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國際熱核實(shí)驗(yàn)堆(ITER)

 

作為世界上第一個(gè)熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，其目標(biāo)是為未來聚變示范堆(DEMO)的設(shè)計(jì)和建造提供技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。ITER裝置上專門留有試驗(yàn)包層窗口，用于開展包層的系統(tǒng)運(yùn)行、控制試驗(yàn)、產(chǎn)氚、排熱、中子輻照特性及材料相容性等功能性試驗(yàn)研究，其對(duì)于DEMO聚變堆的發(fā)展至關(guān)重要，也是中方加入ITER計(jì)劃所要掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

 

中方負(fù)責(zé)的氦冷陶瓷增殖劑氚試驗(yàn)包層模塊(HCCB TBM)的試驗(yàn)包層系統(tǒng)由TBM-set [包括TBM(試驗(yàn)包層模塊)本體模塊和屏蔽塊]、氦冷卻系統(tǒng)、冷卻劑凈化系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)等組成。其中，屏蔽塊不僅用于屏蔽中子，同時(shí)與TBM框架等其他部件共同構(gòu)成ITER裝置的真空邊界，是包層系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。

 

TBM屏蔽塊由法蘭、隔板、外框架、后板、管道等構(gòu)成，其中有5根管道采用雙層管的設(shè)計(jì)，如圖1所示，內(nèi)管、外管以及管外的工況各不相同。

圖1 屏蔽塊內(nèi)管道布置示意及雙層管三維模型

介質(zhì)在輸運(yùn)過程中，內(nèi)管會(huì)發(fā)生膨脹與振動(dòng)，造成內(nèi)外管的同軸度偏差，同時(shí)由于工況原因，內(nèi)外管壁嚴(yán)禁相互觸碰，因而設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)外管之間的間隙尺寸提出了較高的精度要求。這種特殊的雙層管結(jié)構(gòu)的間隙該如何測(cè)量呢？今天我們來介紹一種填充介質(zhì)的超聲檢測(cè)方法。

 

屏蔽塊內(nèi)雙層管的測(cè)量方法

 

屏蔽塊內(nèi)的呈“幾”字形及“S”形彎曲的雙層管是一種較新穎的設(shè)計(jì)，目前沒有見到類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其間隙尺寸的測(cè)量沒有直接可用的方法參照。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，有以下幾種尺寸測(cè)量方法：

 

 游標(biāo)卡尺直接測(cè)量間距

游標(biāo)卡尺應(yīng)用于內(nèi)徑的尺寸測(cè)量精度高，但是測(cè)量范圍有限，可用于雙層管的間隙測(cè)量，但只能滿足管端頭處的間隙測(cè)量，而雙層管間隙測(cè)量要求滿足整個(gè)管身任意點(diǎn)處的間隙尺寸的測(cè)量。所以游標(biāo)卡尺的測(cè)量方法不適用。

 

三坐標(biāo)建模計(jì)算間隙尺寸

三坐標(biāo)測(cè)量的工作原理是需要大量的采集點(diǎn)，然后對(duì)采集點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行分析和建模，從而得到尺寸數(shù)據(jù)。同游標(biāo)卡尺測(cè)量間隙尺寸存在著相同的弊端，三坐標(biāo)采點(diǎn)的探頭長度有限，且探頭不能彎曲，所以該方法同樣不適用于雙層管間隙尺寸的測(cè)量。

 

射線照相測(cè)量管壁厚度再計(jì)算間隙尺寸

射線照相測(cè)量管壁厚度的工作原理是：射線源垂直照射，射線穿過管壁不同位置的透射厚度不一樣，從而在底片上留下黑度不一致的影像，根據(jù)影像放大系數(shù)計(jì)算間隙處的尺寸。采用射線照相的方法判斷黑度梯度邊界時(shí)，很大程度上依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)誤差通常為2~3mm；射線照相測(cè)間隙尺寸的方法是在基于內(nèi)外管同軸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而實(shí)際上雙層管的同軸度在制造加工過程中并不能得到保證，這是該方法本身存在的誤差；射線照相的方法成本高，且存在著輻照的危險(xiǎn)，不易于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)。

 

超聲檢測(cè)方法測(cè)量間隙尺寸

超聲檢測(cè)的原理是超聲波垂直入射到工件，并在工件中傳播，遇到聲阻抗不同的界面會(huì)發(fā)生透射與反射現(xiàn)象，再根據(jù)接收到的反射回波計(jì)算間隙尺寸。超聲檢測(cè)設(shè)備便攜，方便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，不具有放射性，且不產(chǎn)生噪聲或化學(xué)污染，但是超聲波在工件中傳播遇到空氣時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，無透射。這是超聲檢測(cè)方法用于雙層管間隙測(cè)量的一個(gè)難點(diǎn)。因此，目前采用在間隙內(nèi)填充介質(zhì)的方法實(shí)現(xiàn)超聲波的透射，從而有望能夠測(cè)量間隙尺寸，且滿足測(cè)量精度的要求。

