火電廠環向對接接頭超聲檢測曲面耦合補償修正系數

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(1.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，長沙 410004；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

在火電廠承壓部件環向對接接頭的超聲檢測過程中，根據NB/T47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準附錄K中K.4規定，對半徑為80～250 mm承壓部件的環向對接接頭進行超聲檢測時，應在RB-C試塊或CSK-ⅡA試塊上制作距離-波幅(DAC)曲線，再利用RB-C試塊進行靈敏度修正?；痣姀S承壓部件，即外徑范圍為160～500 mm的環向對接接頭，其母材壁厚范圍通常為16～120 mm[1]，根據標準NB/T 47013.3—2015附錄K中K2.5和K2.6的規定，工件檢測面的曲率應在對比試塊曲率半徑的0.9～1.5倍范圍內，試塊厚度與工件厚度相差不超過工件厚度的20%。因此需在不少于10種規格的RB-C試塊上制作或修正DAC曲線。筆者研究了不同規格的RB-C試塊所對應的DAC曲線修正系數，為環向對接接頭超聲檢測的曲面耦合補償修正系數提供指導。

1 曲面工件超聲檢測靈敏度分析

斜探頭在曲面工件外壁掃查時，探頭楔塊平面與凸曲面以線型接觸，其他區域被耦合劑填充，耦合劑的厚度在曲面工件徑向隨探頭中心的距離增大而變厚，且探頭邊緣處的厚度最大。由于曲面接觸的耦合層厚度比平面接觸的大，聲波往復透射率減小[2]；另外，聲束經過工件內壁反射后，聲束擴散角在徑向上變大，聲能進一步分散，從而大大降低了二次波的超聲檢測靈敏度[3]。

對于相同儀器和同一型號的探頭，由于等效電容沒有變化，晶片振動面上的平均聲壓一致，即穿透寬度為a的耦合層，聲波進入金屬表面的初始聲壓應相等[4]。在相同的檢測條件下，聲束入射到CSK-ⅡA試塊或RB-C試塊相同深度的橫孔時，橫孔到檢測面的距離、橫孔直徑以及工件材料衰減系數相同。因此，探頭的有效接觸面積是影響探頭晶片接收到同深度橫孔反射波的dB差的主要因素。

對平面工件進行超聲檢測時，電脈沖激勵晶片產生超聲縱波進入一定角度的楔塊，當楔塊角度介于第一臨界角和第二臨界角之間時，超聲波在工件的接觸面上發生波型轉換，縱波轉換成橫波入射到工件內部[5]，此時探頭晶片的有效尺寸發生改變。超聲波波束的傳播路徑示意如圖1所示，根據圖1中的幾何關系可以導出探頭晶片的有效面積FS如式(1)所示。

(1)

式中：AS為晶片實際尺寸(矩形晶片實際面積AS=b×c，b為探頭長邊的長度，c為探頭短邊的長度)；γ為聲束入射角度；β為聲束折射角度。

對金屬材料的超聲檢測，根據Snell折射定律可知，聲束折射角β大于入射角γ。因此，探頭晶片的有效尺寸FS小于實際尺寸AS，且探頭K值越大，晶片的有效尺寸越小。

圖1 超聲波波束的傳播路徑示意

文獻[6]指出，臨界半徑是指相對于某一固定的晶片直徑，當工件曲率足夠小而半徑足夠大時，晶片在柱面上的接觸面積與平面接觸面積無差別，或者二者的差別在誤差2.5 dB以內。此時的接觸面積稱為“探頭晶片在工件上的有效接觸面積”，在有效接觸面積邊緣處存在最大的油層(耦合劑層)厚度lmax。

(2)

式中：Z1，Z2，Z3分別為探頭楔塊、耦合劑、工件材料的聲阻抗；k2=2πfcosθ2/V2為穿透聲壓在油層中的波矢量。

從式(2)可以看出，最大的油層厚度與探頭晶片尺寸、工件曲率半徑無關，而與多層界面的聲阻抗和超聲波傳播的頻率、方向有關。對于相同儀器、探頭和耦合劑，有效接觸面積邊緣處油層的最大厚度是一個固定值。

探頭晶片在工件上的有效接觸面積的最大油層厚度lmax在工件半徑R?a的條件下，探頭平面與凸曲面接觸示意如圖2所示，根據圖2的幾何關系，可以導出斜探頭的矩形晶片在工件上的有效接觸面積S。

(3)

式中：b′為探頭矩形晶片在工件軸線上的有效長度。R為工件半徑。

圖2 探頭平面與凸曲面接觸示意

結合式(1)，(2)可得出，探頭平面與曲面工件接觸時，存在最大油層厚度，最大的油層厚度與多層界面的聲阻抗、頻率和K值有關。工件曲率半徑和最大油層厚度共同影響有效接觸面積，且探頭晶片尺寸與工件表面接觸有效面積的比值越大，缺陷反射聲壓的dB差越大。因此，進行CSK-ⅡA試塊與RB-C試塊的靈敏度修正試驗時，應綜合考慮探頭的頻率、晶片尺寸、楔塊材料、耦合劑的聲阻抗等，以及被檢工件的曲率半徑和材料聲學性能等因素，從而選用不同型號的探頭和不同規格的試塊進行試驗。

