分享：核电厂CRDM热套管的相位相干成像检测

反应堆压力容器顶盖CRDM热套管为不等厚变径异型结构，在核电厂运行期间，该部件的变径过渡区容易出现应力集中，有形成热疲劳裂纹的风险。相控阵超声检测技术作为一种评价体积完整性的检测方法，具有覆盖范围大，检测灵敏度高，检测效率高等优势[1-3]。而相控阵全聚焦成像技术是一种先进的相控阵检测技术，其利用超声波换能器依次发射超声波信号，其他换能器接收反射信号，从而形成一个完整的信号矩阵，此过程称为全矩阵捕获（FMC），随后对采集的信号进行复杂地运算后处理，包括时间延迟、声场重构等，使成像区域的每个像素点都能获得最佳的聚焦效果，进而实现高分辨率高精度成像。[4-5] 

但是对于不等厚变径结构，超声波在传播过程中会在变径区域形成结构信号，该结构信号幅值较高，容易干扰或掩盖近变径区域缺陷信号，即便采用全聚焦相控阵技术，仍较难检出变径区域附近的危害性缺陷（如裂纹）。因此提高相控阵超声对固定反射体附近小缺陷的检测能力，能够丰富该检测技术的适用范围，为不等厚变径结构的质量评价提供更有效的手段。 

相位相干成像（PCI）是一种基于全矩阵捕获（FMC）数据采集后的新型超声成像处理算法，其全矩阵数据采集的相关原理与全聚焦成像技术原理一致，只是数据采集后的处理成像算法不同，PCI主要是利用超声A扫信号的相位信息进行成像，而不利用信号的幅值信息进行成像，（幅值信息不参与到PCI的算法中）。由于PCI具有独特的超声成像处理算法，来自大平面反射体的信号相对于回波幅值的求和会有所减少；且因为只有回波的相位信息参与到求和运算中，PCI对于固定结构信号的聚焦效果不强烈，大大提高了平面型缺陷衍射信号的敏感性，可作为一种针对不等厚变径结构的非振幅检测方法。 

1.   PCI全聚焦成像原理

PCI成像检测技术是一种基于全矩阵数据采集（FMC）的相控阵超声后处理成像方法，首先将全矩阵采集到的超声A扫描信号进行相位化处理，将FMC的A扫信号幅值与时间转换为相位与时间的关系。通常正相位用1表示，负相位用-1表示，0点相位用0表示，因此经过相位化的A扫描信号每个时间点对应的相位值只会是1，0或-1三个值。采样点的幅值为80%与10%对应的相位值均为1，因此A扫描信号幅值对PCI成像影响很小，只要A扫描信号能够准确得到相应点的相位信息即可。PCI相位转化及成像结果示例如图1所示（P为像素点）。 

图  1  PCI相位转化及成像结果示例

PCI图像的计算过程与全聚焦成像相似，从激发阵元Fi到像素点P再返回到接收阵元Jj的声程时间tij，基于该特定信号提取对应该声程时间的相位?ij。对FMC矩阵的所有信号重复该过程，将所有这些相位相加求和，得到PCI图像中该像素点的相位，然后对所有像素点重复整个过程，以获得整个PCI图像。其计算公式为 

式中：I(P)为像素点P的相位；N为相控阵探头激发晶片的总数；?ij为相位值。 

2.   试件制备与试验方法

为了对比全聚焦成像与PCI成像两种模式的检测效果，制作了比例为1∶1的CRDM热套管缺陷模拟试块，试块材料为Z2CN19-10不锈钢，内径为53 mm，管道壁厚为4.1~6.8 mm，缺陷模拟试块的结构示意如图2所示。 

图  2  不等厚变径管道缺陷模拟试块结构示意

根据断裂力学分析，该部件应力集中区域为变径区，主要失效机理为热疲劳裂纹，缺陷模拟试块使用EDM（电火花线切割）刻槽作为典型的平面型缺陷，刻槽分布在变径区的厚壁侧、中间侧以及薄壁侧[6]，缺陷尺寸信息如表1所示，缺陷位置分布及试块实物如图3，4所示。 

