基于“失波法”超聲快速檢測鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷的試驗研究

   主要闡述了“失波法”的原理、超聲波探頭和試塊的設計和制作方法，采用“失波法”超聲快速檢測技術(shù)對鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷進行了精確計算和試驗，研究出檢測速度可達到2000mm/min、靈敏度達到0.5mm的一種新檢測方法。鍋爐受壓元件用不銹鋼管主要有水冷壁、省煤器、過熱器、再熱器和鍋爐范圍內(nèi)管道。通常在高溫、高壓、復雜應力等惡劣的條件下工作，重視鍋爐用鋼管在下料前的檢驗，其目的是控制管子制造質(zhì)量、延長管子的使用壽命，提高鍋爐在運行中的安全可靠性。鍋爐用鋼管數(shù)量龐大，規(guī)格：32～89，壁厚：3.5～15mm用量占總量90%以上，鍋爐用不銹鋼管的入廠驗收，主要檢測管子的軋制缺陷，如表面劃道、裂紋、折疊、翹皮、橫裂及分層等，其危害性大的主要有裂紋、分層、折迭，影響管子的工藝性能和安全使用性能。目前主要是采用超聲波檢測，但鍋爐用不銹鋼管的壁厚與直徑比一般都小于20%，采用直探頭或斜探頭直接接觸法探傷，發(fā)現(xiàn)缺陷的難度較大。采用單晶直探頭水浸法或雙晶直探頭水浸法，其檢測工藝復雜，首先是聲波至鋼管表面的入射點難以控制;二是在役鍋爐管子無法實現(xiàn)水浸探傷;三是探測靈敏度低，檢測速度慢，且對與管壁表面夾角較小的分層、折迭等缺陷容易產(chǎn)生漏檢?，F(xiàn)通過理論分析和試驗研究，采用一種組合直接接觸式雙晶探頭直通波來檢測鍋爐管子軋制缺陷，可以克服傳統(tǒng)檢測方法的缺點。當鋼管存在軋制缺陷時，固有回波明顯減弱或消失，故稱之為“失波法”。

一、原理

  要實現(xiàn)“失波法”直接接觸式雙晶探頭直通波來檢測鍋爐用不銹鋼管軋制缺陷，需要考慮三方面問題: 

 1. 是探頭與管子表面耦合是否良好;

 2. 是能否有效檢測管子軋制缺陷;

 3. 是能否判定管子軋制缺陷當量大小。

  根據(jù)管子軋制缺陷的特點，采用一收一發(fā)雙晶片探頭直通波的檢測原理如圖所示，在超聲波檢測中，將探頭直接接觸在管子上，分析固有信號和缺陷信號的關(guān)系，了解不同類型缺陷信號反射強弱及缺陷尺寸當量大小的關(guān)系。當管子不存在缺陷時，儀器熒光屏將顯示雙晶探頭聲程回波，這種回波為固有直通回波，波的位置及波高沒有變化如圖。當管子存在缺陷時，這種固有回波將會發(fā)生變化，回波可能降低或消失。當不銹鋼管有較大的徑向裂紋時，固有回波將會消失。由此，采用固有直通回波信號的變化來分析和確定管子是否存在軋制缺陷、缺陷性質(zhì)和當量大小。

二、探頭與管子耦合

  檢測時，將探頭放在耐磨的探頭套內(nèi)，探頭套采用鋼套或耐磨樹脂套，實現(xiàn)探頭與管子穩(wěn)定和良好的耦合，探頭移動時不被磨損，保持探頭的折射角不發(fā)生變化。為了有效減少聲能損失，選擇聲阻抗較小的水作為耦合劑，檢測時自動充水，水層確保了探頭與管子穩(wěn)定良好接觸。在探頭與管子接觸面之間保持適當間隙，形成薄水層耦合，控制薄水層透聲厚度在約二分之一倍整數(shù)聲波波長范圍，使聲能透過率最佳。

