基于“失波法”超聲快速檢測(cè)鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷的試驗(yàn)研究

   主要闡述了“失波法”的原理、超聲波探頭和試塊的設(shè)計(jì)和制作方法，采用“失波法”超聲快速檢測(cè)技術(shù)對(duì)鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷進(jìn)行了精確計(jì)算和試驗(yàn)，研究出檢測(cè)速度可達(dá)到2000mm/min、靈敏度達(dá)到0.5mm的一種新檢測(cè)方法。鍋爐受壓元件用不銹鋼管主要有水冷壁、省煤器、過(guò)熱器、再熱器和鍋爐范圍內(nèi)管道。通常在高溫、高壓、復(fù)雜應(yīng)力等惡劣的條件下工作，重視鍋爐用鋼管在下料前的檢驗(yàn)，其目的是控制管子制造質(zhì)量、延長(zhǎng)管子的使用壽命，提高鍋爐在運(yùn)行中的安全可靠性。鍋爐用鋼管數(shù)量龐大，規(guī)格：32～89，壁厚：3.5～15mm用量占總量90%以上，鍋爐用不銹鋼管的入廠驗(yàn)收，主要檢測(cè)管子的軋制缺陷，如表面劃道、裂紋、折疊、翹皮、橫裂及分層等，其危害性大的主要有裂紋、分層、折迭，影響管子的工藝性能和安全使用性能。目前主要是采用超聲波檢測(cè)，但鍋爐用不銹鋼管的壁厚與直徑比一般都小于20%，采用直探頭或斜探頭直接接觸法探傷，發(fā)現(xiàn)缺陷的難度較大。采用單晶直探頭水浸法或雙晶直探頭水浸法，其檢測(cè)工藝復(fù)雜，首先是聲波至鋼管表面的入射點(diǎn)難以控制;二是在役鍋爐管子無(wú)法實(shí)現(xiàn)水浸探傷;三是探測(cè)靈敏度低，檢測(cè)速度慢，且對(duì)與管壁表面夾角較小的分層、折迭等缺陷容易產(chǎn)生漏檢?，F(xiàn)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，采用一種組合直接接觸式雙晶探頭直通波來(lái)檢測(cè)鍋爐管子軋制缺陷，可以克服傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)。當(dāng)鋼管存在軋制缺陷時(shí)，固有回波明顯減弱或消失，故稱之為“失波法”。

一、原理

  要實(shí)現(xiàn)“失波法”直接接觸式雙晶探頭直通波來(lái)檢測(cè)鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷，需要考慮三方面問(wèn)題: 

 1. 是探頭與管子表面耦合是否良好;

 2. 是能否有效檢測(cè)管子軋制缺陷;

 3. 是能否判定管子軋制缺陷當(dāng)量大小。

  根據(jù)管子軋制缺陷的特點(diǎn)，采用一收一發(fā)雙晶片探頭直通波的檢測(cè)原理如圖所示，在超聲波檢測(cè)中，將探頭直接接觸在管子上，分析固有信號(hào)和缺陷信號(hào)的關(guān)系，了解不同類型缺陷信號(hào)反射強(qiáng)弱及缺陷尺寸當(dāng)量大小的關(guān)系。當(dāng)管子不存在缺陷時(shí)，儀器熒光屏將顯示雙晶探頭聲程回波，這種回波為固有直通回波，波的位置及波高沒(méi)有變化如圖。當(dāng)管子存在缺陷時(shí)，這種固有回波將會(huì)發(fā)生變化，回波可能降低或消失。當(dāng)不銹鋼管有較大的徑向裂紋時(shí)，固有回波將會(huì)消失。由此，采用固有直通回波信號(hào)的變化來(lái)分析和確定管子是否存在軋制缺陷、缺陷性質(zhì)和當(dāng)量大小。

二、探頭與管子耦合

  檢測(cè)時(shí)，將探頭放在耐磨的探頭套內(nèi)，探頭套采用鋼套或耐磨樹(shù)脂套，實(shí)現(xiàn)探頭與管子穩(wěn)定和良好的耦合，探頭移動(dòng)時(shí)不被磨損，保持探頭的折射角不發(fā)生變化。為了有效減少聲能損失，選擇聲阻抗較小的水作為耦合劑，檢測(cè)時(shí)自動(dòng)充水，水層確保了探頭與管子穩(wěn)定良好接觸。在探頭與管子接觸面之間保持適當(dāng)間隙，形成薄水層耦合，控制薄水層透聲厚度在約二分之一倍整數(shù)聲波波長(zhǎng)范圍，使聲能透過(guò)率最佳。

