鋼板超聲波測厚儀測量誤差及分析

司春杰

（濟南鋼鐵股份有限公司，濟南 250101）

使用脈沖反射式超聲波測厚儀對鋼板測厚，數值顯示直觀，操作簡單，不受空間、部位、環境限制，是千分尺測厚無法比擬的。超聲波測厚儀與超聲波探傷儀原理比較相似。但超聲波測厚儀的檢出靈敏度要比超聲波探傷儀的基準靈敏度高得多，鋼板的均勻性對檢測結果影響很大。特別是數字直讀式測厚儀，沒有波形顯示，鋼板內部很小的缺陷都可能觸發計算電路，產生異常厚度值，易對鋼板質量產生誤判。而較小的，如φ1mm平底孔當量缺陷，在鋼板探傷儀基本靈敏度下檢測不到。

因此，GB／T 11344－2008《無損檢測 接觸式超聲波回波法測厚方法》標準，第7.5條規定“對于材料不均勻，衰減較大的試件，將影響測厚結果，有時測量區域存在微小夾雜或分層，也會得到異常的厚度值，這時應采用A掃描超聲波檢測儀來測量厚度”。TSGR 7001－2004《壓力容器定期檢驗規則》標準第25條也有同樣的規定。

1 鋼板測厚誤差產生的原因

1.1 超聲波測厚儀設置

超聲波測厚儀探頭頻率為5MHz。超聲波檢測的最小靈敏度為λ／3（λ為波長）［1］，相對于5MHz探頭，即可檢測到鋼板中0.4mm的缺欠。為適應不同曲率、粗糙度工件的局部測厚，測厚儀使用的探頭直徑為φ5～10mm。由于測厚儀的探頭直徑小，有效聲束寬度小，幾乎成線性，能量集中，一旦探測到鋼板內小的缺欠，較強的缺欠反射信號就有可能觸發測厚儀計算電路，產生異常顯示。

測厚儀多為通用型的，為使不同材質、不同厚度工件的底波達到計算電路的閘門閾值，必須設置較高的增益，即較高的檢出靈敏度。試驗發現，GE DM5E測厚儀能夠檢測到14mm處φ1mm平底孔。使用HS 611e超聲波探傷儀和5P20ZFG10雙晶探頭，檢測15mm處φ5mm平底孔50%波高及幅值如圖1所示。相同靈敏度下，15mm處φ2mm平底孔波高只有7.5%，如圖2所示。顯然14mm處φ1mm平底孔波高幾乎無法觀察。當φ2mm平底孔波高達到50%時，需要在φ5mm平底孔波高50%的基礎上再增加13.6dB，如圖3所示，14mm處φ1mm平底孔需要增加27dB，如圖4所示。可見，測厚儀設置的檢出靈敏度要比標準規定的鋼板探傷基準靈敏度高的多。

圖2 15mm處φ5mm平底孔靈敏度下的φ2mm平底孔波高

圖3 φ2mm平底孔波高50%幅值

1.2 鋼板內部的缺欠

圖4 深度14mm的φ1mm平底孔波高50%幅值

超聲波測厚要求聲速在鋼板內部恒定，能分辨底波反射信號。由于目前的冶煉、軋制技術無法保證鋼板內部組織完全均勻，或多或少出現缺欠。若鋼板中存在分層，分層處超聲波100%反射，底波消失或底波位置被多次缺欠回波替代，測厚儀和探傷儀檢測結果相同，都會產生厚度測量誤差現象，數值顯示的是檢測面到分層位置的厚度。而偏析、夾雜物或異常粗大組織的聲阻抗與鋼板基體差異較大，會產生不同的反射和透射，同時反射波還有可能發生疊加效應，信號增強，而被探頭接受到（先于底波信號）。若使用帶A掃描波形的測厚儀，能夠清楚地辨別缺欠波和底波，通過閘門位移，有目的地選擇反射波，顯示缺欠或底波的深度位置。而數字直讀型測厚儀，只有數字顯示，只要捕捉到一個返回來的足夠強的信號，儀器即進行計算，不會確認返回信號是否為真實的底波信號。

不同型號的測厚儀設置的靈敏度和閘門高度不同，對鋼板內部缺欠反射信號增益及識別不同。CTS－20測厚儀標稱能夠發現距表面80mm的φ2mm缺欠。GE DM5E測厚儀能夠檢測到14mm處φ1mm平底孔。而這類小缺欠在鋼板探傷基準靈敏度下，缺欠波很小，都不是探傷標準規定的計量缺欠，但由于測厚儀靈敏度高，即使小缺欠反射信號，很容易觸發測厚儀計算電路，產生異常示值。所以標準規定，對測厚儀異常示值部位，應采用A掃描超聲波探傷儀進行測量。

目前比較先進的測厚儀具備AGC（自動增益）、SLOPE（前后波強度斜率調節）等功能，可有效抑制或者屏蔽雜波，有助于辨識真正的底波信號。

2 測厚誤差不等于鋼板超聲波檢測不合格

測厚儀使用的探頭小（φ5～10mm）、頻率高、設置的檢出靈敏度高，即使小的缺欠就可能觸發測厚儀計算電路，造成測厚不準。而超聲波探傷儀使用的探頭直徑大（φ14～20mm）、有效波束寬，聲波遇到缺欠時，有反射波、透射波與衍射波，還有缺欠周圍完好部位的直通波，如圖5所示。在鋼板探傷基準靈敏度下，有些小缺欠無法顯示，只有較大的缺欠才會產生較高的反射，對底波產生較大的影響。

圖5 大晶片探頭檢測示意

我國的鋼板探傷標準均是以φ5mm平底孔作為基準靈敏度，只有在檢測過程中發現下列三種情況之一即作為缺陷：①F1≥50%；②B1＜100%，而F1／B1≥50%；③B1＜50%。對缺陷需要測定其指示尺寸，根據標準進行級別的判定。其它缺欠顯示如圖6所示，都可以不需考慮和計量（除非認定為危害性缺陷），見表1。JB／T4730.3－2005和 GB／T 2970－2004規定了各級別鋼板允許存在的缺陷指示長度、指示面積和缺陷面積百分比，還規定了單個缺陷指示面積不計的情況。由于標準中允許鋼板存在上述缺欠，使用測厚儀檢測，難免產生測量不準現象。

圖6 不需計量的內部缺欠（不連續性）

表1 JB／T 4730.3－2005鋼板質量分級

在測厚有誤差的質量異議中，主要表現為鋼板只顯示一半厚度。試驗發現，鋼板探傷合格而出現測厚誤差，主要是鋼板中心寬而密集的珠光體和貝氏體帶引起的缺欠反射［2］。所以加強鑄坯、軋制、熱處理工藝有效的控制，才能保證鋼板內部組織均勻、性能穩定，避免質量異議的發生。

3 結論

超聲波測厚儀與超聲波探傷儀在匹配使用的探頭及設置的靈敏度方面都有不同。超聲波測厚儀出現異常讀數時，要使用超聲波探傷儀對疑似位置進行確認。鋼板中心位置最容易出現偏析、夾雜、分層和異常粗大組織，這些缺欠的存在是超聲波測厚存在誤差的主要原因。改善鑄坯和鋼板內部質量，是減少測厚誤差的根本辦法。

［1］ 沈功田.超聲探傷靈敏度與靈敏度上限［J］.無損檢測，2002，10（10）：420.

［2］ 王樹國.中厚板探傷密集形缺欠的成因分析及解決辦法［J］.中國冶金，2010，1（1）：13－20.