三、探頭設計與制作

  探頭設計合理與制作精細是實現(xiàn)超聲波探傷和有效判定管子有無軋制缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對管子和軋制缺陷的特點，做到發(fā)收晶片同步、檢測靈敏度高并易于操作和制作加工。在探頭設計中首先考慮探頭晶片材料和頻率的選擇，其次要考慮選擇合適的入射角。

 a. 晶片材料和頻率的選擇

  選擇聲阻抗較小的鈦酸鉛陶瓷晶片材料，在鋼中的縱波聲速約為5920m/s，參數(shù)性能優(yōu)于鋯鈦酸鉛陶瓷傳統(tǒng)晶片材料，提高了探頭靈敏度。晶片探傷頻率一般選為2.5～5MHz，減少了波束的近場區(qū)長度，其發(fā)射和接收超聲波能力較強，提高波束的指向性。在確保探頭靈敏度足夠高的情況下，晶片的尺寸選擇為方晶片，適合直徑較小、與探頭接觸面較小的管子，保證了探頭晶片的聲波發(fā)射和接收功率，又兼顧波束具有較好的指向性和較短的近場區(qū)長度。

  b. 探測波形的選擇

  一般鍋爐用不銹鋼管材料的晶粒度為4～7級，屬中細度范圍，為提高對細小裂紋檢測的靈敏度，選擇探測波形為橫波進行探測，在鋼中的橫波聲速為3230m/s。

  c. 探頭入射角的選擇范圍

   探頭入射角的選擇是根據(jù)鍋爐用不銹鋼管不同規(guī)格外徑及壁厚尺寸來確定，入射角決定了超聲波在管子中僅有橫波折射而不能有縱波折射，橫波的折射角主聲束掃查要能夠覆蓋管壁厚度范圍。現(xiàn)以89×13的碳鋼或低合金鋼鍋爐管子為例，計算探頭入射角應選擇的范圍。

  d. 超聲波在鋼中反射次數(shù)的確定

   超聲波在鍋爐用不銹鋼管中反射次數(shù)是根據(jù)探頭的兩個入射點距離和在鋼中的橫波折射角范圍來計算確定，并選擇對檢測缺陷靈敏度最佳效果的反射次數(shù)?，F(xiàn)設定檢測89×13的鍋爐管子，選擇探頭中兩個入射點的距離，其在鋼中的橫波折射角范圍為33.06°～45.06°。

  e. 探頭楔塊的設計

   探頭楔塊的材料應選擇航空有機玻璃，探頭楔塊的設計是首先確定所探測管子的規(guī)格，再確定探頭的入射角α、兩個入射點QQ距離、晶片中心點至隔聲層A點的距離O1 A和隔聲層厚度后進行探頭契塊的尺寸。一般根據(jù)晶片的尺寸和探頭整體大小，隔聲層厚度取0.5mm。

四、試塊

   超聲波探傷試塊應保證探頭性能參數(shù)符合原設計要求，探頭在試制過程中及試制結(jié)束后均要對其進行性能參數(shù)測試，同時在實際探傷前要對儀器進行掃描速度和靈敏度的調(diào)節(jié)及缺陷的評價。試塊用于測定探傷儀和探頭未加工凹弧面時的入射點、前沿、折射角。對比試塊用于探傷靈敏度的調(diào)整，試塊采用受檢管子規(guī)格來設計加工，試塊的材料選擇一般可用20#碳鋼，最好選用一段沒有缺陷的管子加工。試塊長度一般為200mm，在試件內(nèi)外壁上加工長40mm、60°夾角的V形槽，槽的深度t可以從0.5～3mm按0.5mm遞增。試塊可以加工成不同槽深的一組試塊，用來試驗和確定這種探傷方法的最終可行性和調(diào)整探傷靈敏度。其幾何尺寸見圖。

 對比試塊用于測定鍋爐用不銹鋼管探頭加工凹弧面后的入射點、折射角及掃描速度。在試塊中管內(nèi)半徑r就是所探管子的外圓半徑，管外半徑一般選擇80～100mm(R＞r)，為便于探傷儀器掃描速度的調(diào)整，最好選擇80mm、90mm、100mm，具體選擇視探頭的折射角范圍及R圓心的位置確定。R圓心位置的選擇要適中，一般選擇在30°～60°范圍，如小于30°，探頭與試塊吻合不好，且易產(chǎn)生變形波，如大于60°，R的選取就會減小，不利于掃描速度的調(diào)整。R半徑曲面既是探頭單晶片入射點的測定反射面，也是探傷儀器掃描速度調(diào)整的發(fā)射面，R半徑曲面圓心所對應的位置就是探頭單晶片入射點的位置。1mm通孔是用來測定探頭單晶片的折射角和調(diào)整儀器掃描速度，通孔的圓心選擇在r半徑圓弧上180°～270°范圍，主要是便于折射角的計算。試塊材料一般用20#碳鋼加工，對比試塊制作的技術(shù)條件應符合ZBY232－84的規(guī)定，其幾何尺寸見圖。

