超聲波探傷技術的發展及在狀態檢修中的應用

郭 智

（勝利石油管理局勝利發電廠，山東 東營 257087）

0 引言

電站設備中的多數部件長期應用在高溫高壓的水、蒸氣介質中，應力、腐蝕、蠕變、氫蝕及疲勞等造成的時效損傷和劣化問題比較嚴重。對這些設備進行檢修、壽命評估等工作的信號采集中，最經常和廣泛應用的是超聲波技術。超聲波由于廣泛應用于薄管到厚管、表面到內部的缺陷信息采集，對缺陷定量評價迅速，現場檢查容易、解析方便、自動化程度高等許多優點使其得到普遍應用。

利用超聲波法進行微裂紋的檢查，材質損傷及劣化診斷時，超聲波信號一般比較微弱，變化量小。要準確捕捉這些微小的信號，并用其進行解析，必須具備高性能的測量系統。近年來，高靈敏度、高性能、高可靠性的超聲波發送接收器已經商品化，伴隨著計算機的高速、大容量化，信號處理、數據處理等能力增加，圖像化、圖像解析、自動化也越來越容易；此外，雙晶探頭，聚焦探頭，表面SH波探頭，爬波探頭及高溫探頭及電磁超聲波的非接觸探頭等的廣泛應用。在這種前提下，使得近期通過在實驗室階段解析、積累基礎數據的進行，能在現場廣泛推廣應用多種多樣的超聲評估損傷和劣化診斷技術得以實現。

1 超聲波探傷的檢查方法

1.1 缺陷定量方法

（1）當量法(當量試塊比較法、當量計算法、當量AVG曲線法)；

（2）測長法（相對靈敏度測長法、絕對靈敏度測長法、端點峰值法）；

（3）底波高度法。

1.2 裂紋的檢測方法

（1）表面波波高法；

（2）表面波波時延法（單探頭法、雙探頭法）；

（3）端部回波峰值法；

（4）橫波端角反射法；

（5）橫波串列式雙探頭法；

（6）相對靈敏度法（6dB、10dB、20dB）；

（7）散射波法（衍射法）；

（8）損傷、劣化評價方法 衰減法（低層回波反射法、透射法、共鳴法）；

（9）音速法（表面波法、容積波法）；

（10）臨界角反射法；

（11）光譜儀法（光譜分布及面積、中心頻率、頻幅、重心頻率）；

（12）頻率解析法；

（13）利用后方散射波的雜波分析法；

（14）其它（δ 法、波松比評價法）。

2 裂紋的評價和應用實例

2.1 聚焦超聲波

作為在現場可以方便測量的方法而廣泛應用的是相對靈敏度測長法。這種方法是通過探頭前后掃查時的回波高度超過距離—波幅曲線（distance amplitude curve,DAC）時閾值前后的波束路程來測量裂紋高度的一種方法。這種方法的測量精度主要取決于超聲波波束的寬度，通過使用超聲波波幅較窄的聚焦探頭，可提高裂紋自身高度的測量精度。

疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋等的缺陷高度測量經常使用端部回波法。這種方法是收集裂紋端部的散射波回波，然后由其波束路程和探頭的折射角來測裂紋自身高度。使用45°折射角聚焦探頭時，散射回波變得容易發現，而且測量精度也比常規探頭增高。在實驗室，對于鉻鉬鋼產生的裂紋，通過使用常規探頭和聚焦探頭的上部回波表現形式的檢測比較表明，使用聚焦探頭時精度提高50%。對奧氏體系列不銹鋼配管發生的自身高度0.5～17 mm的尖端部位呈復雜形狀的晶間應力腐蝕裂紋，通過利用聚焦探頭的端部回波法，其裂紋自身高度曾以低于±1 mm的精度進行了測量。

端部回波法測量本身簡單，但回波的判別方法依賴于檢查技術人員的水平和經驗，存在客觀性差的問題。另外，微裂紋并存、裂紋的形狀復雜時，無法得到預期的精度，這一點也需特別留意。

對發電設備水冷壁管內表面發生的腐蝕疲勞裂紋、不銹鋼焊接部位產生的應力腐蝕裂紋及石化設備中的堿蝕脆化裂紋等的缺陷高度測量一般使用散射法（Time of Flight Diffraoction,TOFD）。TOFD法是BS7706中規定的方法，將發射探頭和接收探頭按一定的距離焊縫兩側放置，使發射探頭發射出傳播縱波，利用裂紋端部的衍射波測量裂紋自身高度。在沒有裂紋的地方得到的信號僅是在試驗體表面傳播的橫波和底層反射波的單純波形，但在有裂紋的情況下，還會接收到來自裂紋上端及下端的衍射波。所以是求損傷圖形上的各個信號的到達時間差，并由這些值測量裂紋深度及高度的方法。這些收集到的反射信號經波形數據轉換，并由計算機處理后，變換成相位程度帶明暗的灰色標度，探傷結果可實時圖像顯示。在常規方法中，入射角如果偏離10°，其靈敏度約降低25 dB，而TOFD法為5 dB，相對減小許多。可以說TOFD法具有不易受裂紋斜度影響的良好的裂紋檢測性能。

