用縱波直探頭測量新型耐熱鋼材料橫波聲速的方法

2013-10-25 05:21:38張紀周袁世麗何順開

無損檢測 2013年12期

張紀周，袁世麗，何順開

（北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京 100043）

為了節約能源、提高發電效率、減少污染，超臨界、超超臨界發電機組已經成為我國火電發展的必然趨勢。機組運行參數（溫度、壓力）和單機容量的增加，促進了更高強度耐熱鋼的開發與應用。目前在建的多臺超臨界、超超臨界機組的關鍵部件（高溫集箱、主蒸汽管道等）都使用了P91、P92等新型耐熱鋼材料。

P91、P92鋼與普通碳素鋼材料的聲學特性存在很大差異。由于P91材料與普通碳素鋼材料的聲速不同，使得同一橫波斜探頭在兩種材料中的折射角度不同。因此，對P91對接焊縫進行超聲波檢測時，儀器掃描時間的校準和橫波斜探頭K值的測定，不能只使用CSK－ⅠA標準試塊。否則，會造成定位誤差，嚴重時極有可能發生漏檢及誤判的情況。檢測中，為避免上述情況，可以采用以下兩種方法：

（1）制作P91材料的CSK－ⅠA、CSK－ⅢA等專用標準試塊。

（2）采用普通材質試塊調試后，測定P91材料的橫波聲速，然后計算并修正。

理論上，使用與工件同種材料的標準試塊校準更準確，但是生產中卻并不適用，無法做到為每一種新材料做一種標準試塊，那樣也就失去了標準試塊的意義。相反，如果能在現有條件下測量出該材料的橫波聲速，那么用計算后修正的方法反而更適用。

使用數字超聲波探傷儀探傷時，聲速是影響探傷定位、定性的重要因素。只有準確輸入被檢材料的橫波聲速，才能對缺陷的深度、位置進行精確的測量。因此測試P91材料的橫波聲速cSP91是解決問題的關鍵所在，必須選擇一種可以有效測試橫波聲速的方法。筆者介紹一種簡單、可行同時又適用于大部分鋼材料的橫波聲速測試方法。

1 原理分析

1.1 單晶直探頭探傷中的變形橫波現象

在使用單晶直探頭對上下表面平行的鍛件進行檢測時，經常會遇到在一次底波B1之前沒有任何缺陷回波，而在B1與二次底波B2之間及B2與三次底波B3之間……總存在著幅度很小且位置相對固定的回波。當從鍛件的另一面檢測時，該回波仍然出現在B1后的相同位置。

很多人將其判斷為小缺陷波。當然也有人不認為是缺陷波，而將其解釋為側壁干涉、聲波疊加等現象。筆者覺得將其解釋為遲到波更合理。

所謂遲到波，即當探頭置于細長（或扁長）工件或試塊上時，擴散縱波波束在側壁產生波型轉換，轉換為橫波，此橫波在另一側面又轉換為縱波，最后經底面反射回到探頭，被探頭接收，從而在示波屏上出現一個回波。由于轉換的橫波聲程長，波速小，傳播時間比直接從底面反射的縱波長。因此，轉換后的波總是出現在第一次底波B1之后，故稱遲到波。

可見，產生遲到波的必要條件就是波束擴散。擴散縱波波束傾斜入射側壁發生波型轉換，從而產生變型橫波。那么試想擴散縱波波束相對于底面同樣也屬于傾斜入射，因此必然也會產生變型橫波。

1.2 變型橫波產生原因分析

直探頭所發出的縱波也不是一條直線，而是以一定角度擴散的錐形。那么，既然有擴散，其自身也會產生波型轉換。以下以單晶直探頭（2.5P14Z）為例說明此問題。半擴散角θ0的公式為：

式中：λ為波長；Ds為晶片直徑。

已知探頭頻率f＝2.5MHz；晶片直徑Ds＝14mm；鋼中縱波聲速cL＝5 900m／s；鋼中橫波聲速cS＝3 230m／s。則，縱波波長λL為：

縱波半擴散角：

同理，橫波波長：

橫波半擴散角：

那么，可以認為單晶直探頭（2.5P14Z）在鋼中產生的縱波聲束包含著一個同軸的橫波聲束，其半擴散角約為6.4°，如圖1所示。該橫波由于能量非常微弱，通常不會被發現。只有在檢測需要較高靈敏度的工件（如鍛件等）的情況下，才有可能被發現。

圖1 半擴散角聲束示意

1.3 推導橫波聲速計算公式

將單晶直探頭（2.5P14Z）置于 RB－Ⅲ 試塊40mm厚度位置，將儀器靈敏度調整為80%B1＋30 dB。在一次底波B1和二次底波B2之間出現兩個波幅相對較小的回波BLS和BSS，如圖2所示。以下逐一分析B1、B2、BLS和BSS四個回波的路徑，其對應的深度值分別為 HB1，HB2，HBLS和 HBSS。

圖2 標準試塊的波形

圖3為一次底波B1的回波路徑。可見，B1回波是縱波聲束在試件中往復形成的，聲程是試件厚度H的兩倍。超聲波探傷儀記錄的聲程（深度）都是單程。所以，B1的顯示深度正好為試件的厚度。用公式可表示為：

