鑄鐵烘缸的超聲測(cè)厚工藝優(yōu)化

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(衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心，衢州 324000)

根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，鑄鐵烘缸作為一種造紙用壓力容器，應(yīng)按照要求進(jìn)行定期檢驗(yàn)。由于缸體內(nèi)部承受蒸汽壓力，需要具有足夠的厚度才能保證烘缸的安全運(yùn)行，因此在定期檢驗(yàn)中，缸體厚度的測(cè)量顯得尤為重要。筆者通過對(duì)不同超聲波探頭的對(duì)比試驗(yàn)，得出不同頻率、不同晶片尺寸探頭的優(yōu)缺點(diǎn)，有助于提高鑄鐵烘缸測(cè)厚的精確度。

1 鑄鐵超聲測(cè)厚的難點(diǎn)

當(dāng)前比較常用的測(cè)厚設(shè)備多為超聲測(cè)厚設(shè)備，對(duì)于碳鋼、低合金鋼等材料，超聲測(cè)厚技術(shù)較為成熟，例如用型號(hào)DC1000B的普通超聲測(cè)厚儀測(cè)量Q345R鋼和S30408鋼，精度可以到達(dá)±0.1 mm，檢測(cè)結(jié)果可靠，成本較低，但由于鑄鐵材料的特殊性，鑄鐵的超聲測(cè)厚存在以下難點(diǎn)。

(1) 組織不均勻。由于鑄鐵表面與中心具有不同的組織，表面冷卻速度快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻速度慢，晶粒粗大，聲速小。

(2) 組織不致密。鑄鐵中石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和尺寸對(duì)聲速也有影響，隨著石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和尺寸的增加，聲速減小。

(3) 晶粒粗大。散射衰減與材料晶粒的粗細(xì)密切相關(guān)，當(dāng)材料晶粒粗大時(shí)，散射衰減嚴(yán)重，并且被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑回到探頭，在示波屏上引起草狀回波。

(4) 聲耦合性差。鑄鐵的表面較為粗糙，檢測(cè)靈敏度降低。

由于普通測(cè)厚儀的聲發(fā)射強(qiáng)度低，散射衰減較大，工件底部的反射回波太小，所以無法觸發(fā)測(cè)厚儀顯示厚度或者假厚度，給鑄鐵測(cè)厚帶來很大的不穩(wěn)定性。

2 鑄鐵聲速的校準(zhǔn)

普通碳鋼的縱波聲速為5 920 m·s-1，不銹鋼為5 740 m·s-1，鑄鐵為3 500～5 820 m·s-1[1]，可見由于鑄鐵材料的特殊性，其聲速范圍很大，所以對(duì)于每一只鑄鐵烘缸來說，雖然鑄鐵牌號(hào)一致，但其聲速往往不一樣。為了得到鑄鐵的準(zhǔn)確厚度，在測(cè)厚前必須校準(zhǔn)該鑄鐵烘缸的聲速。可以利用缸體與缸蓋結(jié)合的凸緣部位作為校準(zhǔn)試塊，測(cè)量出該鑄鐵的聲速(見圖1)。

圖1 校準(zhǔn)聲速所用凸緣示意

但凸緣與實(shí)際被測(cè)缸體的厚度、應(yīng)力、溫度、硬度等的差異可能會(huì)導(dǎo)致聲速的變化。為了驗(yàn)證凸緣處的聲速是否與缸體聲速一致，設(shè)計(jì)了HT250鑄鐵階梯試塊(見圖2)。各階梯厚度分別為40，35，30，25 mm，在每個(gè)階梯上做如下比對(duì)。

(1) 金相檢測(cè)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 7216-2009《灰口鑄鐵金相分析》的要求，在拋光狀態(tài)下檢驗(yàn)各階梯鑄鐵的石墨形態(tài)和石墨長度，觀察各個(gè)階梯的受檢面，發(fā)現(xiàn)不同厚度受檢面的石墨分布形態(tài)、石墨長度區(qū)別不大。

