Zr-4合金管坯数控外圆砂带修磨自动测厚系统的研制

张　磊，黄　云，陈永胜

(1．中国煤炭科工集团重庆研究院，重庆　400039；2．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点试验室，重庆　400039；3．重庆大学机械工程学院，重庆　400044)

0　引言

Zr-4合金因其优异的抗热中子辐射脆化性能、适中的力学性能和良好的机械加工性能，已被普遍用作核动力压水反应堆的燃料包壳管材料。由于当前国内还不具备生产核级海绵锆的能力，国内在役核电站和在建核电站所用的Zr-4合金管坯全部由国外供应商提供。若要建立完备的Zr-4合金管坯生产线，需要重点解决管坯壁厚砂带自动修磨技术等关键技术问题。其中，管坯壁厚自动测量系统设计又是急需重点攻克的技术瓶颈之一[1-5]。

Zr-4核用锆合金管坯壁厚自动测量系统能够在无人干预条件下自动实现壁厚数据测量和壁厚分布规律的确定。

1　超声波局部溢流水浸测厚

1．1局部溢流水浸测厚原理

如图1所示，局部溢流水浸测厚方法是在探头盒中注满水，被测工件与溢水面接触形成声耦合的一种检测方式。这种方法代替了薄膜式充水胶囊，使水适当溢出，减少了反射面，实现了比较稳定的声耦合。

图1　局部溢流水浸法测厚原理图

1．2探头到管坯表面距离的确定

设探头到管坯外表面的距离(即耦合水层厚度)为S，管坯壁厚为h.为了将探头激励信号与被测表面的回波反射信号区分开来，保证探头能够进行有效范围的检测，减少其扫描盲区，要求探头和被检测面之间的距离需足够长。当水层厚度较小时，声波在探头与试件间的延迟时间将短于在试件中的延迟时间，在试件后壁回波到达之前将会出现不希望有的二次界面回波。

1．2．1衰减对耦合水层厚度影响的计算

脉冲反射法测厚的实质是测量两相邻反射回波之间的经历时间T.因此，若把超声波在管壁内8次反复传播的时间设计为不大于第一次界面波的返回时间，由T水=T锆、S′=v·T可得：

T=S′/v水=t/v锆=T锆

(1)

式中：T为超声波在介质中的传播时间；S′为声波传播距离；v为超声波在介质中的传播速度；t为管坯平均壁厚。

整理得：

S′=t·v水/v锆

(2)

已知v水=1 500 m/s，v锆=4 650 m/s(参考值)，t=19 mm，由此可得耦合水层厚度S≥8×19×1 500/4 650≈49 mm．

1．2．2近场距离N对水层厚度影响的计算

已知探头直径D=25 mm，探头频率f=7.5 MHz．

水的近场距离为

Zr-4合金的近场距离为

两种介质接触时，锆合金中的近场距离为：

式中：L为探头至管外表面的距离。

从保证测量装置水腔容积和检测装置灵活性的角度出发，探头至管坯表面距离定在50～80 mm较合理。

2　Zr-4核用锆合金管坯壁厚测量方法

测量方法的确定以能够准确掌握每根被测Zr-4合金管坯的壁厚分布规律为前提。由于是在线测量，壁厚测量数据将直接被机床主控程序调用。为了精确定位每个测量截面，保证壁厚修磨精度，管坯的两端必须夹紧固定。

考虑到热挤压管坯壁厚超差多成正余弦规律分布的情况，确定采用图2所示的“管坯定心旋转，探头间歇直行”的壁厚测量工艺。为提高测量效率，只提取若干截面的壁厚数据，并从中推断出整个管坯的壁厚分布规律。利用已经掌握的管坯壁厚分布统计规律，检测系统根据设定的管坯长度和检测截面距自动确定需要取样的截面数，检测截面的测点个数也可设定。

图2　管坯“定角度旋转，探头间歇直行”

3　超声脉冲连续测厚系统的组成

为了实现超声在线检测的自动化，测厚系统由机械系统、电气系统和信号激发/采集系统三部分组成。机械系统是整个测厚系统的基础，具有探头支撑固定及传动定位的功能。根据各部分所实现功能的不同，可将该机械组件细分为探头固定及微调机构、探头前后调节定位机构、探头起落定位机构、压水靴等几个主要部分。

3．1探头固定及微调机构设计

如图3所示，该机构的主要作用是固定和保护探头，同时其内部空腔能够存储一定容量的耦合剂(水)，以保证探头底部与管坯外表面间水层厚度恒定。测量过程中需采用不间断供水的方式才能避免因水流失而使探头与空气接触。由于供水量往往大于水的流失量，腔体内的水压会在短时间内骤然升高。虽然一定的水压有利于腔内水泡的快速溢出，但过高的压力会使水从上部端盖处溢出，从而使探头与同轴电缆的连接端长期浸没于水中，影响测量信号的稳定性。因此，设计了螺纹孔式的泄流孔，操作人员可以根据需要通过安装或拆卸螺栓的方式来调节溢流水量，以达到控制腔内水压的目的。

(a)　　　(b)

