基于強方波脈沖發射技術的大直徑石墨棒的超聲檢測

李文勝，何 成，趙建平，尹 璐，譚大基，陳秀明

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011;2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

基于強方波脈沖發射技術的大直徑石墨棒的超聲檢測

李文勝1，何 成1，趙建平1，尹 璐2，譚大基2，陳秀明2

(1.國網新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011;2.廣州多浦樂電子科技有限公司，廣州 510663)

基于強方波脈沖發射技術，配合高增益高信噪比接收放大器、高速低功耗數字處理系統以及專用低頻探頭，對大直徑石墨棒進行超聲穿透法檢測。結果表明：采用強方波脈沖發射技術對小厚度(50 mm以下)石墨件檢測時，靈敏度余量比配合普通超聲探頭的超聲檢測儀高55 dB，可解決普通超聲檢測儀無法檢測340 mm左右直徑石墨棒的難題。

強方波脈沖發射；石墨棒；超聲檢測

石墨通常產于變質巖中，是煤或碳質巖石(或沉積物)受到區域變質作用或巖漿侵入作用而形成的。石墨棒為非金屬制品，由碳、石墨加上適當的粘合劑通過擠壓成形，具有耐高溫、導電性良好、不易斷裂的優點。石墨棒常被用來作為高溫真空爐的電熱體，最高使用溫度可達3 000 ℃，可用于鉑金、黃金及合金的冶煉。圖1為成品石墨棒實物。

圖1 成品石墨棒實物

隨著科學技術的飛速發展，石墨制品目前已被廣泛應用于國防、軍工、電力、航空、航天等領域，為確保產品質量安全可靠，對石墨制品的質量要求也日趨嚴格。

1 石墨棒超聲檢測的特點和難點

目前對石墨棒的檢測主要以X射線檢測法為主。但該檢測法的缺點是：設備昂貴、需要專用場地(防護場地)、不適合大厚度制品的檢測。而超聲波檢測方法靈活、費用低、無污染，更適合石墨半成品的檢測[1]。

然而超聲檢測也有其局限性，由于石墨制品的內部結構受石墨原材料特性和制造工藝流程的影響很大，具有材料疏松、晶粒粗大、孔隙較多、密度不均勻和各向異性較強等特點，從而使得聲波的傳播特性較差[2]，聲波在石墨中的衰減相當大，可達到鋼中衰減的幾倍甚至幾十倍[1]。因此，為了達到較好的檢測效果，必須提高超聲檢測儀的發射強度。筆者在深入研究強方波脈沖發射技術的基礎上，針對大直徑石墨棒的超聲檢測提出了一種新的方法。

圖2 600 V方波與1 500 V尖脈沖激勵性能

2 強方波脈沖發射技術

目前現有超聲檢測儀器一般采用400～500 V尖脈沖或400 V方波脈沖，發射電路輸出阻抗偏大，對探頭激勵的能量遠遠不夠，穿透力和檢測靈敏度較低，難以對石墨進行檢測。而采用基于強方波脈沖發射技術的多浦樂Pangolin-39型數字超聲檢測儀，配合高增益高信噪比的接收放大器、高速低功耗數字處理系統以及專用低頻探頭，通過軟硬件的緊密結合，并引入硬件TCG(時間增益較正曲線)、回波信號降噪處理等新技術，能夠解決大直徑石墨棒的檢測難題。

圖2為采用多浦樂頻率為0.3 MHz復合材料晶片探頭，使用36.5 mm的PS(聚苯乙烯)試塊，600 V方波與1 500 V尖脈沖激勵性能如圖2所示，由圖2可知，1 500 V尖脈沖的穿透波幅度為72.8 V，600 V方波的反射波幅度為678 V，兩種激勵波的幅度相差9倍以上。可見600 V方波的能量通過此特殊高能發射技術被最大程度地釋放出來。

高能超聲發射系統主要包含發射電路、探頭以及組成一臺超聲檢測儀所需的接收放大和數字處理系統。

2.1 專用低頻探頭的開發 通常選取帶高壓發射脈沖的超聲檢測儀,配用標稱頻率1 MHz以下的高靈敏度探頭對高難穿透材料進行檢測，且該探頭必須能承受強脈沖的激勵并產生特高的電聲轉換效率，因此采用傳統工藝方法制作的探頭不一定能滿足這個條件。高靈敏度探頭制作的關鍵在于如何使探頭晶片產生最大振動幅度。圖3為發射電壓與晶片振動幅度之間的關系曲線，可見在達到飽和激勵點之前，發射電壓越高，晶片振幅越大。飽和激勵電壓取決于晶片材料、頻率(厚度)等參數，不同材料和頻率的差異相當大，如：2.5 MHz晶片飽和點約1 800 V(峰值電壓)，0.5 MHz晶片飽和點達3 000 V，可見常規儀器的發射脈沖遠未達到飽和激勵電壓。

