厚壁筒體的超聲檢測(cè)

李 偉

（武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，武漢 430084）

對(duì)環(huán)形及管狀的產(chǎn)品進(jìn)行軸向缺陷的接觸法橫波檢測(cè)時(shí)，為保證聲束能穿透整個(gè)壁厚以達(dá)到對(duì)內(nèi)壁缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)的目的，首先應(yīng)滿足在工件中傳播的是單一的純橫波，避免其它波型的干擾，以提高對(duì)缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性；其次為達(dá)到較好的檢測(cè)信噪比應(yīng)使掃描聲束具有較高的能量，并使工件中傳播的橫波折射角為45°，有利于一定傾角缺陷的檢出。但是，常規(guī)的環(huán)形及管狀的產(chǎn)品進(jìn)行軸向缺陷的接觸法橫波檢測(cè)時(shí)，其可檢測(cè)的產(chǎn)品規(guī)格一般限定在壁厚外徑比不大于0.2的范圍，對(duì)超出此規(guī)格范圍的產(chǎn)品，目前常采用小角度縱波切內(nèi)壁法［1］和變形橫波切內(nèi)壁法［2］進(jìn)行檢測(cè)，但這二種方法在實(shí)踐中較難滿足上述要求。對(duì)此，筆者進(jìn)行了試驗(yàn)，采用特殊變形橫波法進(jìn)行檢測(cè)，收到了較好的效果。

1 概況

被檢件為筒體，工作壓力為106MPa，300～320℃的溫度，屬高溫高壓工況。該筒體選用34CrNiMoV材料，加工成φ390mm／φ195mm×4800mm規(guī)格的筒體。

按照工藝要求，產(chǎn)品熱處理并精加工完畢后，采用縱、橫波進(jìn)行超聲波檢測(cè)，合格后轉(zhuǎn)水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為150MPa，應(yīng)保持2h無(wú)泄漏。

2 對(duì)比試樣及檢測(cè)方式

因該筒體屬于厚壁管材，且壁厚與外徑之比達(dá)0.25，故常規(guī)的接觸法純橫波超聲檢測(cè)不能夠檢測(cè)內(nèi)壁附近的缺陷。為實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全面檢測(cè)，采用如下對(duì)比試樣及四種檢測(cè)方式。

2.1 對(duì)比試樣

對(duì)比試樣一：φ390mm×78mm刻內(nèi)、外壁軸向槽；

對(duì)比試樣二：φ390mm×97.5mm刻內(nèi)、外壁軸向、周向槽；

所有對(duì)比試樣內(nèi)、外壁人工槽尺寸均為40mm×1.5mm×1.5mm（長(zhǎng)×寬×深）。

2.2 檢測(cè)方式

（1）采用φ14mm，2.5MHz的縱波直探頭，以φ2mm平底孔基準(zhǔn)，在工件上從外圓徑向掃查筒體，以探測(cè)筒體內(nèi)平行于探測(cè)面的缺陷。

（2）采用 K1，2.5MHz，晶片13mm×13mm的橫波斜探頭，沿筒體軸向作周向缺陷掃查。

（3）采用常規(guī)的純橫波接觸法沿筒體圓周作一定深度范圍的軸向缺陷直射掃查。

（4）采用特殊變形橫波法沿筒體圓周作整個(gè)壁厚的軸向缺陷掃查。

3 檢測(cè)實(shí)施

上述第三種檢測(cè)方式的目的是考慮到靠近外表層面的壁厚范圍的各方向缺陷能夠在適合的檢測(cè)角下，由直射純橫波進(jìn)行掃查。不僅可避免干擾信號(hào)的出現(xiàn)，而且利用橫波良好的檢測(cè)及分辨率，提高缺陷的檢出率。

該方式所能夠檢測(cè)的筒體壁厚外徑比τ為：

式中：T為能夠檢測(cè)的壁厚；D為筒體的外徑。

則直射純橫波所能夠掃查的最大壁厚Tmax：

Tmax＝τ×D＝0.2×390＝78mm

其探頭最大折射角及第一臨界角計(jì)算：如圖1所示。

3.1 最大折射角

式中：β為鋼中超聲橫波折射角；r為筒體的內(nèi)半徑；R為筒體的外半徑。

以壁厚T＝78mm計(jì)算，即以φ390mm×78mm筒體為例，則此時(shí)的內(nèi)半徑r＝（D－2T）／2＝117mm，外半徑R＝D／2＝195mm

