国际热核实验堆(ITER)

作为世界上第一个热核聚变实验堆，其目标是为未来聚变示范堆(DEMO)的设计和建造提供技术和数据基础。ITER装置上专门留有试验包层窗口，用于开展包层的系统运行、控制试验、产氚、排热、中子辐照特性及材料相容性等功能性试验研究，其对于DEMO聚变堆的发展至关重要，也是中方加入ITER计划所要掌握的关键技术。

中方负责的氦冷陶瓷增殖剂氚试验包层模块(HCCB TBM)的试验包层系统由TBM-set [包括TBM(试验包层模块)本体模块和屏蔽块]、氦冷却系统、冷却剂净化系统、氚提取系统等组成。其中，屏蔽块不仅用于屏蔽中子，同时与TBM框架等其他部件共同构成ITER装置的真空边界，是包层系统的关键部件之一。

TBM屏蔽块由法兰、隔板、外框架、后板、管道等构成，其中有5根管道采用双层管的设计，如图1所示，内管、外管以及管外的工况各不相同。

图1 屏蔽块内管道布置示意及双层管三维模型

介质在输运过程中，内管会发生膨胀与振动，造成内外管的同轴度偏差，同时由于工况原因，内外管壁严禁相互触碰，因而设计对内外管之间的间隙尺寸提出了较高的精度要求。这种特殊的双层管结构的间隙该如何测量呢？今天我们来介绍一种填充介质的超声检测方法。

屏蔽块内双层管的测量方法

屏蔽块内的呈“几”字形及“S”形弯曲的双层管是一种较新颖的设计，目前没有见到类似结构的设计，其间隙尺寸的测量没有直接可用的方法参照。根据结构形式，有以下几种尺寸测量方法：

 游标卡尺直接测量间距

游标卡尺应用于内径的尺寸测量精度高，但是测量范围有限，可用于双层管的间隙测量，但只能满足管端头处的间隙测量，而双层管间隙测量要求满足整个管身任意点处的间隙尺寸的测量。所以游标卡尺的测量方法不适用。

三坐标建模计算间隙尺寸

三坐标测量的工作原理是需要大量的采集点，然后对采集点的坐标进行分析和建模，从而得到尺寸数据。同游标卡尺测量间隙尺寸存在着相同的弊端，三坐标采点的探头长度有限，且探头不能弯曲，所以该方法同样不适用于双层管间隙尺寸的测量。

射线照相测量管壁厚度再计算间隙尺寸

射线照相测量管壁厚度的工作原理是：射线源垂直照射，射线穿过管壁不同位置的透射厚度不一样，从而在底片上留下黑度不一致的影像，根据影像放大系数计算间隙处的尺寸。采用射线照相的方法判断黑度梯度边界时，很大程度上依赖于检测人员的经验，这个误差通常为2~3mm；射线照相测间隙尺寸的方法是在基于内外管同轴的基础上进行的，而实际上双层管的同轴度在制造加工过程中并不能得到保证，这是该方法本身存在的误差；射线照相的方法成本高，且存在着辐照的危险，不易于现场实施检测。

超声检测方法测量间隙尺寸

超声检测的原理是超声波垂直入射到工件，并在工件中传播，遇到声阻抗不同的界面会发生透射与反射现象，再根据接收到的反射回波计算间隙尺寸。超声检测设备便携，方便现场作业，不具有放射性，且不产生噪声或化学污染，但是超声波在工件中传播遇到空气时会发生全反射，无透射。这是超声检测方法用于双层管间隙测量的一个难点。因此，目前采用在间隙内填充介质的方法实现超声波的透射，从而有望能够测量间隙尺寸，且满足测量精度的要求。

填充介质的超声检测方法

要得到内管外壁的反射回波，需要实现超声波在间隙处的透射，在测量对象的间隙处充满水，以水为介质让超声波能够在两个界面处产生反射波和透射波，从而实现对间隙尺寸的测量。

超声波在双层管内传播的过程中，涉及到3个界面，界面及界面处的反射与透射示意如图2所示。

图2 界面及界面处的反射与透射示意

测量对象

采用与待检工件一致的材料，且模拟件的表面条件与待检双层管的外管外壁表面条件一致。制作前对原材料进行射线检测，确保无影响检测的缺陷存在。待检工件的双层管由外管套于内管之外，再由法兰固定焊接而成，模拟件的制作只确保非焊缝位置间隙尺寸的设计与待检工件的一致。

制作一个仅有直管段的模拟件，材料为316L不锈钢。模拟件规格与待检件一致，内管规格(外径×壁厚±误差，下同)为75mm×7mm±0.5mm，外管规格为114mm×8mm±0.5mm，凸台处外管规格为130mm×16mm±0.5mm；内外管同轴嵌套，内管外壁与外管内壁的间隙尺寸为12mm。间隙尺寸的测量误差要求不得超过0.2mm。管子设计为一端焊接法兰封堵，另一端开放。

