薄壁碳鋼管高精度超聲測厚誤差產生原因

商俊敏

(中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300)

薄壁碳鋼管高精度超聲測厚誤差產生原因

商俊敏

(中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300)

針對某核電廠薄壁碳鋼管高精度超聲測厚數據誤差的問題，通過理論分析、試驗驗證和現場驗證，證明了管道內表面粗糙度、探頭阻尼系數和超聲波衰減周期數是誤差產生的主要原因，并推薦了表面粗糙度高的薄壁碳鋼管高精度超聲測厚探頭的選取原則以及對試塊表面粗糙度的要求。

薄壁碳鋼管；超聲測厚；表面粗糙度

國內某核電廠有兩座從加拿大引進的CANDU6型重水反應堆，根據加拿大標準，需要定期對主熱傳輸支管(以下簡稱Feeder管)進行超聲測厚，并評估其安全性和使用壽命。Feeder管是薄壁碳鋼管，公稱壁厚5～7 mm，由于流體加速腐蝕(以下簡稱FAC)的作用，每年減薄0.02 mm左右。Feeder管是CANDU6型重水反應堆一回路壓力邊界，根據安全評估和壽命評估的需要，超聲測厚的精度要求需達到±0.03 mm。

1#機組Feeder管第一次超聲測厚是由A公司實施的，檢測結果符合FAC規律，檢測數據是可信的。2#機組Feeder管第一次超聲測厚是由B公司實施的，經過對檢測數據的統計分析，可知檢測數據不符合FAC規律，檢測數據整體偏大，結果不可信。筆者通過理論分析、試驗驗證和現場驗證，證明了管道內表面粗糙度、探頭阻尼系數和超聲波衰減周期數是誤差產生的主要原因，并推薦了表面粗糙度高的薄壁碳鋼管高精度超聲測厚探頭的選取原則以及對試塊表面粗糙度的要求。

1 超聲測厚誤差原因初步分析

為了分析2#機組Feeder管第一次超聲測厚數據誤差的原因，從人員、程序、設備等方面逐項進行分析。

兩次檢測(1#機組第一次檢測和2#機組第一次檢測)所使用的程序是相同的；兩次檢測的人員都具有合格的無損檢驗資格證書；兩次檢測所使用的超聲測厚儀、試塊和夾具都是相同的。唯一不同的是兩次檢測所使用的探頭有所不同，1#機組第一次檢測使用的探頭是Panametrics M2055(以下簡稱探頭A)，2#機組第一次檢測除了使用探頭A外，還使用了一種與探頭A具有相同尺寸和頻率的探頭(以下簡稱探頭B)。經過初步分析，探頭B可能是造成2#機組Feeder管第一次超聲測厚數據誤差過大的原因。

2 探頭對光滑表面試塊測厚精度的影響

在使用探頭B之前，在表面粗糙度Ra<1.6 μm的試塊上進行了對比測試，測厚精度與探頭A測厚精度相同，都是±0.03 mm。

兩種探頭在表面粗糙度Ra<1.6 μm的試塊上測得的精度相同，但是在運行一段時間的Feeder管上測得的精度可能會不同，這是因為Feeder管內表面在FAC作用下，被沖刷成貝殼狀，圖1是運行12 a左右的Feeder管內表面SEM形貌，圖中顆粒直徑為0.1～0.9 mm，其粗糙度峰值大約為0.1 mm。所以，需要進一步分析不同探頭在粗糙表面試塊上進行超聲測厚時對精度的影響。

圖1 Feeder管內表面SEM形貌

3 探頭對粗糙表面試塊測厚精度的影響

為了驗證探頭對粗糙表面試塊測厚精度的影響，采用噴丸工藝加工了兩塊粗糙度分別為25,50 μm的試塊，噴丸處理的粗糙表面試塊外觀如圖2所示。

圖2 噴丸處理的粗糙表面試塊外觀

圖3 試塊測厚布點示意

每塊試塊上設置36個測試點(見圖3)，探頭A和探頭B分別對試塊進行測厚， 每個探頭各測72個點。探頭A測得的72個數據穩定，檢測過程中數據不跳動；探頭B測得的72個數據中有4個數據不穩定，檢測過程中數據有明顯的跳動。

Feeder管超聲測厚值是工件表面一次反射波中最先到達80%滿屏的波峰與底面一次反射波中最先到達80%滿屏的波峰之間的距離(見圖4)。

圖4 探頭A在粗糙表面試塊上的超聲反射波的典型波形示意

很多文獻中提到了表面粗糙度會對超聲測厚精度造成影響，其中文獻[1-2]中測量了不同表面粗糙度對超聲測厚精度的具體影響，但是很少有文獻從超聲波波形上分析粗糙度對精度造成影響的原因。為了了解兩種探頭在粗糙表面試塊上測得的數據不同的原因，進一步對超聲波的波形進行詳細分析。