由于此机构长期在有水环境下工作，为了防止元器件锈蚀，该装置中的所有部件均采用不锈钢和铜基材料制成。

3．2探头自动起落定位组件设计

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如图4所示，该机构由气缸、支撑叉、导向套、支座和气缸安装板等部件组成。主要实现探头在竖直方向上的固定和轴向定位后的探头收放功能。同时由于管坯存在一定的弯曲度，并且管坯外表面形貌存在较大起伏，为了确保测量过程中探头检测的有效性，在保证探头下压力的前提下，还需其在竖直方向存有一定的浮动余量。

图4　探头起落定位组件

3．3压水靴设计

压水靴和探头组件共同组成了Zr-4合金管坯超声波测厚系统的耦合系统，作为测厚系统的核心部分，密封性是其实现测厚功能的关键。文中采用探头轴向定位后静止不动，管坯旋转定点测厚的检测方法。为了获得良好的密封效果，减少压水靴与管壁间的接触摩擦力，消除探头在管坯转动过程中的抖动，压水靴底部应做成与被测管坯相同的圆弧面。

由于探头储水腔的容积有限，即使是采用连续不间断补水的方式也很难克服因管坯自身弯曲和表面形貌起伏引起的耦合水大量泄漏和储水腔液位不稳现象。压水靴所采用的密封材料在保证其自身耐磨性的前提下，还需具备良好的静态和动态密封性。图5为水靴和密封条。

(a)

(b)

(c)

通过对多种耐磨材料的对比试验，发现采用如图5(c)所示的截面尺寸为4 mm×4 mm的方条形白色乳胶条在耐磨性、密封性和弹性等方面均能满足要求。

图6为设计的Zr-4合金管坯超声波在线测厚装置实物图。

图6　超声波测厚装置

该测厚装置安装在磨头右方，当工件在主轴和尾座上顶紧定位、辅助托轮升起后，即可起动在线测量。首先使测量装置放置在工件上方，起动喷头将测量装置注满水。工件与探头之间不能有气泡，否则测出的数据不准确。测量的数据可直接读入到数控系统进行处理并生成加工程序。

4　超声测厚系统的干扰源及抗干扰措施

超声测厚系统的干扰源主要来自：

(1)数据采集系统内部元器件在工作时产生的电阻热噪声、分配噪声和晶体管闪烁噪声，数据采集板卡内部电路绝缘不良而产生的漏电耦合干扰，信号放大电路正反馈时引起的自激振荡，信号线绝缘不良而引入的串模干扰等。这些干扰信号主要通过地址线、电源线、信号线、分布电容和电感等途径传播。

(2)外界固定和偶然使用的电气设备在工作时窜入系统内的各种干扰。

4．2抗干扰措施

为了全面抑制各种电磁噪声对超声测厚系统的影响，将从干扰形成的三要素(即干扰源、干扰途径和对噪声敏感性较高的数据采集回路)入手，采用接地、屏蔽、滤波、隔离以及测量数据软件处理等方法，提出实用的抗干扰措施。

4．2．1数据采集板卡的选用

数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，在整个测厚系统中起着调制传感器(探头)测量信号，信号A/D转换以便于后续软件调用和分析数据的作用，同时其还有为超声探头提供激励信号的功能。

数据采集板卡的好坏直接关系到测量数据的精确度。为得到可靠的测量数据，同时也便于以后对系统的拓展和完善。在测量系统中，选用ZUXS-PC4超声波测厚板卡。

4．2．2探头电缆线的选取

为消除外来电磁波对探头激励脉冲及回波脉冲的影响，并防止这种高频脉冲以电波的形式向外辐射，探头与板卡间的连线采用如图7所示的高频同轴电缆。

图7　高频同轴电缆

电缆线的中心是单股铜芯线，芯线的外面是聚乙烯(PE)绝缘层，聚乙烯绝缘层的外面是铜丝编织的屏蔽层，电缆线的最外层是聚氯乙烯(PVC)绝缘外皮。同轴电缆比一般电缆脆弱，弯曲过大时容易损坏。因此，在排布探头电缆线时要特别注意，应将电缆线理顺，不可扭折电缆线，更不能使电缆线破损铜芯外露。

4．2．3软件抗干扰措施

系统采用的软件抗干扰措施主要有拦截失控程序、增加数据安全备份、采用主动初始化及数据冗余技术、设立标志判断、采用片内软“看门狗”与重复执行程序技术等。

5　结论

核反应堆用Zr-4合金管坯壁厚超声测厚系统的研制成功，有效地解决了热挤压管坯截面壁厚分布不均、壁厚数据难以在线测量和壁厚分布规律无法确定的难题，为成功实现壁厚自动修磨提供了可靠保障。

参考文献：

[1]刘承新．锆合金在核电工业中的应用现状及发展前景．稀有金属快报，2004(5)：21- 23．

[2]潘金生，范毓殿．核材料物理基础．北京：化学工业出版社，2007．

[3]马余选．核用锆合金管材外表面抛光装备的研制．稀有金属材料与工程，2000，29(4)：68-71．

[4]熊炳昆．锆铪及其化合物应用．北京：冶金工业出版社，2002．

[5]史亦伟．超声检测．北京：机械工业出版社，2005．