推導可得：

圖3 B1回波路徑

圖4為BLS的回波路徑圖。可見，BLS回波包括縱波與橫波，其能量為變型縱波與變型橫波之和。由于包含了橫波的成分，其回波時間滯后于縱波的一次反射波B1。用公式可表示為：

推導可得：

代入式（2）得：

圖4 BLS回波路徑

圖5為BSS的回波路徑圖。可見，BSS為橫波產生的回波，不包含縱波的成分。因此，其往復時間要長于包含縱波的BLS，回波的位置也滯后于BLS。用公式可表示為：

推導可得：

代入（1）式得：

圖6為二次底波B2的回波路徑圖。可見，B2回波是縱波聲束在試件中往復兩次形成的，聲程是

圖5 BSS回波路徑

圖6 B2回波路徑圖

試件厚度H的四倍。其顯示深度為試件厚度的兩倍。用公式可表示為：

推導可得：

2 試驗驗證

2.1 試驗設備

儀器選用HS610，HS610eA型脈沖反射式數字超聲波探傷儀。探頭為單晶直探頭2.5P14Z。試塊為CSK－ⅠA標準試塊；CSK－ⅠB標準試塊。試件為 φ447.5mm×65mm 的 P91鋼管；φ773.5mm×146.5mm的P92鋼管。輔助工具為游標卡尺。

2.2 驗證過程

（1）將探頭置于普通 CSK－ⅠA 標準試塊100mm處，采用自動調校的方式調整掃描時間為1：1，從而得到該探頭的零偏值L0。所謂探頭零偏值，即超聲波在探頭內從晶片至接觸面的傳播時間。

（2）用游標卡尺精確測量P91試件的厚度H。

（3）將探頭放置于P91試件的表面并調整掃描范圍至能夠顯示出二次底波B2。

（4）將L0輸入儀器參數，用閘門圈住一次回波B1，調整儀器的聲速值，當儀器顯示B1的深度值HB1與P91試件的實際厚度H相吻合時，此時的聲速即為P91鋼實際的縱波聲速cLP91。

（5）提高儀器增益30dB以上，使得B1與B2之間出現回波BLS和BSS。用閘門圈住BLS或BSS，記下儀器顯示深度HBLS或HBSS。

（6）利用公式（3）或（4）來計算P91鋼的橫波聲速，得：

通常BSS的波幅遠低于BLS，甚至由于試件表面粗糙度或晶粒度的原因而沒有明顯的BSS。因此大多數的情況下要以式（3）來計算橫波聲速。值得注意的是，在讀取回波B1，BLS及BSS的顯示深度時，必須使得其波高達到相同的波幅（通常選擇80%），以盡可能地減小誤差。

以CSK－ⅠA標準試塊為例進行驗證：

（1）用游標卡尺測量CSK－ⅠA標準試塊實際厚度H＝25mm。

（2）如圖7（a）所示，用閘門圈住一次回波B1，調整儀器的聲速值，使得B1的顯示深度HB1＝H＝25mm，讀取此時的縱波聲速cL＝5 956m／s。

（3）如圖7（b）所示，用閘門圈住回波BLS，自動增益到與B1同一幅度，讀取回波BLS的深度HBLS＝35.4mm。代入式（3）求得試塊中的橫波聲速cS：

同理對 CSK－ⅠB標準試塊、P91鋼管φ447.5mm×65mm、P92 鋼管φ773.5mm×146.5mm試件的驗證結果如表1。

2.3 結果分析

由上述結果可知：

（1）標準試塊為普通碳鋼的橫波聲速為3 251m／s，與已知的碳鋼、低合金鋼橫波聲速實際橫波聲速3240m／s相差不大；同種材料的兩種標準試塊，所測的橫波聲速也不相同。（2）P91鋼橫波聲速為3308m／s；P92鋼橫波聲速為3284m／s。試驗誤差會對聲速的測量有一定的影響。產生的原因有：

（1）儀器的水平線性存在誤差，例如儀器的水平線性誤差為小于0.1%。

圖7 CSK－ⅠA標準試塊回波

表1 驗證橫波聲速結果

（2）試塊加工時存在誤差，試塊允許存在0.05%的加工誤差。

（3）不同儀器之間數／模轉換方式不同引起的誤差。

（4）儀器產生超聲波時觸發和振鈴時間的不同造成的差異，都可能引起測試誤差。

3 應用實例

檢測人員在對材質為P91的集箱管座角焊縫進行超聲波檢測時，選用K2橫波斜探頭（實測K＝1.97）檢測集箱管座角焊縫（規格為φ325mm×64mm）。在管座上大約3點的位置，檢測到一個超標缺陷（顯示深度為62mm，指示長度為40mm）。通過筆者闡述的測試方法測出P91材料的橫波聲速cS913 313m／s，而鋼中橫波聲速cs鋼＝3 237m／s。兩種聲速下計算所得折射角分別為β鋼＝63.1°，βP91＝65.9°。

對于儀器指示深度H＝62mm處的缺陷，則儀器指示的聲程為：