探頭A在粗糙表面試塊上的超聲反射波典型波形如圖4所示，探頭A的底面一次反射波衰減很快，震蕩周期數在2個以內，底面一次反射波第一個波峰與第二個波峰的幅值差別明顯，在不同粗糙度的試塊上都是第一個波峰先到達80%滿屏。

探頭B在粗糙表面試塊上得到的超聲反射波典型波形如圖5所示，底面一次反射波衰減慢，震蕩周期數超過4，底面一次反射波第一個波峰與第二個波峰的幅值差別不明顯;圖5(a)顯示底面一次反射波的第一個波峰先到達80%滿屏，圖5(b)顯示底面一次反射波的第二個波峰先到達80%滿屏。

圖5 探頭B底面一次反射波的第一、二個波峰先到80%滿屏示意

真實的厚度值應該是工件表面一次反射波中最先到達80%滿屏的波峰與底面一次反射波中第一個波峰之間的距離，但是在檢測過程中，測量人員只要稍微調整探頭的角度和接觸力度，底面一次反射波中第一個波峰和第二個波峰的幅值就會改變，測厚數據就會跳動。底面一次反射波第一個波峰與第二個波峰之間的誤差是0.2～0.3 mm，這與2#機組Feeder管第一次超聲測厚的誤差是相符的。

4 現場驗證試驗

在1#機組Feeder管第一次超聲測厚的1.5 a后，選取了5根Feeder管進行驗證試驗，下面以編號為D05的Feeder管測厚數據為例說明驗證結果。

探頭A在編號為D05的Feeder管測得21個數據，將各數據與上一次測得的數據相減，再除以運行時間，得到各點的減薄速率(見圖6)，21個數據均值是-0.018 mm·a-1，也就是平均減薄速率是0.018 mm·a-1，符合 Feeder管減薄規律。

圖6 探頭A測得的壁厚減薄速率曲線

探頭B測得的各點減薄速率曲線見圖7，21個數據的均值是0.09 mm·a-1，也就是經過1.5 a的運行，壁厚沒有減薄反而增加了，這是明顯錯誤的。

圖7 探頭B測得的壁厚減薄速率曲線

經現場驗證可知，在Feeder管內表面粗糙度為50 μm左右的情況下，探頭B是2#機組Feeder管第一次超聲測厚誤差產生的主要原因。

5 結語

(1) 在對內表面粗糙度超過25 μm的薄壁碳鋼管進行高精度超聲測厚時，需要使用高阻尼和窄脈沖的超聲測厚探頭，超聲波工件表面反射波的衰減周期數要小于2。

(2) 對內表面粗糙的薄壁碳鋼管進行超聲測厚時，不僅要觀察測厚儀的讀數，還要觀察工件表面和工件底面反射波的波形，從波形上判斷讀數的正確性。

(3) 在對高精度超聲測厚系統進行標定時，標定試塊的內、外表面粗糙度要與實際檢測件的內、外表面粗糙度盡量保持一致。

[1] 梁鵬飛，張繼榮，匡立中，等.核電壓力管道表面粗糙度對超聲波測厚數據的影響[J].無損檢測，2013,35(9):49-51.

[2] 張黎，王哲，崔西明，等.表面粗糙度對電磁超聲測厚的影響[J].無損檢測，2016,38(4)：49-53.

The Cause of High Accuracy Ultrasonic Thickness Measurement Error of Thin Walled Carbon Steel Pipe

SHANG Jun-min

(CNNP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, China)

This paper aims to analyze errors of the high accuracy ultrasonic thickness measurement of thin walled carbon steel pipe in one nuclear power plant. Through theoretical analysis, test verification and site verification, it is verified that the main reasons of error are due to the pipe inner surface roughness, the probe damping and wave attenuation pulse cycles. The principle for selection of high accuracy thickness measuring probe for thin walled carbon steel pipe with rough inner surface is recommended and the requirement for specimen surface roughness is introduced.

Thin wall carbon steel pipe; Ultrasonic thickness measurement; Surface roughness

2016-10-05

商俊敏(1979-),男，高級工程師，碩士，主要從事核電廠在役檢查工作。

商俊敏， E-mail: speedshang@126.com。

10.11973/wsjc201703020

TG115.28；TL48

B

1000-6656(2017)03-0080-03