测量方法

采用欧能达3600S型数字超声检测仪，综合考虑近场区长度、检测系统分辨力、探头频带宽度等因素后选用10P10D型探头。

测量开始前，对钢的声速及水的声速进行校正，对探头延迟进行测定。

首先，特制了规格为50mm×50mm×100mm的316L不锈钢试块，探头对准H1=100mm和H2=50mm的厚度方向进行声速校正。超声检测仪内预设声速c1，分别记录超声检测仪此时显示的一次底波声程x1和x2。探头延迟为P，钢中的纵波声速为c钢，可以推导出以下公式：

因为H1和H2已知，x1和x2可以直接在仪器上读取，所以P及c钢可以通过上式计算得出。

通过同样的方法对水的声速进行校正，测试时以平底容器盛水，采用简单的十字形固定装置固定探头，保证探头保护膜平行于水面。同时，探头用胶带贴紧，直尺固定，通过调节探头位置，读出探头保护膜前端对应的刻度即为H1和H2。联立方程，计算出水的声速c水。

如图2所示，由于钢的声阻抗大于水的声阻抗，所以超声波垂直入射到钢/水界面时，声压透射率很低，声压反射率很高。其声压反射率为-0.935，声压透射率为0.065。若入射声压为P0，则反射声压Pr1为-0.935P0，透射声压Pt1为0.065P0。

透过界面的超声波继续在水中传播，遇到第二个界面(水/钢界面)时，与第一个界面不同，其界面的声压反射率和声压透射率都很高，且反射波声压与入射波声压同相位，从而使得合成声压振幅增大。其声压反射率为0.935，声压透射率为1.935。相对于初始入射声压，此时反射声压Pr2为0.061P0，透射声压Pt2为0.126P0。

反射的超声波沿原路反射回水中，继续传播，遇到第三个界面(水/钢界面)时，其界面的声压反射率和声压透射率都很高，且反射波声压与入射波声压同相位，合成声压振幅增大。相对于初始入射声压，此时的反射声压Pr3为0.057P0，透射声压Pt3为0.118P0。

探头分别接收到Pr1和Pt3，两个声压幅值差异大。同时，由于钢和水中声速的差异大，外管壁厚T1与间隙中水层厚度T2的关系使得探头接收到的超声波在外管内壁、外壁中产生多次回波后，才会接收到来自水层与内管外壁的界面回波声压Pt3。超声波在外管内壁、外壁间多次反射和透射，声压衰减大，产生多次底波后，声压幅值将与Pt3难以区分。因此，假设Pt3处于第n~(n+1)次外管内壁回波之间(见图3)，有必要在检测开始前，根据介质中的声速及介质厚度计算出n值，n的计算公式如下：

图3 测量时仪器显示屏波形示意

按照n值设置检测仪声程略大于(n+1)T1。测量时，由于外管内壁一次回波Pr1位于始脉冲范围内，故而其声程采用第三次回波与第四次回波的声程差值代替，记录该值为s1。保持探头位置不变，提高增益后，读取第n~n+1次外管内壁回波之间的Pt3的声程s2。实测Pt3位置如图4所示，可见Pt3位于第n~n+1次外管内壁回波之间。

图4 实测Pt3位置示意

由于管壁材料的声速与间隙层水的声速有差异，所以间隙水层的实际厚度需要经过声速修正得到，修正公式如下：

测量结果

超声检测方法测量间隙尺寸的测量位置如图5中的标记红点位置，测量过程中不需要接触间隙层，可以直接从外管外壁实现外管壁厚及内外管之间间隙的测量。

图5 超声检测测量位置示意

经声速修正计算后的结果如表1所示。

表1 超声波测量间隙结果（mm）

模拟件为直管段，测量位置为三坐标探头能达到的深度范围。此处采用ACCURAII AKTIV 12/18/10桥式三坐标仪对双层管间隙进行测量，定位精度为（2.9+L/300）μm（L为探头行进长度），形状精度为2.9μm。测得结果如表2所示。

表2 三坐标测量间隙结果（mm）

三坐标测量与超声检测结果误差如表3所示。

表3 两种方法测量结果误差（mm）

从表3可以看出，两种方法测得结果的最大误差为0.19mm，最小误差为0.04mm，平均误差为0.095mm。所有误差均在设计允许的误差范围内。

对超声检测测量间隙尺寸的误差来源进行分析，可以得出：

① 在填充介质(水)的声速标定过程中，对水的深度测量精度不高，使得水的声速标定精度相应降低；

② 所采用的探头保护膜为平面，而被检件表面为曲面，因而带来测量误差；

③ 测量方法自身存在局限性。探头晶片有着一定的面积，不能保证接收到的就是垂直入射的超声波，因而测得的间隙可能不是真实值。

结  语

采用填充介质的方式实现了超声波的透射，从探头参数的选择、声速及探头延时的标定、测量信号的识别进行分析，可实现对双层管间隙尺寸的测量。测量结果的平均误差为0.095mm，满足双层管间隙尺寸测量的误差要求。采用超声检测方法测量双层管间隙尺寸的误差波动较大，实际应用时需结合前文的误差来源进行分析，对检测方法进行规范，减小误差。当不能直接进行物理接触测量，只能通过间接手段获得双层管间隙尺寸时，超声检测方法是可供选择的且测量精度较高的一种测量方法。