應用TOFD法可以高精度的測量裂紋自身高度，例如：在水冷壁管腐蝕裂紋中，精度為±0.2 mm。對板厚50 mm的低合金鋼產生的疲勞裂紋，其測量精度達到±5%。另外，對原來檢測較困難的堿蝕脆化損傷所造成的裂紋頂端的晶間剝離的定量評價也可以應用TOFD法進行。但是，TOFD法信號微弱，而且根據探頭的設定條件，其檢測性能、測量精度受到很大的影響，因此，需要進行尋求最佳條件的預備實驗。

目前日本正在研究使用大開口角的線聚焦探頭，使在試驗體表面發生泄漏彈性表面波（LSAW），以定量評價不銹鋼晶間腐蝕（IGA）自身高度的方法。實驗證明晶間腐蝕自身高度和LSAW回波振幅之間有著良好的相關關系。

2.2 表面SH波

普通斜探頭在工件中產生的橫波，振動方向在垂直于工件表面的平面內振動，稱SV波；如果橫波的振動方向與工件表面平行，稱為SH波。壓電晶片在逆壓電效應作用下產生的振動波通過異質界面上的波形轉換在被檢介質中產生SH波。

試驗證明SH波探頭的往復透過率隨SH波探頭在鋼中折射角度的增大而增大，隨頻率的降低有所升高，低頻率探頭在不同角度的往復透過率差值比高頻率探頭在不同折射角度上的往復透過率差值小。將驗證結果與理論計算結果相比較，高頻率探頭的一致性較好，低頻率探頭的一致性稍差一些，這是由于理論計算所考慮的晶片為無限大平面，實際試驗中晶片為有限尺寸。在應用于工程實踐時SH波探頭主要分為大角度SH波斜探頭與表面SH波探頭。

表面SH波對工件的表面光潔度要求不高，表面SH波一次有效檢驗距離更大，可提高檢驗效率；應用于汽輪機葉片葉身檢驗時可一次完成末級葉片全長度檢驗，且不受末級葉片汽蝕影響。檢驗縱樹型葉根時檢驗靈敏度可達到1 mm。應用于管內壁疲勞裂紋檢驗時，檢驗靈敏度可達到0.5 mm。

SH波探頭檢驗靈敏度受耦合效果影響較大。造成這種差異的主要原因是由于SH波探頭發射的橫波屬于剪切波，僅能在固體介質中傳播。而目前橫波專用耦合劑在不同溫度下，其透聲效果有較大差異，既橫波在界面的往復透過率有較大差異，導致介質中的橫波聲場強度有較大改變，造成檢驗靈敏度上的差異。因此目前實踐應用中，一般用在環境溫度差別不大的情況下，如果環境溫度差別較大時，應對檢驗儀器的檢驗靈敏度重新校準。大角度SH波斜探頭由于聲場強度在表面及表面下0-10 mm左右范圍，聲場強度基本一致，因此在應用于較薄工件檢驗時，其在缺陷定位（深度方向）上難以作到準確定位。

由于表面SH波具有以上所述的種種優點，所以期望能在結構構件的無損檢查方面得到廣泛的應用。對于火力發電設備等使用的配管焊接部位發生的裂紋的探傷，國外已經開發了面向現場的電子掃描系統，并且已經開始應用。例如使用電弧陣列探頭，進行電子的超聲波波束的扇形掃描，試驗體的斷面圖像為可以實時顯示的移動式圖像系統。

3 損傷、劣化評價和應用實例

3.1 蠕變損傷評價

蠕變損傷是高溫環境下，長時間負載一定負荷時，在晶間產生孔穴等的現象。對其應用的超聲波評價方法有波速法、衰減法、光譜法、頻率解析法及雜波分析法等，理論解析也多種多樣。其中雜波分析法從精度和適用性看較為有效。該方法是將來自金屬組織變化的后方組織散射波作為雜波處理，然后用某頻率范圍的積分值定量評價其振幅的一種方法。

在汽輪機高中壓轉子中，葉輪鍵槽部的蠕變損傷在評價剩余壽命方面非常重要。但其評價方法建議使用使橫波傾斜入射葉輪鍵槽，然后用垂直探頭接收來自損傷部的波形變換后的縱波的δ法。有資料證明，根據這個方法可以得出蠕變的損傷程度和回波高度之間的直線的良好相關關系。