圖3 發射電壓與晶片振動幅度之間的關系

常規探頭聲與電的阻尼雖然是抑制晶片余振的有效手段，但也同時限制了晶片的最大振動幅度。為了同時獲得晶片的最大振動幅度和較高的分辨率，筆者開發了“動態阻尼”新技術，即在飽和激勵條件下，在回波峰值點過后引入超高阻尼(見圖4)，從而解決分辨率問題。超高阻尼的引入不會影響回波的峰值，且其對低頻探頭的效果更好。

圖4 “動態阻尼”原理示意

經過在探頭晶片選材、聲匹配設計及探頭內部結構設計等多方面進行深入的研究，成功開發出了頻率范圍在0.2～0.5 MHz和2.0～4.0 MHz兩個系列的專用探頭(見圖5)。該探頭能夠配合強方波發射模塊，實現探頭晶片的飽和激勵，使晶片振動幅度趨近極限。

圖5 專用低頻探頭實物

圖6 600 V高能脈沖激勵波形與PS試塊回波

2.2 強方波脈沖發射技術 衡量方波發射系統的三個重要指標包括脈沖幅度、激勵效果和有效輸出阻抗。為實現晶片飽和激勵，開發了新型超強脈沖發射系統，將方波發射脈沖幅度提高到了500～1 000 V，其中600 V超強方波激勵0.3 MHz專用探頭所產生的高能脈沖達3 550 V(峰峰值電壓)，36.5 mm PS試塊回波幅度達646 V(見圖6)，遠遠超出普通檢測儀的脈沖幅度。雖然高能發射脈沖瞬時功率超過500 W，但平均功耗極低，這是系統穩定的前提。

通常來說，脈沖前沿上升時間與探頭回波1/4波長相當的部分為有效激勵幅度，所以，上升前沿越陡，高頻探頭的激勵效果越好。而對于方波激勵模式，方波脈沖前/后沿的上升時間同樣重要，筆者采用后沿激勵疊加的方式，大大提高了激勵效果。

探頭是發射電路的負載，而不同頻率探頭的阻抗差異較大，部分常規探頭的阻抗僅約50 Ω，輸出阻抗越低的發射電路越能向探頭提供最為有效的激勵。筆者在嚴格選擇關鍵器件的基礎上，將重點放在工藝技術的攻關上，實現了實際發射電路的輸出阻抗低于10 Ω，提高了系統的負載能力。

3 大直徑石墨棒的超聲檢測試驗

3.1 試樣制作

在長度2 m，直徑338 mm的石墨棒上截取一段長約46 mm的有自然裂紋缺陷的試樣。試樣形態相當于直徑338 mm，厚度約46 mm的圓餅石墨件。根據缺陷類型制作的對比試樣如圖7所示，圖中白色曲線為該石墨試件本體自然裂紋，A和B分別為探頭在該石墨件圓周面進行穿透法檢測時的擺放位置。

圖7 根據缺陷類型制作的對比試樣外觀

3.2 儀器

采用多浦樂Pangolin-39型高能發射數字超聲檢測儀，該儀器突破性地采用了超強方波發射模塊、新型探頭激勵模式、動態高阻尼新技術和專用探頭概念，具有總增益150 dB的接收放大系統，引入了“C閘門底波衰減監控”技術和“強信號硬件TCG”功能，緊貼現場應用需求。

3.3 探頭及楔塊

試驗分別選取的多浦樂專用探頭型號為I0.3C30NF和I0.5C20NF，圖8為所選探頭外觀。

圖8 試驗用探頭外觀

3.4 試驗方案

由于石墨棒中聲衰減大且材料不均勻，難以對其內部裂紋進行定量檢測。因此擬通過對穿透波幅度的監測試驗來驗證石墨棒內部缺陷的情況，采用常規檢測儀配常規探頭做對比試驗。

3.4.1 石墨餅試件聲衰減檢測試驗

在石墨餅無裂紋區域分別選取三個試驗點(見圖9)，采用Pangolin-39型檢測儀配用0.5 MHz專用探頭進行聲衰減試驗，三個測試點穿透波達到80%時，增益分別為：38.8，39.4，32 dB。可見石墨餅不同位置處聲衰減差異很大，這也是不能用超聲進行精確定量的主要原因。

圖9 石墨餅上不同測試點的聲衰減試驗

3.4.2 穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗

選取無裂紋區域，采用Pangolin-39型檢測儀配用0.3 MHz專用探頭對46 mm厚石墨餅進行穿透法檢測試驗，如圖10(a)所示。穿透波波高達到80 %時，儀器增益16.3 dB。空載電噪聲10 %時，儀器有效總增益145 dB，即尚有128.7 dB的有效靈敏度余量。

在同一位置，采用Pangolin-39型儀器配用0.5 MHz專用探頭對46 mm厚石墨餅進行穿透法檢測試驗，如圖10(b)所示。穿透波波高達到80%時，儀器增益28 dB。空載電噪聲10 %時，儀器有效總增益145 dB，即尚有117 dB的有效靈敏度余量。