2 修正試驗過程

2.1 試驗器材

試驗選用漢威HS610e型數字式超聲波探傷儀。為了研究探頭尺寸、K值、曲率半徑等因素對修正系數的影響，選用6種不同型號的探頭進行試驗，即2.5P13×13K1/K2/K2.5和2.5P8×12K1/K2/K2.5。同時為了探討探頭的新舊程度和不同的生產廠家對試驗結果的影響，分別選用同一型號3個型號相同而生產廠家和新舊程度不同的探頭，采用機油作為耦合劑。

2.2 試塊規格

標準試塊選用CSK-IA試塊，對比試塊選用CSK-ⅡA-1試塊、CSK-ⅡA-2試塊和RB-C試塊。選用以下10種火電廠承壓設備超聲檢測常用的RB-C試塊，RB-C試塊適用范圍如表1所示。

表1 RB-C試塊適用范圍 mm

2.3 試驗步驟

(1) 對于工件厚度不大于40 mm的6個RB-C試塊，先分別選用型號為2.5P13×13K2/K2.5和2.5P8×12K2/K2.5的斜探頭在CSK-ⅡA-1試塊上制作DAC曲線，然后在對應規格的RB-C試塊上分別比較橫孔深度為T/4，T/2和3T/4時回波與制作的DAC曲線之間的dB差。

(2) 對于工件厚度大于40 mm采用4個RB-C試塊，先分別選用型號為2.5P13×13K1/K2和2.5P8×12K1/K2的斜探頭在CSK-ⅡA-2試塊上制作DAC曲線，然后在對應規格的RB-C試塊上分別比較橫孔深度為T/4，T/2和3T/4時回波與DAC曲線之間的dB差。

3 試驗結果與分析

為了減少人為操作等客觀因素引起的誤差，試驗由3個熟悉儀器且取得承壓設備超聲檢測II級資質的人員操作，每種型號的探頭均測量3次。經過分析試驗數據，發現3人測量數據的誤差小于1 dB，由此可見，探頭的新舊程度和不同的生產廠家對試驗結果影響較小，試驗結論具有普遍性和可靠性。最后整理試驗數據，并將3人測量的數據求平均值，得出表2，3中的dB差。

表2 工件厚度不大于40 mm的RB-C試塊與CSK-ⅡA-1試塊的dB差

從表2，3中的試驗數據可以看出，修正系數與試塊曲率半徑、探頭K值、晶片尺寸、以及檢測深度均存在一定的關系。當探頭晶片尺寸和工件曲率半徑一定時，修正系數隨K值的增大而增大。探頭K值對dB差的影響在0～1 dB之間，探測深度對dB差的影響在0～0.5 dB之間，探頭的K值和檢測深度對修正系數影響較小。

表3 工件厚度大于40 mm的RB-C試塊與CSK-ⅡA-2試塊的dB差

曲率半徑和晶片尺寸是影響修正系數的主要因素，曲率半徑越小，修正系數越大，晶片尺寸越大，修正系數也越大。因此，檢測曲率半徑較小的工件，應選擇晶片尺寸更小的探頭，保證探頭與曲面工件之間耦合較好。

依據表2，3中的試驗結果，根據不同深度橫孔的dB差，通過求平均數的近似值得出表4，5中的修正系數。

表4 工件厚度不大于40 mm的曲面修正系數

從表4，5可以看出，工件直徑為164 ～264 mm的環向對接接頭在進行超聲檢測時，曲面修正值最大，約為5 dB；當工件直徑大于400 mm時，曲面修正值最小，不大于1 dB。因此，對直徑大于400 mm的環形對接接頭，宜選用晶片尺寸不大于12 mm×8 mm(長×寬)的探頭進行超聲檢測，可以忽略曲率半徑對檢測靈敏度的影響。

表5 工件厚度大于40 mm的曲面修正系數

4 結論

環向對接接頭超聲檢測靈敏度的損失，是由探頭的頻率、晶片尺寸、楔塊材料、耦合劑的聲阻抗和被檢工件的曲率半徑等綜合因素共同決定的，其中曲率半徑和探頭的晶片尺寸是最主要的因素。曲率減小了探頭與工件接觸的有效面積，從而減小了缺陷回波聲壓透射率，使曲面工件探傷靈敏度損失。當晶片尺寸小于12 mm×8 mm(長×寬)的探頭與直徑不小于400 mm的工件接觸時，其耦合狀況近似于平面。

實際環向對接接頭在進行超聲檢測時，將探頭接觸面磨平后，利用CSK-ⅡA試塊調校好靈敏度，再加上表4或表5中相應的曲面補償修正系數，即為該環向對接接頭超聲檢測的靈敏度。