图  3  缺陷位置分布示意

图  4  缺陷模拟试块实物

全聚焦相控阵检测采用GEKKO（64/128PR）型便携式相控阵超声仪，其共有128个检测通道，单次激发晶片最大数量为64个，最大采样率为100 MHz。试验采用频率为10 MHz、32晶片的线阵探头。仪器设备的标定及检测参数设置参考标准ISO 23864：2021《焊缝无损检测 超声检测 自动化全聚焦技术（TFM）及相关技术的应用》，对比试验中采用同样的设备以及检测参数，确保数据的准确性及可比性。 

3.   试验结果与讨论

将工件模型导入相控阵仪器，全聚焦成像检测区域覆盖缺陷模拟试块的变径检测区域，选择横波T-T模式，成像区域的宽度为25 mm，高度为10 mm。成像分辨率为40采样点·mm−1，像素点幅值最大误差为0.2 dB。 

3.1   成像效果对比

选择两个不同位置的EDM刻槽作为典型的平面型缺陷，对比全聚焦成像和PCI成像两种全聚焦模式的检测结果。中间侧刻槽（高度1.0 mm）的检测结果如图5所示，可见，全聚焦成像模式提供了清晰的检测图像，缺陷模拟试块的变径过渡区域结构信号明显且幅值较高，刻槽的上尖端信号清晰可见，未发现刻槽的侧壁信号；PCI成像模式表现出更高的信噪比，由于只有回波的相位信息参与到运算中，缺陷模拟试块的变径过渡区域结构信号呈现间断的特征，未体现出大面积反射体的聚焦效果，刻槽的上尖端信号同样清晰可见，且能发现与刻槽相关联的侧壁信号，对于平面型缺陷能提供更多的信息，特别是在有结构信号干扰的情况下，展现出了PCI成像的优势。 

图  5  试块的中间侧刻槽检测结果

当缺陷位于厚壁侧，缺陷模拟试块中0.1 mm高度的刻槽均未被检出，0.2 mm高度的刻槽仅在厚壁侧位置才能检出。厚壁侧刻槽（0.2 mm）的检测结果如图6所示，可以看出，全聚焦成像模式下，未发现刻槽上尖端信号；而PCI成像模式可清晰分辨0.2 mm高度的刻槽上尖端信号，对于微小信号的捕捉能力更强，大大提高了平面型缺陷尖端衍射信号的敏感性。 

图  6  试块的厚壁侧刻槽检测结果

3.2   缺陷检测及定量效果对比

为对比全聚焦成像以及PCI成像两种模式的检测及定量结果，使用自动化设备对厚壁侧、中间侧以及薄壁侧的缺陷模拟试块进行数据采集，数据采集结果如图7~9所示。选取缺陷模拟试块中0.4，0.8，1.0，2.0 mm高度的刻槽进行高度测量，缺陷定量结果如表2所示。 

图  7  缺陷模拟试块（厚壁侧）数据采集结果

图  8  缺陷模拟试块（中间侧）数据采集结果

图  9  缺陷模拟试块（薄壁侧）数据采集结果

使用端点衍射测高法对全聚焦成像以及PCI成像的数据进行刻槽高度测量，为了对比两种成像模式对近变径过渡区域的平面型缺陷的定量精度，对表2中的高度测量数据进行均方根误差计算，得到全聚焦成像模式缺陷高度测量的均方根误差为0.18 mm，PCI成像模式缺陷高度测量的均方根误差为0.11 mm。 

4.   结论

（1）对于不等厚变径管道近变径区域的平面型缺陷，PCI成像技术具有较高的检出率和分辨力，可检出的最小平面型缺陷高度为0.2 mm。 

（2）PCI成像具有独特的超声成像处理算法，对于近变径过渡区域的平面型缺陷检测效果更好，且能发现缺陷的关联信号。 

（3）对比全聚焦成像以及PCI成像两种全聚焦算法的定量效果，PCI成像模式对平面型缺陷的端点衍射信号更加敏感，高度定量精度更高。 

文章来源——材料与测试网