中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測方法研究

武金明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429）

氫致延遲裂紋是冷裂紋的一種，其主要是因為焊縫 金屬中氫含量、塑性儲備及應(yīng)力狀態(tài)等綜合因素作用下 而產(chǎn)生的一種焊接裂紋。具有孕育期的冷裂紋稱為延遲 裂紋。這類裂紋具有潛伏期、緩慢擴展期和突然斷裂期 三個階段。一般認為，潛伏期和緩慢擴展期與氫的聚集 與擴散有關(guān)，所以又稱氫致延遲裂紋。這類裂紋可能在 焊后數(shù)小時、數(shù)天或更長時間內(nèi)出現(xiàn)。中厚鋼板容器容 易出現(xiàn)這種裂紋[1]。

傳統(tǒng)的中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測，是依靠經(jīng)過訓(xùn)練的、專業(yè)的檢驗人員，以肉眼觀察結(jié)合敲擊辨聲的方法開展[2]。中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測主要問題有以下幾個方面，首先傳統(tǒng)檢測僅依靠人的視覺和聽覺來觀察數(shù)量龐大的中厚鋼板，所以在裂紋檢查時工作量 大，需要相當數(shù)量的人力、物力。第二，即使是不考慮人力、物力條件，檢測速度仍難以接受，所以檢測需要大量的時間，消耗的時間多，效率低下。第三，受檢查者個人的認知和主觀因素影響，檢測出的數(shù)據(jù)結(jié)果會有很大偏差，而且不同的檢測人員基于不同的標準可能會導(dǎo)致不同的檢測結(jié)果產(chǎn)生，檢測準確率的不可控因素 多，可靠性較差。第四，存在待檢鋼板離地較高，鋼板厚重，會威脅到檢驗員人身安全，危險系數(shù)高。最后， 價格方面，使用大量的人力、物力的結(jié)果必定會增加檢測成本。所以，中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測方法的研究，將為人們的健康安全提供一定的技術(shù)保障，對于其安全穩(wěn)定運行也具有重要的現(xiàn)實意義。

1 快速檢測方法設(shè)計

針對上述問題對中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測進 行研究，發(fā)現(xiàn)厚重鋼板的氫致延遲裂紋自動檢測系統(tǒng)的 工作環(huán)境較復(fù)雜，外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾較大因此設(shè)計 出了以超聲波、雷達、激光及沖擊回波相結(jié)合的方案。 利用超聲波的檢測屬于接觸式的無損檢測方法，是一種新型無損檢測方法，其原理是通過產(chǎn)生超聲波發(fā)射 到鋼板介質(zhì)上，通過接收和測量反射波的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷中厚鋼板內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致。這種檢測方法 的精度與選用的超聲波工作頻率相關(guān)，精度隨工作頻率 的升高而升高。

雷達波是最近幾年發(fā)展起來的一種高效淺層物理 探測技術(shù)，其原理是高頻電磁波的傳播速度變化特性。雷達波由標準信號源振動產(chǎn)生，向鋼板垂直表面方向發(fā) 射電磁波。雷達波的傳播滿足波動理論，其速度與傳播路徑的材質(zhì)有關(guān)，不同的材質(zhì)介電常數(shù)不同，雷達波傳 播速度會產(chǎn)生差異。如果厚重鋼板表面或內(nèi)部有氫致延 遲裂紋時，裂紋會改變該區(qū)域的介電常數(shù)，雷達波正常 的傳播路徑改變，會有反射波和散射波產(chǎn)生，采樣反射 波信號的波形、傳播速度等參數(shù)，通過分析檢測厚重鋼板的材質(zhì)均勻性，發(fā)現(xiàn)裂紋。圖 1 是雷達波在中厚鋼板結(jié)構(gòu)和各層反射的波形原理圖。

圖1 雷達波在中厚鋼板結(jié)構(gòu)和各層反射的波形原理圖

激光作為一種特殊的光，具有色度單一、方向性好、相干性好和衍射性好的特點，是理想的光學檢測手段。 掃描器勻速、平穩(wěn)的掃過鋼板表面，鋼板表面的反射光體現(xiàn)了其平滑程度，使用光接收器以特定角度接收反射光，如果鋼板表面存在裂紋，接收到的反射光光線強度出現(xiàn)差異，通過定位這些光線強度差異的位置，即可發(fā)現(xiàn)鋼板表面的裂紋[3]。因此激光掃面是檢測鋼板表面氫致延遲裂紋最直觀的方法。

