dāng)前接收到的超聲信號，實現(xiàn)脈沖反射信號的有效提取。即借助雙工器，使得回波信號傳至數(shù)字示波器，完成超聲回波信號的采集。

此外，模擬試件被逐漸腐蝕的過程，將試驗平板底部進(jìn)行3次電火花切割，切削掉一定厚度的鋼板。每次切割完成后，對被測試樣平板厚度進(jìn)行多次測量，研究高溫環(huán)境中波導(dǎo)桿技術(shù)厚度測量的長期可靠性和系統(tǒng)測量誤差。

2 高溫波導(dǎo)桿釬焊耦合技術(shù)長期可靠性

在研究高溫環(huán)境中波導(dǎo)桿釬焊耦合技術(shù)使用可靠性之前，首先測試該技術(shù)在室溫環(huán)境中的檢測效果。根據(jù)飛行時間法[23](Time of flight,簡稱TOF)，計算板厚度的公式為：

(1)

式中，d為板厚,mm；v為波速,m/s；t1為第1個板底回波信號波包對應(yīng)的時間,s；t2為第2個板底回波信號波包對應(yīng)的時間,s。

由公式(1)可以看出，壁厚的計算主要是取決于兩個板底波包時域信號的時間值和波速。在高溫環(huán)境中波速隨著溫度的變化而變化，隨后重點研究波速與溫度的相關(guān)性。根據(jù)公式(1)可知，當(dāng)溫度恒定時，為了實現(xiàn)精確的厚度測量，需要確定t1和t2兩個變量，從而計算飛行時間。為了實現(xiàn)TOFs值的準(zhǔn)確計算，本文采用包絡(luò)峰值檢測方法[24-25]：將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab內(nèi)置的小波變換工具箱，進(jìn)行降噪處理，再進(jìn)行Hilbert變換取包絡(luò)線[26]，將包絡(luò)線最大幅值發(fā)生的時間點作為板底回波信號波包對應(yīng)的點，從而提高時域信號TOFs的提取精度，該方法處理過程如圖2所示。

圖2 包絡(luò)峰值檢測方法信號處理過程Fig.2 Signal processing of envelope peak detection method

按照以上厚度計算方法，使用常規(guī)超聲探頭和基于釬焊耦合的波導(dǎo)桿技術(shù)同時測量同一試塊，并且信號采集儀器相同。試驗發(fā)現(xiàn)，二者測量結(jié)果相同，均為10.380 mm，誤差為±0.005 mm。并且測試了波導(dǎo)桿焊接耦合技術(shù)在不同頻率激勵下的響應(yīng)特性，當(dāng)在1～2.25 MHz范圍內(nèi)改變激發(fā)信號的中心頻率時，采集到的時域回波信號如圖3所示。3個不同中心頻率激勵的信號波包寬度不同，2 MHz時波包最窄，1 MHz時波包最寬，并且均沒有發(fā)生回波波包重疊的顯現(xiàn)。這些試驗表明，基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿技術(shù)，可以采用不同的激發(fā)頻率在不同溫度下采集到穩(wěn)定的多次反射回波，回波信號清晰可辨，從而證明該系統(tǒng)并且具有很好的普適性，可以用于測厚試驗。所以后續(xù)研究將選擇1.5 MHz的中心頻率，實現(xiàn)對試件厚度準(zhǔn)確測量。

圖3 不同激發(fā)頻率時超聲導(dǎo)波在10 mm厚鋼板中的波形圖Fig.3 Waveforms of ultrasonic guided wave in 10 mm-thicksteel plates at different excitation frequencies

為了研究基于釬焊耦合的波導(dǎo)桿技術(shù)在高溫環(huán)境中工作的可靠性，試驗開展不同溫度對超聲信號的影響研究。在試驗的過程中，模擬核電管道的使用工況，試驗溫度從20 ℃(室溫)到270 ℃之間每間隔50 ℃分別提取一次回波信號，采集信號的時域波形圖見圖4。在高溫管道工作溫度范圍附近270～300 ℃，每間隔10 ℃進(jìn)行一次回波信號提取，采集信號的時域波形圖見圖5。根據(jù)圖4,5可以看出，采集到的回波信號清晰可辨，從左到右的波包依次為桿底回波，板底1次回波，板底2次回波，板底3次回波、板底4次回波和板底5次回波。