三、探頭設(shè)計(jì)與制作

  探頭設(shè)計(jì)合理與制作精細(xì)是實(shí)現(xiàn)超聲波探傷和有效判定管子有無(wú)軋制缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)管子和軋制缺陷的特點(diǎn)，做到發(fā)收晶片同步、檢測(cè)靈敏度高并易于操作和制作加工。在探頭設(shè)計(jì)中首先考慮探頭晶片材料和頻率的選擇，其次要考慮選擇合適的入射角。

 a. 晶片材料和頻率的選擇

  選擇聲阻抗較小的鈦酸鉛陶瓷晶片材料，在鋼中的縱波聲速約為5920m/s，參數(shù)性能優(yōu)于鋯鈦酸鉛陶瓷傳統(tǒng)晶片材料，提高了探頭靈敏度。晶片探傷頻率一般選為2.5～5MHz，減少了波束的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，其發(fā)射和接收超聲波能力較強(qiáng)，提高波束的指向性。在確保探頭靈敏度足夠高的情況下，晶片的尺寸選擇為方晶片，適合直徑較小、與探頭接觸面較小的管子，保證了探頭晶片的聲波發(fā)射和接收功率，又兼顧波束具有較好的指向性和較短的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。

  b. 探測(cè)波形的選擇

  一般鍋爐用不銹鋼管材料的晶粒度為4～7級(jí)，屬中細(xì)度范圍，為提高對(duì)細(xì)小裂紋檢測(cè)的靈敏度，選擇探測(cè)波形為橫波進(jìn)行探測(cè)，在鋼中的橫波聲速為3230m/s。

  c. 探頭入射角的選擇范圍

   探頭入射角的選擇是根據(jù)鍋爐用不銹鋼管不同規(guī)格外徑及壁厚尺寸來(lái)確定，入射角決定了超聲波在管子中僅有橫波折射而不能有縱波折射，橫波的折射角主聲束掃查要能夠覆蓋管壁厚度范圍?，F(xiàn)以89×13的碳鋼或低合金鋼鍋爐管子為例，計(jì)算探頭入射角應(yīng)選擇的范圍。

  d. 超聲波在鋼中反射次數(shù)的確定

   超聲波在鍋爐用不銹鋼管中反射次數(shù)是根據(jù)探頭的兩個(gè)入射點(diǎn)距離和在鋼中的橫波折射角范圍來(lái)計(jì)算確定，并選擇對(duì)檢測(cè)缺陷靈敏度最佳效果的反射次數(shù)?，F(xiàn)設(shè)定檢測(cè)89×13的鍋爐管子，選擇探頭中兩個(gè)入射點(diǎn)的距離，其在鋼中的橫波折射角范圍為33.06°～45.06°。

  e. 探頭楔塊的設(shè)計(jì)

   探頭楔塊的材料應(yīng)選擇航空有機(jī)玻璃，探頭楔塊的設(shè)計(jì)是首先確定所探測(cè)管子的規(guī)格，再確定探頭的入射角α、兩個(gè)入射點(diǎn)QQ距離、晶片中心點(diǎn)至隔聲層A點(diǎn)的距離O1 A和隔聲層厚度后進(jìn)行探頭契塊的尺寸。一般根據(jù)晶片的尺寸和探頭整體大小，隔聲層厚度取0.5mm。

四、試塊

   超聲波探傷試塊應(yīng)保證探頭性能參數(shù)符合原設(shè)計(jì)要求，探頭在試制過(guò)程中及試制結(jié)束后均要對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)試，同時(shí)在實(shí)際探傷前要對(duì)儀器進(jìn)行掃描速度和靈敏度的調(diào)節(jié)及缺陷的評(píng)價(jià)。試塊用于測(cè)定探傷儀和探頭未加工凹弧面時(shí)的入射點(diǎn)、前沿、折射角。對(duì)比試塊用于探傷靈敏度的調(diào)整，試塊采用受檢管子規(guī)格來(lái)設(shè)計(jì)加工，試塊的材料選擇一般可用20#碳鋼，最好選用一段沒(méi)有缺陷的管子加工。試塊長(zhǎng)度一般為200mm，在試件內(nèi)外壁上加工長(zhǎng)40mm、60°夾角的V形槽，槽的深度t可以從0.5～3mm按0.5mm遞增。試塊可以加工成不同槽深的一組試塊，用來(lái)試驗(yàn)和確定這種探傷方法的最終可行性和調(diào)整探傷靈敏度。其幾何尺寸見(jiàn)圖。

 對(duì)比試塊用于測(cè)定鍋爐用不銹鋼管探頭加工凹弧面后的入射點(diǎn)、折射角及掃描速度。在試塊中管內(nèi)半徑r就是所探管子的外圓半徑，管外半徑一般選擇80～100mm(R＞r)，為便于探傷儀器掃描速度的調(diào)整，最好選擇80mm、90mm、100mm，具體選擇視探頭的折射角范圍及R圓心的位置確定。R圓心位置的選擇要適中，一般選擇在30°～60°范圍，如小于30°，探頭與試塊吻合不好，且易產(chǎn)生變形波，如大于60°，R的選取就會(huì)減小，不利于掃描速度的調(diào)整。R半徑曲面既是探頭單晶片入射點(diǎn)的測(cè)定反射面，也是探傷儀器掃描速度調(diào)整的發(fā)射面，R半徑曲面圓心所對(duì)應(yīng)的位置就是探頭單晶片入射點(diǎn)的位置。1mm通孔是用來(lái)測(cè)定探頭單晶片的折射角和調(diào)整儀器掃描速度，通孔的圓心選擇在r半徑圓弧上180°～270°范圍，主要是便于折射角的計(jì)算。試塊材料一般用20#碳鋼加工，對(duì)比試塊制作的技術(shù)條件應(yīng)符合ZBY232－84的規(guī)定，其幾何尺寸見(jiàn)圖。

