超超臨界機(jī)組不銹鋼彎管縱向裂紋的超聲檢測(cè)研究

程鴻 孟永樂 殷尊

摘 要：本文采用自制的表面波探頭和大角度縱波探頭對(duì)高溫再熱器不銹鋼彎管的縱向裂紋進(jìn)行超聲檢測(cè)研究。根據(jù)高溫再熱器不銹鋼彎管的規(guī)格和材質(zhì)，研究了探頭設(shè)計(jì)原理、不銹鋼彎管的檢測(cè)原理、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝、缺陷波特征。結(jié)果表明：表面波探頭和大角度縱波探頭的結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁裂紋的檢出。

關(guān)鍵詞：不銹鋼彎管;縱向裂紋;表面波;大角度縱波

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0087-02

超超臨界機(jī)組由于參數(shù)的提高，使鍋爐的高溫受熱面需要有更好的抗蒸汽氧化、高溫強(qiáng)度、高溫塑性和可加工性等。本文采用表面波探頭和大角度縱波探頭對(duì)高溫再熱器不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋進(jìn)行超聲檢測(cè)研究，及時(shí)檢測(cè)出超超臨界機(jī)組不銹鋼彎管縱向裂紋的位置和大小，消除縱向裂紋引起的重大安全隱患，避免機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。

1 檢測(cè)原理

1.1 表面波檢測(cè)不銹鋼彎管外壁縱向裂紋原理

表面波是固體表面上存在的一種具有縱波和橫波雙重性質(zhì)的彈性波。表面波在傳播過程中碰到棱邊時(shí)，若棱邊曲率半徑大于5倍波長，表面波可不受到阻礙地完全通過，當(dāng)R逐漸變小時(shí)，部分表面波能量被棱邊反射，當(dāng)R≤λ（表面波波長）時(shí)反射能量最大。

不銹鋼彎管的半徑R為30mm，遠(yuǎn)大于5倍的表面波波長，因此表面波可以在不銹鋼彎管表面和近表面?zhèn)鞑ィㄈ鐖D1所示），當(dāng)不銹鋼彎管外壁存在裂紋時(shí)，會(huì)形成裂紋反射波。表面波對(duì)不銹鋼彎管外壁裂紋具有很高的檢測(cè)靈敏度，并且可以精確定位。

1.2 大角度縱波檢測(cè)不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋原理

如圖2所示大角度縱波探頭與常規(guī)斜探頭不同，當(dāng)晶片在有機(jī)玻璃透聲鍥中激發(fā)的縱波入射角為25～27.6°時(shí)，可同時(shí)產(chǎn)生三種聲束：（1）大角度縱波，包括一次縱波和變型縱波，其折射角均在70～90°;（2）爬波，包括外壁爬波和內(nèi)壁爬波，其折射角近似90°;（3）橫波，包括一次橫波和變型橫波，其折射角為30～33°。

2 探頭設(shè)計(jì)

2.1 探頭參數(shù)的設(shè)計(jì)

高溫再熱器不銹鋼彎管的平均壁厚為4.0mm，外徑為60mm，彎曲角度分別為60°、90°、120°;且現(xiàn)場(chǎng)彎管間距較小，給予的檢測(cè)空間受限制。

首先，表面波探頭和大角度縱波探頭的外殼和電氣接插件要小巧，設(shè)計(jì)的探頭在高溫再熱器管屏中的有限空間內(nèi)能自由移動(dòng)掃查。表面波探頭和大角度縱波探頭的透聲楔選用有機(jī)玻璃制作，有機(jī)玻璃材料常見，易加工、探測(cè)面進(jìn)行曲面修磨容易，在5MHz以下，通過它進(jìn)入不銹鋼彎管的聲能衰減不太嚴(yán)重，且有機(jī)玻璃與不銹鋼彎管耦合特性好，能方便、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)聲耦合。

2.2 探頭透聲楔曲面修磨

不銹鋼彎管曲率是影響耦合質(zhì)量的重要因素。不銹鋼彎管外壁是凸曲率面，探頭是從外壁檢測(cè)的，平面透聲楔與不銹鋼彎管只是線接觸，進(jìn)入不銹鋼彎管中的聲能量低，對(duì)檢測(cè)靈敏度有嚴(yán)重的影響。為了增加聲束進(jìn)入不銹鋼彎管的面積，本文必須將探頭透聲楔修磨成與不銹鋼彎管吻合的曲面，修磨工具為金相砂紙和Φ60mm小徑管。

3 人工缺陷設(shè)計(jì)

試塊材料選用外徑為Φ60mm的不銹鋼管，內(nèi)外壁人工槽寬度均為0.2mm，人工槽深度均為0.2mm，人工槽采用Φ0.18mm鉬絲進(jìn)行線切割制作。

4 超聲檢測(cè)

4.1 表面波檢測(cè)

4.1.1 表面波探頭掃描速度調(diào)整

為了能夠使表面波在不銹鋼彎管上傳播半周、缺陷定位準(zhǔn)確并能夠更好地區(qū)別缺陷波和偽缺陷波，聲程范圍取2：1較好。調(diào)整方法：將表面波探頭放置在試塊上，人工槽與表面波探頭的距離為彎管的半周長（95mm），找到人工槽的反射波，反復(fù)調(diào)整“調(diào)校”和“零偏”使人工槽反射波的聲程顯示為95mm，然后反復(fù)調(diào)整“范圍”，使人工槽反射波的前沿分別對(duì)準(zhǔn)熒光屏水平刻度“5”。