此K值即為主聲束掃查壁厚為78mm筒體時(shí)所需的K值。

3.2 臨界角α臨計(jì)算

式中：CL1為有機(jī)玻璃聲速，2700m／s；CL2為鋼中縱波聲速，5900m／s；α為有機(jī)玻璃中超聲縱波入射角；β為鋼中超聲橫波折射角。

3.3 最大折射角條件下的入射角α＇計(jì)算

仍以φ390mm×78mm為例：CS2為鋼中橫波聲速3200m·s－1

此時(shí)α＇＞α臨，鋼中只有純橫波。

采用2.5MHz，晶片13mm×13mm，K0.75橫波探頭，楔塊底面加工成與工件相吻合的弧面，使用PXUT－320數(shù)字超探儀，以φ390mm×78mm試樣上的內(nèi)、外壁人工槽調(diào)整靈敏度，然后在筒體上進(jìn)行直射波軸向缺陷的掃查。若有缺陷回波，重點(diǎn)確定其深度是否小于等于78mm（此時(shí)無(wú)內(nèi)壁反射波），若是則按純橫波掃查方法定位、定量即可。若大于78mm，則移動(dòng)探頭繼續(xù)周向掃查，確定其缺陷的最大位置及波幅。如圖2所示。

圖1 橫波折射角β示意

圖2 純橫波接觸法掃查示意圖

第四種檢測(cè)方式。筒體壁厚為97.5mm，即直射純橫波不能掃查的余下部分壁厚為97.5－78＝19.5mm。該范圍必須依靠特殊變形橫波法進(jìn)行探測(cè)。方法為：具有一定入射角的斜探頭將在有機(jī)玻璃／鋼界面產(chǎn)生能量較大的折射縱波，此折射縱波到達(dá)筒體外壁時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，該反射波是一種有聚集效應(yīng)的變形橫波，并以45°左右的折射角向內(nèi)壁入射。若該范圍存在因缺陷導(dǎo)致的異質(zhì)界面，就會(huì)將該聲波沿原路反射回來(lái)，從而使缺陷得到檢測(cè)，如圖3所示。

R、r為筒體的外、內(nèi)半徑；有機(jī)玻璃聲速為CL1；筒體縱波聲速為CL2；橫波聲速CS2；變形橫波與內(nèi)壁法線夾角α，見(jiàn)圖3。

則根據(jù)正弦定理：

因?yàn)榉瓷渥冃螜M波的縱波入射角為：

式中：βL為折射縱波的折射角；βS為通過(guò)外壁反射后的橫波反射角。

則此時(shí)的斜探頭入射角為：

式中：r為筒體內(nèi)半徑，97.5mm；R為筒體外半徑，195mm；CL1為有機(jī)玻璃聲速，2700m·s－1；CS2為鋼中橫波聲速，3200m／s；α為特殊變形橫波與內(nèi)壁法線夾角，45°。

則以筒體φ390mm×φ195mm為例

從聲學(xué)的原理來(lái)講，當(dāng)入射的橫波在33°～57°范圍內(nèi)，界面會(huì)產(chǎn)生全反射，如圖4所示。

此時(shí)，在凹形或凸形的界面上產(chǎn)生的折射與反射就會(huì)有聚集或發(fā)散現(xiàn)象。在筒外壁的聲波折射與反射也有這種聚集或發(fā)散作用。那么聲束從有機(jī)玻璃斜入射進(jìn)入工件的傳播過(guò)程中，首先由外壁對(duì)與之相交的縱波聲束進(jìn)行擴(kuò)束（縱波在到達(dá)圓弧面時(shí)，由于聲束擴(kuò)散角導(dǎo)致的縱波聲程不同，并分成可以產(chǎn)生折射橫波的范圍），同時(shí)產(chǎn)生反射的特殊變形橫波束，該反射橫波束由于外壁圓弧的作用而會(huì)出現(xiàn)類似聚焦的情況，使得傳播到內(nèi)壁的特殊變形橫波不僅波束聚集且能量增強(qiáng)，達(dá)到了對(duì)筒體近內(nèi)壁范圍缺陷檢測(cè)的目的，如圖5所示。