根據(jù)圖4,5，基于文獻(xiàn)[22]可以判斷，該波導(dǎo)桿系統(tǒng)中激勵與傳播的聲波為單純的SH0*波。并且長期穩(wěn)定性試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測信號不隨監(jiān)測時間的增長而變化，系統(tǒng)中波包純凈，沒有頻散現(xiàn)象發(fā)生。隨著溫度的增加，回波信號波包的位置隨著溫度增加依次向右偏移，并且溫差越大、偏移越明顯。這是因為溫度增加時，波導(dǎo)桿系統(tǒng)中激勵與傳播的SH0*波的聲速下降，當(dāng)聲波經(jīng)過相同厚度的被測試樣時需要的時間依次增加[27]。同時由于溫度升高，被測試件的熱膨脹逐漸增加，也是聲波波包向右移動的原因之一。

圖4 20～270 ℃范圍內(nèi)不同溫度回波信號時域波形圖Fig.4 Time-domain waveforms of echo signal at differenttemperatures in the range of 20～270 ℃

圖5 270～300 ℃范圍內(nèi)不同溫度回波信號時域波形圖Fig.5 Time-domain waveforms of echo signal at differentin temperatures in the range of 270～300 ℃

考慮到溫度升高被測試件平板由于熱膨脹而變厚，根據(jù)SUS316L不銹鋼在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)[28]，通過式(2)計算不同溫度下的平板基準(zhǔn)厚度：

l=(1+αΔT)l0

(2)

式中，l為膨脹后的尺寸長度,mm；α為材料的平均線膨脹系數(shù),1/℃；ΔT為環(huán)境溫度與常溫的溫差,℃；l0為常溫下的尺寸長度,mm。

采用飛行時間法[21]，用平板基準(zhǔn)厚度除以超聲信號相應(yīng)波包時間差，計算不同溫度下的聲波速度，進(jìn)行線性擬合，繪制不同溫度下的聲速曲線如圖6所示。

圖6 不同溫度下的聲速曲線Fig.6 Sound velocity curve at different temperatures

3 高溫波導(dǎo)桿技術(shù)測厚精度分析

為了研究基于釬焊耦合的波導(dǎo)桿技術(shù)在高溫環(huán)境中的測厚精度，采用電火花切割技術(shù)對被測試樣平板進(jìn)行3次減薄，每次減薄約0.1 mm?？紤]到電火花切割技術(shù)可能存在誤差，所以試驗中使用螺旋測微計對切割后的試樣進(jìn)行測量，測量得到的基準(zhǔn)厚度分別為10.256,10.128,9.990 mm。

在高溫試驗的過程中，每個不同厚度的試樣平板，均是按照相同的溫升曲線從20 ℃加熱升溫至300 ℃。為了方便描述，將高溫試驗中4個不同厚度的試樣10.375,10.256,10.128,9.990 mm測量的厚度值，分別記為A,B,C,D四組?；阝F焊耦合的波高桿技術(shù)測量厚度值與不同溫度下的平板基準(zhǔn)厚度值對比如圖7所示。

比較圖7中高溫波導(dǎo)桿技術(shù)測量厚度值與相應(yīng)試樣基準(zhǔn)厚度值，可以得出以下結(jié)論：

(1)基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿技術(shù)可以清晰地測量出被測試樣0.1mm厚度的變化；

(2)基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿測試系統(tǒng)的絕對誤差小于0.05 mm；

(3)不同厚度的平板試樣在不同的溫度下的測量精度均較高，各個測試點的相對誤差均小于0.5%。

圖7 不同平板試樣測量厚度與基準(zhǔn)厚度對比Fig.7 Thickness comparison between measured and referencedvalues using different plate specimens

4 結(jié)論

現(xiàn)代能源與化學(xué)工業(yè)中，壁厚減薄在線監(jiān)測技術(shù)是提升承壓設(shè)備安全運行能力的關(guān)鍵，為了提供一種高溫環(huán)境中長期測厚的可靠方法，本文研究了基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿技術(shù)測厚的可靠性，試驗研究得出以下結(jié)論。

(1)以BAg45CuZn為釬料的釬焊耦合工藝可以使得波導(dǎo)桿系統(tǒng)達(dá)到很好的耦合效果，并且基于釬焊耦合的波導(dǎo)桿技術(shù)可以長期穩(wěn)定地激發(fā)并傳遞純凈的非頻散SH0*波。

(2)突破已有研究的溫度局限，精確測量了0～300 ℃溫度范圍SH0*波在316L不銹鋼中的傳播速度，不但可以為高溫超聲在線監(jiān)測提供可靠的測量計算依據(jù)，也可以為無損檢測中高溫結(jié)構(gòu)的探傷提供準(zhǔn)確的波速數(shù)值。

(3)通過對減薄試樣在高溫環(huán)境中的測厚試驗，發(fā)現(xiàn)基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿技術(shù)可以清晰地測量出被測試樣0.1 mm厚度的變化。

(4)基于釬焊耦合的高溫波導(dǎo)桿技術(shù)測量厚度的絕對誤差小于0.05 mm，且各個測試點的相對誤差均小于0.5%。