圖2 HT250鑄鐵階梯試塊示意

(2) 硬度測(cè)試。測(cè)試儀器為里氏硬度計(jì)，型號(hào)為HL-80。沿階梯分3次測(cè)試不同厚度處的硬度，再取平均值，測(cè)試結(jié)果見表1。可見鑄鐵內(nèi)部硬度稍低于表面硬度，主要原因是鑄鐵材料內(nèi)部組織不均勻，這是由鑄鐵在冷卻凝固時(shí)的特性決定的，但總體來說，各階梯硬度區(qū)別不大，且都在標(biāo)準(zhǔn)QBT 2556-2008《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定》的合格范圍內(nèi)。

表1 各階梯厚度下測(cè)量的硬度

(3) 聲速測(cè)量。采用HS620數(shù)字式超聲波探傷儀，以及頻率為1.5 Hz的縱波直探頭進(jìn)行檢測(cè)。在不同厚度、不同溫度下采用平均值法測(cè)量聲速。測(cè)量階梯上3點(diǎn)的聲速，取其平均值，然后利用求得的聲速隨機(jī)抽取該階梯其他3點(diǎn)的測(cè)量厚度，求得測(cè)量的誤差。誤差在±(0.5%+0.05) mm以內(nèi)即代表測(cè)得的聲速準(zhǔn)確。各階梯在溫度為25 ℃和50 ℃測(cè)量的聲速如表2所示。

表2 各階梯在溫度為25 ℃和50 ℃時(shí)測(cè)量的聲速

從表2可以看出，各個(gè)厚度的階梯處聲速基本一致，最高聲速(4 031 m·s-1)與最低聲速(4 014 m·s-1)僅相差0.42%。

(4) 不同應(yīng)力下的區(qū)別。在已知缸體厚度的情況下，分別在烘缸停機(jī)時(shí)(壓力為0 MPa)和烘缸正常運(yùn)行時(shí)(壓力約為0.5 MPa)分別測(cè)量聲速。結(jié)果表明，內(nèi)部是否存在壓力對(duì)聲速的影響很微小。固體介質(zhì)的應(yīng)力狀況對(duì)聲速有一定的影響，一般隨著應(yīng)力的增加，聲速增加緩慢。對(duì)于26 ℃下的純鐵，應(yīng)力為1 000 Pa時(shí)，縱波聲速為3 219 m·s-1；應(yīng)力為9 000 Pa時(shí)，縱波聲速為3 252 m·s-1。

綜上所述，利用缸體與缸蓋結(jié)合部位的凸緣作為校準(zhǔn)試塊，在不同溫度、應(yīng)力、厚度下得到的凸緣聲速與缸體聲速也幾乎沒有區(qū)別，所以凸緣的聲速可以用來作為測(cè)量缸體的聲速。

3 超聲波探頭的選取

選用帶A掃信號(hào)的超聲波檢測(cè)儀顯示時(shí)間-幅度信號(hào)，輸入凸緣處測(cè)得的鑄鐵聲速，將超聲波檢測(cè)儀置于被測(cè)處，讀出初始脈沖和第一次底波之間的距離即是鑄鐵的厚度，0.5Z20N型和2.5Z20N型兩種探頭的回波如圖3，4所示。

圖3 0.5Z20N型探頭的回波

圖4 2.5Z20N型探頭的回波

首先選用發(fā)射強(qiáng)度大、靈敏度余量高的超聲波檢測(cè)儀器作為主機(jī)，利用階梯試塊校準(zhǔn)零位。特制了型號(hào)分別為0.5Z20N,1Z20N,1.0Z13N,1.5Z13N,2.0Z13N,0.5Z28,2.5Z20的7種縱波探頭，對(duì)這些探頭進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。由于一般鑄鐵烘缸的厚度都在40 mm以下，所以將以上6種探頭置于試塊的最大厚度(40 mm)階梯上，考慮到不同探頭的始脈沖不同，所以轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕將所有探頭的第一個(gè)底面最高回波增益都調(diào)節(jié)為80%左右，主要觀測(cè)二次底波的幅度和波形。不同探頭的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同探頭的試驗(yàn)結(jié)果