基于此理論，采用αL＝17.4°，2.5MHz，晶片13mm×13mm斜探頭，使用PXUT－320數(shù)字超探儀。在φ390mm×97.5mm對(duì)比試樣上分別設(shè)置外、內(nèi)壁人工傷報(bào)警閘門，進(jìn)行靈敏度調(diào)整（此時(shí)外壁傷的回波應(yīng)由入射的縱波產(chǎn)生，而同時(shí)入射的橫波因能量較弱，且不會(huì)達(dá)到外壁，故區(qū)分較為容易），方法為：儀器掃描比例按聲程設(shè)置，先使外壁人工槽回波F外波幅達(dá)滿屏80%基準(zhǔn)波高，記下儀器增益讀數(shù)（dB值）。在儀器增益不變情況下掃查內(nèi)壁人工槽，此時(shí)內(nèi)壁人工槽回波內(nèi)壁人工槽回波波幅遠(yuǎn)高于滿屏的100%（這就是特殊變形橫波的聚集作用）。將內(nèi)壁人工槽回波波幅降至滿屏的80%，記下此時(shí)的儀器增益讀數(shù)（dB值）（目的是為了對(duì)缺陷進(jìn)行可比性評(píng)定），然后將儀器恢復(fù)到增益讀數(shù)（dB值），靈敏度調(diào)整完畢。即可在筒體外表面進(jìn)行整個(gè)壁厚的軸向缺陷掃查。

4 缺陷定位

檢測(cè)方式3的探測(cè)如圖2，由于該方式檢測(cè)時(shí)純橫波不能達(dá)到內(nèi)壁，無(wú)二次反射回波，故只能依靠一次波進(jìn)行檢測(cè)，且有效檢測(cè)壁厚為不大于78mm。按常規(guī)的純橫波外圓周向掃查方法對(duì)軸向缺陷定位，如圖6所示，缺陷位置由H和確定［3］。

圖7 特殊變形橫波缺陷定位

檢測(cè)方式4的探測(cè)如圖7所示，由于該方式檢測(cè)時(shí)主要是利用了變形橫波對(duì)純橫波無(wú)法企及的余下壁厚（即大于78mm至內(nèi)壁）范圍進(jìn)行掃查，且該變形橫波是由探頭聲束入射后的折射縱波產(chǎn)生的，故用該法檢測(cè)時(shí)對(duì)缺陷的定位分二種情況進(jìn)行。橫波發(fā)現(xiàn)的缺陷。此時(shí)固定探頭不動(dòng)，先用尺從探頭入射點(diǎn)量出已記錄的弧長(zhǎng)在外圓周上對(duì)應(yīng)的位置b（b’），此點(diǎn)即為變形橫波在工件外圓周上的入射點(diǎn)（或稱為折射縱波在此處的反射點(diǎn)，也是標(biāo)注缺陷外圓弧長(zhǎng)的參考點(diǎn)），再以儀器讀數(shù)ζ’減去ζ值，得出ζ“，即為變形橫波到達(dá)缺陷處的聲程值，再可按檢測(cè)方式3對(duì)缺陷進(jìn)行計(jì)算定位。

5 結(jié)果分析

在對(duì)比試樣上用折射縱波先找到外壁人工傷（圖7中的b點(diǎn)），并使其回波達(dá)最高，用尺量出探頭入射點(diǎn)至外壁人工傷的弧長(zhǎng)和弦長(zhǎng)L，記下此、L值。在儀器上按L值調(diào)整聲程掃描比例，使儀器上折射縱波在外壁人工傷處的回波位置為ζ。繼續(xù)移動(dòng)探頭掃查內(nèi)壁人工傷，由于此時(shí)是利用變形橫波進(jìn)行掃查，按縱波與橫波二者波速之比約1∶2經(jīng)實(shí)際計(jì)算后確定橫波對(duì)內(nèi)壁人工傷處的回波在儀器上的位置。

實(shí)際檢測(cè)中：若發(fā)現(xiàn)儀器讀數(shù)小于等于ζ的回波時(shí)，則可確定是折射縱波發(fā)現(xiàn)的缺陷，該缺陷的定位方法為：設(shè)儀器讀數(shù)為L(zhǎng)’，缺陷位于圖7中的P點(diǎn)，依余弦定理有：