五、探頭的入射點、折射角測定及儀器掃描速度調(diào)整

 探頭在加工后和在實際探傷前均要對入射點、折射角進行測定及儀器掃描速度的調(diào)整。

 1. 探頭入射點測定是將探頭放在試塊上，前后移動探頭使R半徑曲面回波達到最高點，這時R半徑曲面圓心標記在r半徑曲面A點對應的探頭位置便是探頭單個晶片發(fā)射的入射點，如圖。

 2. 探頭折射角測定是將探頭放在試塊上，前后移動探頭使橫通孔回波達到最高點，測量探頭入射點至橫通孔的AB距離。折射角由幾何作圖計算得出。

 3. 儀器掃描速度按回波1∶1的比例聲程進行調(diào)試。首先將探頭放在試塊上，用單晶片分別將試塊上橫通孔回波聲程和R半徑曲面的回波聲程調(diào)在熒光屏水平坐標對應的位置。

  將四種不同反射次數(shù)的8個探頭在同一個沒有缺陷的管子上進行測試。記錄的8個探頭的直通波波形圖如圖所示。由以上8個探頭測試的波形圖可以看出，盡管加工的探頭存在一定的誤差，但是每種規(guī)格的探頭直通波前后的變波形和遲到波大體相近。比如編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在1個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在2個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在3個遲到波，編號同一種規(guī)格的探頭在直通波后都存在4個遲到波。在實際探測時就是要觀察直通波受缺陷的影響程度來對管子軋制缺陷進行探測。如何識別直通波要具備以下兩個條件:首先要使用數(shù)字化超聲波儀器來正確調(diào)整儀器的掃描速度，其次根據(jù)探頭的有關(guān)參數(shù)預先計算出直通波的聲程，然后觀察該探頭在儀器上顯示的相對應聲程的直通波波形。當然，直通波在遇有缺陷時肯定會明顯發(fā)生變化，否則原確定的直通波就是錯誤的。

  在識別和確定直通波的基礎上，對內(nèi)外管壁加工有0.5mm、1.0mm和2.0mm的刻槽進行測試。測試的結(jié)果如表所示，測試表明各種探頭在測試各種不同深度的刻槽時，直通波均有不同程度的衰減，但是這四種規(guī)格的探頭各有不同特點，第一超聲波在管鋼中反射次數(shù)越多，缺陷對直通波的影響越大，如超聲波在管鋼中反射次數(shù)為16次和14次的探頭相對直通波最大衰減值就比12次和10次的大。第二超聲波在管鋼中反射次數(shù)少的，則直通波前的變形波少而遲到波較多，超聲波在管鋼中反射次數(shù)多的，則直通波前的變形波多而遲到波較少。但只要采用數(shù)字化超聲波儀器和調(diào)整好儀器的掃描速度，在探測時只要觀察直通波的動態(tài)變化情況，變形波和遲到波并不影響對管子缺陷的探測。

  通過試驗研究，采用“失波法”對管子軋制缺陷進行檢測，檢測速度可達到2000mm/min，靈敏度0.5mm。該方法經(jīng)濟、快速、高效，且實現(xiàn)了對鍋爐用不銹鋼管缺陷的有效檢測。在設計探頭時要統(tǒng)籌考慮探頭的整體尺寸，確保探頭的靈敏度不受到影響。探頭晶片的頻率選擇要合適，確保探頭的波束指向性，晶片頻率的選擇范圍一般在2.5～5 MHz為宜。探頭的每一個制作過程要進行測試，避免偏離原先設計的參數(shù)，實現(xiàn)探頭一收一發(fā)同步。實際探測時，應使用數(shù)字化超聲波探測儀器，調(diào)整好掃描速度，按照設計計算的聲程參數(shù)識別直通波，在模擬對比試件上進行比較測試來確認變形波、遲到波和直通波。試驗數(shù)據(jù)表明，探頭對鍋爐用不銹鋼管的軋制缺陷在0.5mm當量以上的面狀缺陷均能有效發(fā)現(xiàn)。