沖擊回波是一種無損檢測方法。基于機械應(yīng)力波在固體介質(zhì)中傳播原理的[4]，當應(yīng)力波遇到氫致延遲裂紋，由于波阻抗發(fā)生改變會產(chǎn)生反射。氫致延遲裂紋的多重反射會產(chǎn)生波動，通過探測這些波動的位置就可確定出現(xiàn)氫致延遲裂紋的位置。

2 快速檢測方法迭代優(yōu)化

為了實現(xiàn)安全、快速、低缺陷的氫致延遲裂紋檢測， 針對上文檢測方法進行優(yōu)化設(shè)計。

超聲波檢測法的超聲波傳播距離短，范圍較小，不能檢測鋼板表面氫致延遲裂紋缺陷，并且需要有參考評 定標準，結(jié)果檢測不清晰，所以對操作人員的技術(shù)水平 要求很高，因此限制了對中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測應(yīng)用。針對該問題，建立了樣本數(shù)據(jù)庫，以直觀的方式自動對比合格判據(jù)給出結(jié)果，簡化操作流程與檢測技術(shù)要求。

雷達波檢測法只能目視判讀，還是在定性層面上停留。其缺點是檢測效率低，速度緩慢，并且外界干擾因素較多。為彌補這一缺點，需要將雷達波檢測的結(jié)果量化、標準化，脫離經(jīng)驗的束縛。沖擊回波檢測法同樣存在分辨率偏低，檢測過程慢的缺點，并且對操作人員的經(jīng)驗要求高，操作人員必須通過長期的積累才能勝任。解決這一矛盾的方法是借助信息技術(shù)，建立不同厚度鋼板的回聲樣本庫，自動判別， 為檢測提供高效的自動化手段。激光檢測法的設(shè)備體積一般偏大，需要定期維護保 養(yǎng)，專用光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，外界因素干擾會影響光路的準直性，并且系統(tǒng)組成復(fù)雜，較為脆弱。針對該問 題，采用光路防護方法保護激光源，充分利用激光檢測 的精確性和快速性特點，將激光檢測法應(yīng)用于大型鋼板 的檢測中，“因地制宜，因材施法”。

3 中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測方法試驗

經(jīng)過對新型檢測手段方法的優(yōu)化升級改造，重新完 善了中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測方法后，對比傳 統(tǒng)中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測方法進行了實驗。其實 驗結(jié)果曲線如圖 2 所示。

圖2 傳統(tǒng)檢測方法與快速檢測方法對比實驗結(jié)果曲線

圖 2 中虛線代表快速檢測方法測量中厚鋼板的氫致延遲裂紋數(shù)，實線代表傳統(tǒng)方式檢測的厚重鋼板的氫致 延遲裂紋數(shù)，橫軸為被測量的厚重鋼板個數(shù)，縱軸為以 兩種方法測量出的氫致延遲裂紋數(shù)。從圖 2 中可以看出快速檢測法測量出的裂紋明顯多于傳統(tǒng)模式下氫致延 遲裂紋檢測數(shù)，且在厚重鋼板數(shù)量不斷增加時，傳統(tǒng)檢 測方法受到外界因素限制無法檢測出更多的裂紋。綜上 所述快速檢測法更能在實際操作中發(fā)揮作用，并且克服了傳統(tǒng)檢測方法的缺點，使厚重鋼板的氫致延遲裂紋的 檢測更高效，準確率更高。

4 結(jié)語

本文的中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測方法綜 合利用高新技術(shù)手段，結(jié)合試驗及圖像分析，給出結(jié)果， 對比傳統(tǒng)人工操作，操作便捷性、結(jié)果準確性大幅提升。 隨著新技術(shù)、新手段的開發(fā)，檢測的需求還將不斷提升， 對新方法的研究與探索也不會止步，更低成本、快速、準確、便捷的檢測方法是永恒的追求目標。