式中：OP為缺陷至圓心的距離；R為工件的外半徑；Pd為缺陷至外表面的實(shí)際深度。

則缺陷距外圓表面深度為：Pd＝R－OP

依正弦定理：

缺陷的外圓弧長(zhǎng)為：

當(dāng)儀器回波讀數(shù)大于ζ時(shí)，則可確定是由變形

第一種、第二種檢測(cè)方式均與常規(guī)的鍛件檢測(cè)無(wú)異，不存在特別的變化因素，故不再贅述。

第三種檢測(cè)方式主要考慮缺陷的取向與入射波的角度，為盡可能的使缺陷回波得到較高的反射。即使入射波的角度在（33°～57°）之間，且利用純橫波掃查，提高缺陷的檢出率。但由于此時(shí)筒體內(nèi)不能形成有效地內(nèi)壁反射波，所以對(duì)外壁近表面缺陷的檢測(cè)有一定的局限，只能依靠入射的一次波對(duì)一定壁厚范圍（不大于78mm）進(jìn)行掃查。但好處是對(duì)相應(yīng)的缺陷定位、定量較容易。

第四種檢測(cè)方式是關(guān)鍵的步驟。該方式能以一次波（折射縱波）探測(cè)外表面的缺陷，通過(guò)入射縱波在外壁反射的橫波聚集作用，使入射到內(nèi)壁的聲束能量增強(qiáng)（與小角度縱波切內(nèi)壁法和變形橫波切內(nèi)壁法相比檢測(cè)靈敏度高出12dB左右），提高了對(duì)內(nèi)壁缺陷的檢出率，保證了對(duì)整個(gè)壁厚范圍的質(zhì)量控制，但缺陷的定位、定量較為麻煩。

第四種檢測(cè)方式中在對(duì)比試樣上調(diào)整靈敏度，內(nèi)槽回波要高于外槽回波，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有：① 與折射縱波與外壁槽的相對(duì)傾斜角有關(guān)；② 折射橫波在內(nèi)壁上有會(huì)聚作用。

采用該法在實(shí)際檢測(cè)中，在距筒體端頭280mm處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁表面兩處缺陷，軸向長(zhǎng)度分別為11，20mm。其反射波高均與試樣的內(nèi)壁人工傷（槽長(zhǎng)25mm，槽寬1.5mm，槽深1.5mm）波幅相等，經(jīng)內(nèi)窺鏡檢查及測(cè)量，確定是加工不慎導(dǎo)致的軸向拉刀槽，尺寸分別為長(zhǎng)13mm，寬1.8mm，深1.3mm及長(zhǎng)17mm，寬2.1mm，深1.1mm。造成缺陷波高與人工傷波高相等而尺寸不符的原因可能有：①拉刀槽的形狀、與聲束的夾角不完全與人工傷一致、②對(duì)比試樣與筒體表面光潔度存在差異有關(guān)。

綜上所述，對(duì)于壁厚／外徑比τ不小于0.2的厚壁管件類探傷，目前常用小角度縱波切內(nèi)壁法和變形橫波切內(nèi)壁法，從超聲原理分析及試驗(yàn)情況來(lái)看，均存在由于聲束折射角度的原因而導(dǎo)致的缺陷檢出率及檢測(cè)靈敏度不足的現(xiàn)象，采用特殊變形橫波法進(jìn)行檢測(cè)的好處是在對(duì)比試樣上能分別得到內(nèi)、外壁刻槽的清晰回波，在工件中傳播的聲束折射角為45°且信號(hào)的信噪比滿足檢測(cè)要求，檢測(cè)靈敏度得到提高，使檢測(cè)結(jié)果的可信度得到保證。

6 結(jié)論

手工方式檢測(cè)相對(duì)來(lái)講成本較低、檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性較好、使用靈活。需批量檢測(cè)宜采用半自動(dòng)或全自動(dòng)的檢測(cè)設(shè)備，配置多通道超探儀，檢測(cè)信息電子化處理。不僅可減少漏檢的概率，避免繁瑣的缺陷定位計(jì)算，還可提高檢測(cè)效率、減輕檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度。至于相控陣檢測(cè)，可以利用扇掃的功能盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)各不同角度、深度缺陷的掃查，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的全覆蓋，但對(duì)超出純橫波檢測(cè)范圍的區(qū)域，仍需輔助非常規(guī)掃查方式。

［1］楊世維 大口徑厚壁無(wú)縫鋼管超聲波探傷［J］.無(wú)損探傷，1984（2）：31－33.

［2］李建軍 厚壁無(wú)縫管縱向裂紋超聲波探傷［J］.無(wú)損探傷，1991（2）：16－19.

［3］胡天明.超聲探傷［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994：213－222.