五、探頭的入射點(diǎn)、折射角測(cè)定及儀器掃描速度調(diào)整

 探頭在加工后和在實(shí)際探傷前均要對(duì)入射點(diǎn)、折射角進(jìn)行測(cè)定及儀器掃描速度的調(diào)整。

 1. 探頭入射點(diǎn)測(cè)定是將探頭放在試塊上，前后移動(dòng)探頭使R半徑曲面回波達(dá)到最高點(diǎn)，這時(shí)R半徑曲面圓心標(biāo)記在r半徑曲面A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探頭位置便是探頭單個(gè)晶片發(fā)射的入射點(diǎn)，如圖。

 2. 探頭折射角測(cè)定是將探頭放在試塊上，前后移動(dòng)探頭使橫通孔回波達(dá)到最高點(diǎn)，測(cè)量探頭入射點(diǎn)至橫通孔的AB距離。折射角由幾何作圖計(jì)算得出。

 3. 儀器掃描速度按回波1∶1的比例聲程進(jìn)行調(diào)試。首先將探頭放在試塊上，用單晶片分別將試塊上橫通孔回波聲程和R半徑曲面的回波聲程調(diào)在熒光屏水平坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置。

  將四種不同反射次數(shù)的8個(gè)探頭在同一個(gè)沒(méi)有缺陷的管子上進(jìn)行測(cè)試。記錄的8個(gè)探頭的直通波波形圖如圖所示。由以上8個(gè)探頭測(cè)試的波形圖可以看出，盡管加工的探頭存在一定的誤差，但是每種規(guī)格的探頭直通波前后的變波形和遲到波大體相近。比如編號(hào)同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在1個(gè)遲到波，編號(hào)同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在2個(gè)遲到波，編號(hào)同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在3個(gè)遲到波，編號(hào)同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在4個(gè)遲到波。在實(shí)際探測(cè)時(shí)就是要觀察直通波受缺陷的影響程度來(lái)對(duì)管子軋制缺陷進(jìn)行探測(cè)。如何識(shí)別直通波要具備以下兩個(gè)條件:首先要使用數(shù)字化超聲波儀器來(lái)正確調(diào)整儀器的掃描速度，其次根據(jù)探頭的有關(guān)參數(shù)預(yù)先計(jì)算出直通波的聲程，然后觀察該探頭在儀器上顯示的相對(duì)應(yīng)聲程的直通波波形。當(dāng)然，直通波在遇有缺陷時(shí)肯定會(huì)明顯發(fā)生變化，否則原確定的直通波就是錯(cuò)誤的。

  在識(shí)別和確定直通波的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)外管壁加工有0.5mm、1.0mm和2.0mm的刻槽進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的結(jié)果如表所示，測(cè)試表明各種探頭在測(cè)試各種不同深度的刻槽時(shí)，直通波均有不同程度的衰減，但是這四種規(guī)格的探頭各有不同特點(diǎn)，第一超聲波在管鋼中反射次數(shù)越多，缺陷對(duì)直通波的影響越大，如超聲波在管鋼中反射次數(shù)為16次和14次的探頭相對(duì)直通波最大衰減值就比12次和10次的大。第二超聲波在管鋼中反射次數(shù)少的，則直通波前的變形波少而遲到波較多，超聲波在管鋼中反射次數(shù)多的，則直通波前的變形波多而遲到波較少。但只要采用數(shù)字化超聲波儀器和調(diào)整好儀器的掃描速度，在探測(cè)時(shí)只要觀察直通波的動(dòng)態(tài)變化情況，變形波和遲到波并不影響對(duì)管子缺陷的探測(cè)。

  通過(guò)試驗(yàn)研究，采用“失波法”對(duì)管子軋制缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)速度可達(dá)到2000mm/min，靈敏度0.5mm。該方法經(jīng)濟(jì)、快速、高效，且實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐用不銹鋼管缺陷的有效檢測(cè)。在設(shè)計(jì)探頭時(shí)要統(tǒng)籌考慮探頭的整體尺寸，確保探頭的靈敏度不受到影響。探頭晶片的頻率選擇要合適，確保探頭的波束指向性，晶片頻率的選擇范圍一般在2.5～5 MHz為宜。探頭的每一個(gè)制作過(guò)程要進(jìn)行測(cè)試，避免偏離原先設(shè)計(jì)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)探頭一收一發(fā)同步。實(shí)際探測(cè)時(shí)，應(yīng)使用數(shù)字化超聲波探測(cè)儀器，調(diào)整好掃描速度，按照設(shè)計(jì)計(jì)算的聲程參數(shù)識(shí)別直通波，在模擬對(duì)比試件上進(jìn)行比較測(cè)試來(lái)確認(rèn)變形波、遲到波和直通波。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，探頭對(duì)鍋爐用不銹鋼管的軋制缺陷在0.5mm當(dāng)量以上的面狀缺陷均能有效發(fā)現(xiàn)。