3.2 氫蝕的損傷評價

氫損傷是在高溫(>220℃)高壓條件下，當爐水pH<5、凝汽器泄漏、無機酸或樹脂污染給水時，垢下反應3Fe+4H2O→Fe3O4+8［H］生成的氫原子受垢層阻擋不能被工質帶走，遂與晶界碳化物反應Fe3C+4［H］→3Fe+CH4↑，生成的甲烷氣體使晶界開裂，在管子內壁形成裂紋或鼓包，使鋼的性能下降的一種脆性破壞。氫損傷具有破壞速度快，損傷面積大、損傷不可恢復、不易早期發現的特點。

高頻超聲射頻回波可應用于氫損傷μm級微裂紋的檢測，檢測前用粗砂紙除去管外表渣點，耦合劑采用28號軋鋼油。超聲縱波沿管壁垂直傳播到金屬基體/晶間微裂紋界面時將會產生超聲波的反射和透射現象（通常由于晶間微裂紋的取向是隨機的，這種反射稱之為散射），氫損傷降低了超聲波在其中的傳播速度，檢測儀器就可能檢測到并分辨金屬基體/晶間微裂紋界面和管壁內表面的回波。因此通過檢測這種反射回波就可以了解內部氫損傷微裂紋的情況。通常認為超聲波可以發現的最小缺陷尺寸為波長的1/2。近年來的理論研究證明，若對回波高度沒有規定，并配合高頻率的數字化示波器，儀器的靈敏度和信噪比會很高，不連續性檢出的靈敏度能達到波長的1/5～1/10。如探頭頻率采用15 MHz時，則可檢出的單個不連續性可小至 40 μm～75 μm。

3.3 敏感化程度的評價

如果不銹鋼在高溫下使用，因敏感化而生成貧鉻區域是為誘發晶間腐蝕的原因，超聲波評價關鍵在于確認由敏感化程度和超聲波的縱波和橫波決定的泊松比之間的相關關系，目前正在研究以泊松比為指標的評價敏感化程度的方法。

敏感化的晶粒可看作是在中央部位和晶間部位固溶元素的濃度不同的殼狀構造，使用有關殼狀構造的散射體的散射理論，計算超聲波音速和衰減的頻率依存性，隨頻率增加衰減的增加、音速的降低傾向及敏感化的發展而造成的音速的增加傾向等與試驗值吻合。

3.4 二相不銹鋼的熱時效評價

如果二相不銹鋼長時間保持在300～450℃時，會在α相中產生偏聚分解引起的熱時效 （脆化）。關于隨這個熱時效而進行的音速變化，從理論和實驗兩個方面研究表明，數值模擬結果和實驗值對應良好。但是，關于二相不銹鋼鑄鋼的熱時效，受到含有粗大粒子的鑄造組織的影響，其SH波的音速和時效時間之間雖然有某種程度的相關，但沒有發現與縱波的相關性。另外，有研究證明，如果利用使用線聚焦探頭的相位干擾法，對小區域的泄漏彈性表面波的音速進行的測量，那么音速與熱時效一起增加，與破壞韌性值有相關關系。

3.5 疲勞的評價

疲勞壽命評價應用使用軸對稱SH波的電磁超聲波傳感器的方法，通過檢測衰減系數，可以進行非接觸評價，研究認為在斷裂壽命的90.6%的階段，存在衰減系數的峰值。對于低合金鋼的疲勞，刃型位錯為直線模型，螺旋型位錯為彎曲模型，數值解析結果與電磁場超聲波測量的衰減系數對應良好，并證明使衰減系數變動的主要原因是位錯。

另外，應用脈沖串波入射低周疲勞材料的共鳴衰減，由于隨著殘余應變的增加，共鳴頻率中的衰減系數增加，認為由此可以預測疲勞損傷程度。經研究對于0Cr19Ni19不銹鋼，使用由于應變控制和負荷控制而造成疲勞損傷的試驗體測量音速時，在應變控制疲勞中，隨著疲勞的增加，音速單純減少，在負荷控制疲勞中，反而增加。這種現象被解釋為是基于位錯的活動不同的一種現象，在利用音速評價疲勞損傷時，需要留意。

現在，正在研究的強力縱波超聲波入射到材料中時內部摩擦的超聲波振幅依存性。研究發現，通過測量3次高諧波開始變顯著時的振動的振幅，來判斷是否產生高周疲勞的可能性。

4 結語

使用超聲波進行損傷、劣化診斷時，需要能夠確實了解所欲期結論；要充分利用各種評價方法，進行定量評價，并使結論能從理論上得到證明,為此，高靈敏度超聲波測量系統，信號處理及數據處理系統的發展，理論解析及利用計算機的數值模擬等的發展都是必不可少的。同時，也需要實驗室及現場的數據積累和反饋。

［1］ 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.在役壓力容器超聲波檢測［J］.超聲波探傷，1995，3.

［2］ 尚志遠.檢測聲學原理及應用［M］.西北大學出版社，1996，5.