4.1.2 表面波檢測(cè)靈敏度的調(diào)整

將表面波探頭置于與人工槽距離為95mm的位置，調(diào)整“增益”使人工槽的反射波波幅為滿屏的80%。此時(shí)的增益值為表面波的檢測(cè)靈敏度（一般為60dB左右）。初檢時(shí)再增益10dB，作為掃查靈敏度。

4.1.3 表面波探頭的掃查方式

為發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管外壁的縱向裂紋，表面波傳播的方向要垂直于不銹鋼彎管軸線。將表面波探頭置于不銹鋼彎管兩側(cè)面各進(jìn)行一次探測(cè)，在探測(cè)過程中表面波探頭不做前后移動(dòng)，只需做左右移動(dòng)，并略轉(zhuǎn)動(dòng)角度3～5°為輔。在檢測(cè)時(shí)應(yīng)先以掃查靈敏度將整個(gè)不銹鋼彎管初檢一遍，發(fā)現(xiàn)裂紋后，在不銹鋼彎管表面上作出標(biāo)記。然后用檢測(cè)靈敏度進(jìn)行一次仔細(xì)檢查，以便確定裂紋的大小、位置和性質(zhì)。

4.1.4 縱向裂紋位置確定

在表面波探頭主要發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管外壁的縱向裂紋時(shí)，根據(jù)熒光屏上裂紋反射波的聲程值，只需用皮尺量測(cè)出表面波探頭前端至裂紋的距離，即可精確地定出裂紋的位置。

4.2 大角度縱波檢測(cè)

4.2.1 大角度縱波探頭掃描速度調(diào)整

大角度縱波探頭可同時(shí)發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁的縱向裂紋，為能確定缺陷的區(qū)域，要求聲程范圍取2：1較好。調(diào)整方法：將大角度縱波探頭放置在內(nèi)外表面人工槽試塊上，用外表面人工槽的反射回波調(diào)整，反復(fù)調(diào)整“調(diào)校”和“零偏”，使該波前沿對(duì)準(zhǔn)水平刻度“2”。在不改變?nèi)魏螀?shù)情況下，內(nèi)壁人工槽的反射波前沿則自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)水平刻度“5”。在找到內(nèi)外表面的最大反射波時(shí)，人工槽距離探頭前端的水平距離為2～7mm。

4.2.2 大角度縱波檢測(cè)靈敏度的調(diào)整

利用內(nèi)外壁人工槽進(jìn)行調(diào)整。把大角度縱波探頭分別對(duì)準(zhǔn)內(nèi)外壁人工槽，使內(nèi)外壁人工槽反射波同時(shí)顯示在熒光屏上。由于外壁人工槽反射波波幅略高于內(nèi)壁人工槽，因此把內(nèi)壁人工槽反射波波幅調(diào)整為滿屏幕的80%，此時(shí)的增益值為檢測(cè)靈敏度（一般為55dB左右）。初檢時(shí)再增益10dB，作為掃查靈敏度。

4.2.3 大角度縱波探頭的掃查方式

為發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管的縱向裂紋，探頭激發(fā)的檢測(cè)聲束要垂直于彎管軸線。將大角度縱波探頭置于不銹鋼彎管表面，前后左右移動(dòng)探頭，并略轉(zhuǎn)動(dòng)角度3～5°為輔。一次掃查結(jié)束后，確保檢測(cè)聲束覆蓋全部不銹鋼彎管，避免有漏檢區(qū)域存在。發(fā)現(xiàn)缺陷后，在不銹鋼彎管表面上作出標(biāo)記。然后用檢測(cè)靈敏度進(jìn)行一次仔細(xì)檢查，以便確定缺陷的區(qū)域。

4.2.4 縱向裂紋區(qū)域確定

大角度縱波探頭可發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁的縱向裂紋，由于不銹鋼彎管壁厚較薄，在發(fā)現(xiàn)縱向裂紋時(shí)，距離探頭前端的水平距離2～7mm范圍即為縱向裂紋區(qū)域。但是無法精確定出裂紋的位置和深度。

5 缺陷波特征分析

HCbN，平均壁厚為4.0mm，外徑為60mm。經(jīng)超聲檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋反射波和偽缺陷波的特征如下：

表面波探頭檢測(cè)縱向裂紋時(shí)（裂紋形貌見如圖3所示），裂紋反射波的靜態(tài)波形為單束、尖銳、波寬較窄的波峰，其波幅均高于外壁人工槽，靜態(tài)波形如圖4所示。縱向裂紋的動(dòng)態(tài)波形為波幅隨著距離的增大而增大，用手觸摸裂紋時(shí)，裂紋反射波始終存在。

6 結(jié)語

表面波探頭和大角度縱波探頭的結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋的檢出。表面波探頭對(duì)外壁縱向裂紋可以精確定位，大角度縱波探頭可以檢出內(nèi)外壁裂紋，雖不能精確定位，但可確定裂紋的分布范圍。

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