 

填充介質(zhì)的超聲檢測(cè)方法

 

要得到內(nèi)管外壁的反射回波，需要實(shí)現(xiàn)超聲波在間隙處的透射，在測(cè)量對(duì)象的間隙處充滿水，以水為介質(zhì)讓超聲波能夠在兩個(gè)界面處產(chǎn)生反射波和透射波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙尺寸的測(cè)量。

 

超聲波在雙層管內(nèi)傳播的過程中，涉及到3個(gè)界面，界面及界面處的反射與透射示意如圖2所示。

 

 

圖2 界面及界面處的反射與透射示意

 

測(cè)量對(duì)象

采用與待檢工件一致的材料，且模擬件的表面條件與待檢雙層管的外管外壁表面條件一致。制作前對(duì)原材料進(jìn)行射線檢測(cè)，確保無影響檢測(cè)的缺陷存在。待檢工件的雙層管由外管套于內(nèi)管之外，再由法蘭固定焊接而成，模擬件的制作只確保非焊縫位置間隙尺寸的設(shè)計(jì)與待檢工件的一致。

 

制作一個(gè)僅有直管段的模擬件，材料為316L不銹鋼。模擬件規(guī)格與待檢件一致，內(nèi)管規(guī)格(外徑×壁厚±誤差，下同)為75mm×7mm±0.5mm，外管規(guī)格為114mm×8mm±0.5mm，凸臺(tái)處外管規(guī)格為130mm×16mm±0.5mm；內(nèi)外管同軸嵌套，內(nèi)管外壁與外管內(nèi)壁的間隙尺寸為12mm。間隙尺寸的測(cè)量誤差要求不得超過0.2mm。管子設(shè)計(jì)為一端焊接法蘭封堵，另一端開放。

 

測(cè)量方法

采用歐能達(dá)3600S型數(shù)字超聲檢測(cè)儀，綜合考慮近場(chǎng)區(qū)長度、檢測(cè)系統(tǒng)分辨力、探頭頻帶寬度等因素后選用10P10D型探頭。

 

測(cè)量開始前，對(duì)鋼的聲速及水的聲速進(jìn)行校正，對(duì)探頭延遲進(jìn)行測(cè)定。

 

首先，特制了規(guī)格為50mm×50mm×100mm的316L不銹鋼試塊，探頭對(duì)準(zhǔn)H1=100mm和H2=50mm的厚度方向進(jìn)行聲速校正。超聲檢測(cè)儀內(nèi)預(yù)設(shè)聲速c1，分別記錄超聲檢測(cè)儀此時(shí)顯示的一次底波聲程x1和x2。探頭延遲為P，鋼中的縱波聲速為c鋼，可以推導(dǎo)出以下公式：

 

因?yàn)镠1和H2已知，x1和x2可以直接在儀器上讀取，所以P及c鋼可以通過上式計(jì)算得出。

 

通過同樣的方法對(duì)水的聲速進(jìn)行校正，測(cè)試時(shí)以平底容器盛水，采用簡(jiǎn)單的十字形固定裝置固定探頭，保證探頭保護(hù)膜平行于水面。同時(shí)，探頭用膠帶貼緊，直尺固定，通過調(diào)節(jié)探頭位置，讀出探頭保護(hù)膜前端對(duì)應(yīng)的刻度即為H1和H2。聯(lián)立方程，計(jì)算出水的聲速c水。

 

如圖2所示，由于鋼的聲阻抗大于水的聲阻抗，所以超聲波垂直入射到鋼/水界面時(shí)，聲壓透射率很低，聲壓反射率很高。其聲壓反射率為-0.935，聲壓透射率為0.065。若入射聲壓為P0，則反射聲壓Pr1為-0.935P0，透射聲壓Pt1為0.065P0。

 

透過界面的超聲波繼續(xù)在水中傳播，遇到第二個(gè)界面(水/鋼界面)時(shí)，與第一個(gè)界面不同，其界面的聲壓反射率和聲壓透射率都很高，且反射波聲壓與入射波聲壓同相位，從而使得合成聲壓振幅增大。其聲壓反射率為0.935，聲壓透射率為1.935。相對(duì)于初始入射聲壓，此時(shí)反射聲壓Pr2為0.061P0，透射聲壓Pt2為0.126P0。

 

反射的超聲波沿原路反射回水中，繼續(xù)傳播，遇到第三個(gè)界面(水/鋼界面)時(shí)，其界面的聲壓反射率和聲壓透射率都很高，且反射波聲壓與入射波聲壓同相位，合成聲壓振幅增大。相對(duì)于初始入射聲壓，此時(shí)的反射聲壓Pr3為0.057P0，透射聲壓Pt3為0.118P0。