3.1 頻率對(duì)波形的影響

超聲波在鑄鐵材料中的衰減很大，通常所說的衰減是指吸收衰減頻率，根據(jù)衰減方程

PX=P0exp(-ax)

(1)

式中：PX為至波源距離為X處的聲壓；P0為波源的起始聲壓;a為介質(zhì)衰減系數(shù)。

由式(1)得知，吸收衰減與超聲波頻率成正比，頻率越高衰減越大。故通過表3可知，在相同晶片尺寸、相同第一次底波的情況下，頻率越低，得到的二次底波越大；頻率越高，脈沖寬度越小，回波波形越窄，分辨力也就越高；頻率越高，波長越短，半擴(kuò)散角就越小，能量越集中，聲速指向性越好。

3.2 晶片尺寸對(duì)波形的影響

晶片尺寸越大，輻射的超聲波能量也越大；晶片尺寸越大，半擴(kuò)散角就越小，能量越集中，聲速指向性越好，對(duì)深度范圍內(nèi)的缺陷定位更為準(zhǔn)確。

需要注意的是晶片尺寸越大，近場(chǎng)區(qū)的長度也就越大，例如探頭205Z20，其近場(chǎng)區(qū)長度超過了被測(cè)物體的厚度，對(duì)檢測(cè)不利。

4 與傳統(tǒng)鑄鐵測(cè)厚方式的對(duì)比

選取了當(dāng)?shù)啬吃旒埰髽I(yè)的10只HT250鑄鐵烘缸進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。一組數(shù)據(jù)為采用文中推薦的工藝進(jìn)行測(cè)厚的結(jié)果，設(shè)備為HS620數(shù)字式超聲波探傷儀，配備頻率為2.0 Hz，探頭直徑為20 mm的直接接觸式單晶縱波直探頭；另一組數(shù)據(jù)為采用傳統(tǒng)測(cè)厚儀測(cè)厚的結(jié)果。兩種測(cè)厚方式的具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 兩種測(cè)厚方式的測(cè)厚數(shù)據(jù)對(duì)比

從表4可以看出，文中提出的測(cè)厚工藝的準(zhǔn)確度較傳統(tǒng)測(cè)厚儀測(cè)厚的準(zhǔn)確度有了較大提高。其中文中提出的測(cè)厚工藝的最低準(zhǔn)確度為98.7%，能夠滿足實(shí)際檢測(cè)需求。

5 結(jié)論

(1) 通過階梯試塊對(duì)比試驗(yàn)，得知即使在不同溫度和壓力下，凸緣的聲速與被測(cè)缸體的聲速相差很小，所以凸緣可以作為校準(zhǔn)缸體聲速的試塊。

(2) 鑄鐵中聲波衰減較大。低頻率探頭雖然在散射衰減方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但在厚度為40 mm時(shí)，超聲波探傷儀采用0.5 MHz～2.5 MHz頻率的探頭均能夠捕捉到明顯的回波信號(hào)，并且厚度的測(cè)量僅需找到厚度最大處的底波，底波幅度的大小并不重要，所以衰減并不是決定測(cè)厚精度的首要因素；同時(shí)隨著頻率的降低，超聲波脈沖寬度變大，如0.5 MHz探頭發(fā)出的脈沖寬度大、波形寬，導(dǎo)致分辨力降低，無法準(zhǔn)確判斷哪點(diǎn)是最大厚度處的回波；反之，較高頻率、較大晶片尺寸的探頭可以得到較高分辨力、較為細(xì)窄的底面回波，這對(duì)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)鑄鐵的最大厚度有很大幫助。但需要注意的是不能采用過高頻率的探頭，因?yàn)樵斐傻乃p較大，同時(shí)考慮到近場(chǎng)區(qū)的原因，頻率越高，晶片尺寸越大，近場(chǎng)區(qū)長度越大，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響越大。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.