基于“失波法”超聲快速檢測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)計和制作方法，采用“失波法”超聲快速檢測技術(shù)對鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷進(jìn)行了精確計算和試驗(yàn)，研究出檢測速度可達(dá)到2000mm/min、靈敏度達(dá)到0.5mm的一種新檢測方法。鍋爐受壓元件用不銹鋼管主要有水冷壁、省煤器、過熱器、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，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法實(shí)現(xiàn)水浸探傷;三是探測靈敏度低，檢測速度慢，且對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檢測鍋爐管子軋制缺陷，可以克服傳統(tǒng)檢測方法的缺點(diǎn)。當(dāng)鋼管存在軋制缺陷時，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檢測鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷，需要考慮三方面問題: 

 1. 是探頭與管子表面耦合是否良好;

 2. 是能否有效檢測管子軋制缺陷;

 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原理如圖所示，在超聲波檢測中，將探頭直接接觸在管子上，分析固有信號和缺陷信號的關(guān)系，了解不同類型缺陷信號反射強(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，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，波的位置及波高沒有變化如圖。當(dāng)管子存在缺陷時，這種固有回波將會發(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，固有回波將會消失。由此，采用固有直通回波信號的變化來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

  檢測時，將探頭放在耐磨的探頭套內(nèi)，探頭套采用鋼套或耐磨樹脂套，實(shí)現(xiàn)探頭與管子穩(wěn)定和良好的耦合，探頭移動時不被磨損，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，檢測時自動充水，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)聲波波長范圍，使聲能透過率最佳。

三、探頭設(shè)計與制作

  探頭設(shè)計合理與制作精細(xì)是實(shí)現(xiàn)超聲波探傷和有效判定管子有無軋制缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對管子和軋制缺陷的特點(diǎn)，做到發(fā)收晶片同步、檢測靈敏度高并易于操作和制作加工。在探頭設(shè)計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，減少了波束的近場區(qū)長度，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區(qū)長度。

  b. 探測波形的選擇

  一般鍋爐用不銹鋼管材料的晶粒度為4～7級，屬中細(xì)度范圍，為提高對細(xì)小裂紋檢測的靈敏度，選擇探測波形為橫波進(jìn)行探測，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)探頭的兩個入射點(diǎn)距離和在鋼中的橫波折射角范圍來計算確定，并選擇對檢測缺陷靈敏度最佳效果的反射次數(shù)?，F(xiàn)設(shè)定檢測89×13的鍋爐管子，選擇探頭中兩個入射點(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

   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)計是首先確定所探測管子的規(guī)格，再確定探頭的入射角α、兩個入射點(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)計要求，探頭在試制過程中及試制結(jié)束后均要對其進(jìn)行性能參數(shù)測試，同時在實(shí)際探傷前要對儀器進(jìn)行掃描速度和靈敏度的調(diào)節(jié)及缺陷的評價。試塊用于測定探傷儀和探頭未加工凹弧面時的入射點(diǎn)、前沿、折射角。對比試塊用于探傷靈敏度的調(diào)整，試塊采用受檢管子規(guī)格來設(shè)計加工，試塊的材料選擇一般可用20#碳鋼，最好選用一段沒有缺陷的管子加工。試塊長度一般為200mm，在試件內(nèi)外壁上加工長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。其幾何尺寸見圖。

 對比試塊用于測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通孔是用來測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算。試塊材料一般用20#碳鋼加工，對比試塊制作的技術(shù)條件應(yīng)符合ZBY232－84的規(guī)定，其幾何尺寸見圖。

五、探頭的入射點(diǎn)、折射角測定及儀器掃描速度調(diào)整

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

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

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

 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)對應(yīng)的位置。

  將四種不同反射次數(shù)的8個探頭在同一個沒有缺陷的管子上進(jìn)行測試。記錄的8個探頭的直通波波形圖如圖所示。由以上8個探頭測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。比如編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在1個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在2個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在3個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在4個遲到波。在實(shí)際探測時就是要觀察直通波受缺陷的影響程度來對管子軋制缺陷進(jìn)行探測。如何識別直通波要具備以下兩個條件:首先要使用數(shù)字化超聲波儀器來正確調(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)先計算出直通波的聲程，然后觀察該探頭在儀器上顯示的相對應(yīng)聲程的直通波波形。當(dāng)然，直通波在遇有缺陷時肯定會明顯發(fā)生變化，否則原確定的直通波就是錯誤的。

  在識別和確定直通波的基礎(chǔ)上，對內(nèi)外管壁加工有0.5mm、1.0mm和2.0mm的刻槽進(jìn)行測試。測試的結(jié)果如表所示，測試表明各種探頭在測試各種不同深度的刻槽時，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，在探測時只要觀察直通波的動態(tài)變化情況，變形波和遲到波并不影響對管子缺陷的探測。

  通過試驗(yàn)研究，采用“失波法”對管子軋制缺陷進(jìn)行檢測，檢測速度可達(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)了對鍋爐用不銹鋼管缺陷的有效檢測。在設(shè)計探頭時要統(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。探頭的每一個制作過程要進(jìn)行測試，避免偏離原先設(shè)計的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)探頭一收一發(fā)同步。實(shí)際探測時，應(yīng)使用數(shù)字化超聲波探測儀器，調(diào)整好掃描速度，按照設(shè)計計算的聲程參數(shù)識別直通波，在模擬對比試件上進(jìn)行比較測試來確認(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)。