 

探頭分別接收到Pr1和Pt3，兩個(gè)聲壓幅值差異大。同時(shí)，由于鋼和水中聲速的差異大，外管壁厚T1與間隙中水層厚度T2的關(guān)系使得探頭接收到的超聲波在外管內(nèi)壁、外壁中產(chǎn)生多次回波后，才會(huì)接收到來自水層與內(nèi)管外壁的界面回波聲壓Pt3。超聲波在外管內(nèi)壁、外壁間多次反射和透射，聲壓衰減大，產(chǎn)生多次底波后，聲壓幅值將與Pt3難以區(qū)分。因此，假設(shè)Pt3處于第n~(n+1)次外管內(nèi)壁回波之間(見圖3)，有必要在檢測(cè)開始前，根據(jù)介質(zhì)中的聲速及介質(zhì)厚度計(jì)算出n值，n的計(jì)算公式如下：

圖3 測(cè)量時(shí)儀器顯示屏波形示意

按照n值設(shè)置檢測(cè)儀聲程略大于(n+1)T1。測(cè)量時(shí)，由于外管內(nèi)壁一次回波Pr1位于始脈沖范圍內(nèi)，故而其聲程采用第三次回波與第四次回波的聲程差值代替，記錄該值為s1。保持探頭位置不變，提高增益后，讀取第n~n+1次外管內(nèi)壁回波之間的Pt3的聲程s2。實(shí)測(cè)Pt3位置如圖4所示，可見Pt3位于第n~n+1次外管內(nèi)壁回波之間。

圖4 實(shí)測(cè)Pt3位置示意

由于管壁材料的聲速與間隙層水的聲速有差異，所以間隙水層的實(shí)際厚度需要經(jīng)過聲速修正得到，修正公式如下：

 

測(cè)量結(jié)果

超聲檢測(cè)方法測(cè)量間隙尺寸的測(cè)量位置如圖5中的標(biāo)記紅點(diǎn)位置，測(cè)量過程中不需要接觸間隙層，可以直接從外管外壁實(shí)現(xiàn)外管壁厚及內(nèi)外管之間間隙的測(cè)量。

 

圖5 超聲檢測(cè)測(cè)量位置示意

經(jīng)聲速修正計(jì)算后的結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測(cè)量間隙結(jié)果（mm）

模擬件為直管段，測(cè)量位置為三坐標(biāo)探頭能達(dá)到的深度范圍。此處采用ACCURAII AKTIV 12/18/10橋式三坐標(biāo)儀對(duì)雙層管間隙進(jìn)行測(cè)量，定位精度為（2.9+L/300）μm（L為探頭行進(jìn)長度），形狀精度為2.9μm。測(cè)得結(jié)果如表2所示。

 

表2 三坐標(biāo)測(cè)量間隙結(jié)果（mm）

三坐標(biāo)測(cè)量與超聲檢測(cè)結(jié)果誤差如表3所示。

 

表3 兩種方法測(cè)量結(jié)果誤差（mm）

從表3可以看出，兩種方法測(cè)得結(jié)果的最大誤差為0.19mm，最小誤差為0.04mm，平均誤差為0.095mm。所有誤差均在設(shè)計(jì)允許的誤差范圍內(nèi)。

 

對(duì)超聲檢測(cè)測(cè)量間隙尺寸的誤差來源進(jìn)行分析，可以得出：

 

 

① 在填充介質(zhì)(水)的聲速標(biāo)定過程中，對(duì)水的深度測(cè)量精度不高，使得水的聲速標(biāo)定精度相應(yīng)降低；

 

② 所采用的探頭保護(hù)膜為平面，而被檢件表面為曲面，因而帶來測(cè)量誤差；

 

③ 測(cè)量方法自身存在局限性。探頭晶片有著一定的面積，不能保證接收到的就是垂直入射的超聲波，因而測(cè)得的間隙可能不是真實(shí)值。

結(jié)  語

 

采用填充介質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)了超聲波的透射，從探頭參數(shù)的選擇、聲速及探頭延時(shí)的標(biāo)定、測(cè)量信號(hào)的識(shí)別進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙層管間隙尺寸的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果的平均誤差為0.095mm，滿足雙層管間隙尺寸測(cè)量的誤差要求。采用超聲檢測(cè)方法測(cè)量雙層管間隙尺寸的誤差波動(dòng)較大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需結(jié)合前文的誤差來源進(jìn)行分析，對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行規(guī)范，減小誤差。當(dāng)不能直接進(jìn)行物理接觸測(cè)量，只能通過間接手段獲得雙層管間隙尺寸時(shí)，超聲檢測(cè)方法是可供選擇的且測(cè)量精度較高的一種測(cè)量方法。