圖10 不同頻率探頭穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗現場

在同一位置，選用普通數字超聲檢測儀配合0.5 MHz普通超聲探頭進行穿透法檢測試驗，如圖11所示。穿透波波高達到80 %時，儀器增益32.5 dB，如圖12(a)所示。空載電噪聲10 %時，儀器有效總增益94.5 dB，如圖12(b)所示，即有62 dB的有效靈敏度余量。

圖11 常規檢測儀穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗現場

圖12 常規檢測儀穿透法檢測46 mm厚石墨餅試驗結果

從以上對比試驗可知，采用強方波發射技術的Pangolin-39型檢測儀進行石墨棒穿透法試驗時，檢測靈敏度余量可比普通數字超聲檢測儀配合普通超聲探頭靈敏度余量高55 dB。

3.4.3 石墨餅試件直徑338 mm外圓穿透檢測試驗

通過46 mm厚石墨餅穿透試驗，得出采用0.3 MHz專用探頭比0.5 MHz專用探頭的檢測靈敏度余量高11.7 dB，穿透效果更好，故在后續石墨餅試件直徑338 mm外圓穿透檢測試驗中均選用0.3 MHz專用探頭。而普通常規數字超聲檢測儀的頻帶下限一般不低于0.5 MHz，故進行普通常規數字超聲檢測儀對比試驗時，只能選用0.5 MHz普通超聲探頭。試驗步驟為：

(1) 在圓周面選取圖7所示B位置放置兩個0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的無裂紋區域，如圖13(a)所示，當穿透波波高達到70 %時，儀器總增益80 dB。在同一位置，選用普通數字超聲檢測儀配合0.5 MHz普通超聲探頭進行穿透法檢測試驗，穿透波已埋沒在噪聲信號中無法區分，如圖14所示。

圖13 高能發射數字超聲檢測儀外圓穿透檢測試驗示意

(2) 在圓周面選取圖7所示略偏離B位置的地方放置兩個0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的有微弱裂紋區域，如圖13(b)所示。當儀器總增益為80 dB時，屏幕有高度約為20 %的微弱穿透回波信號。

在圓周面選取圖7所示A位置放置兩個0.3 MHz專用探頭，即采用穿透法，使超聲波穿過直徑338 mm的有裂紋區域，超聲波完全被裂紋擋住無法穿透，無回波信號，如圖13(c)所示。通過石墨餅外圓穿透試驗可知，石墨棒內裂紋狀況可通過對穿透波幅度的分析來判斷，因此基本解決了石墨棒內缺陷的定性檢測。但如何根據穿透波幅度來制定一個缺陷評級準則，還需要進一步的試驗和研究。

圖14 常規數字超聲檢測儀外圓穿透檢測試驗示意

4 結語

(1) 石墨棒內部密度和材料的不均勻性導致其在不同位置處的聲衰減狀況存在較大差異。

(2) 通過使用強方波脈沖發射技術，配合特制的專用低頻超聲探頭能夠解決較大直徑石墨棒的超聲檢測難題，檢測靈敏度余量可達到普通超聲檢測儀配合普通超聲探頭的2倍。

(3) 針對大直徑石墨棒的超聲檢測，鑒于其高衰減特性，可利用超聲波穿透法檢測材料內部有無缺陷。由于穿透法的限制，僅能判斷缺陷在石墨棒長度方向上的位置，而無法得出缺陷深度，無法對缺陷進行精確定量。

(4) 由于檢測樣品數量有限，如將此技術運用到實際生產中還需大量試驗來制定缺陷評判的標準，并根據各批次的具體檢測情況對檢測工藝參數進行進一步優化。

[1] 李平，陸玉峻，李婉秋. X射線和超聲波檢測法在碳石墨制品中的應用[J]. 無損探傷，1999，23(3)：1-5.

[2] 李平，陳銳，李婉秋. 石墨制品的超聲波無損檢測技術[J]. 炭素，1997，20(4)：32-36.

Ultrasonic Inspection of Large-diameter Graphite Rod by High Square-wave Pulse Emission Technology

LI Wen-sheng1, HE Cheng1, ZHAO Jian-ping1, YIN Lu2, TAN Da-ji2, CHEN Xiu-ming2

(1.Electric Power Science Research Institute of National Grid Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011, China； 2.Guangzhou Doppler Electronic Technologies Co., Ltd., Guangzhou 510663, China)

A research was performed on high square-wave pulse emission technology. Together with high-gain high signal-noise ratio amplifier, high-speed low-power consumption digital processing system and dedicated low-frequency probes, large-diameter graphite rod was inspected by ultrasonic through-transmission method. Comparision test was carried on using common ultrasonic flaw detector with low-frequency ordinary probe. The result shows that: using this new technology, the surplus sensitivity is two times of normal ultrasound method while using this new technology; and the 340mm large diameter graphite rod inspection problems are successful resolved.

High square-wave pulse emission；Graphite rod；Ultrasonic inspection

2016-07-11

李文勝(1968-)，男，高級工程師，主要從事電力設備檢驗及檢測工作。

尹 璐，E-mail: yinlu@cndoppler.cn。

10.11973/wsjc201703005

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0018-05