鋼板超聲波探傷認(rèn)識誤區(qū)解析

司春杰

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司，濟(jì)南 250101）

由于鋼板中常常存在分層、夾雜、折疊等缺陷，影響鋼板的力學(xué)性能和所制產(chǎn)品的安全性，因此一些專用鋼板強(qiáng)制要求必須經(jīng)過探傷才能應(yīng)用。超聲波檢測具有快捷、成本低、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，是鋼板探傷的主要方式。超聲探傷包括縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。鋼板缺陷大都平行于板面，大批量日常手工中厚鋼板超聲波探傷一般采用縱波直探頭垂直接觸法，主要檢測鋼板內(nèi)部質(zhì)量。由于設(shè)備、技術(shù)原因，縱波探傷無法保證對鋼板全面檢測，上下表面、近表面存在檢測盲區(qū)，對鋼板本體探傷也多為抽查方式。若采用A掃描超聲檢測，無法得到缺陷直觀圖像，而缺陷波受各種因素影響，對缺陷定性困難，定量精度不高，檢測結(jié)果還不能完全滿足科研人員了解產(chǎn)品內(nèi)各類缺陷詳細(xì)情況的需要。筆者試圖根據(jù)日常對中厚板縱波探傷的檢測經(jīng)驗(yàn)，解釋合格鋼板中仍然存在內(nèi)部不連續(xù)性或較大缺陷的原因，及缺陷定性、定量存在的不確定問題。

1 表面裂紋檢測難點(diǎn)

采用縱波垂直接觸法探傷鋼板，由于探頭和儀器的信號阻塞和始脈沖占寬原因，其探測范圍受到一定的限制，存在檢測盲區(qū)［1］。一般情況下單直探頭的盲區(qū)5mm左右，雙晶直探頭約3mm。為了保證鋼板的檢測質(zhì)量，統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，JB／T 4730.3—2005標(biāo)準(zhǔn)［2］對探頭選用進(jìn)行了規(guī)定（表1）。使用合適的探頭，可在一定程度上減小盲區(qū)的影響，但盲區(qū)是自然存在的。無論使用單直探頭或者雙晶直探頭，在靠近檢測面處都會有無法檢測到的區(qū)域。

表1 鋼板檢測探頭選用規(guī)定

儀器與探頭都有分辨力要求。分辨力是指在示波屏上區(qū)分相鄰缺陷的能力，能區(qū)分相鄰缺陷的距離愈小，分辨力就愈高［1］。JB／T 4730.3—2005規(guī)定，直探頭的遠(yuǎn)場分辨力應(yīng)≥30dB［2］，一般認(rèn)為直探頭的分辨力應(yīng)≤6mm［1］，圖1為從背側(cè)檢測35和33mm臺階，80%波高情況。從波形圖上看，產(chǎn)生了雙峰現(xiàn)象，兩底面波混在一起。大批量日常檢測時(shí)往往容易忽略這種情況。如果掃描比例設(shè)置得更大，底面情況更難分辨。所以只有當(dāng)鋼板下表面的裂紋、劃痕、折疊等缺陷的反射回波形成獨(dú)立的缺陷波，并與底波分開時(shí)，才能進(jìn)行判定。從另一方面說，鋼板的折疊、劃痕、裂紋等缺陷深度較小，且缺陷面多數(shù)與探傷面不平行，所以缺陷回波要低得多，有時(shí)可能不出現(xiàn)缺陷回波，如果缺陷對底面回波的影響又不足以使其下降到50%以下，這些都不能作為判定缺陷的依據(jù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于一般鋼板檢測，當(dāng)缺陷與底面高度差＜3mm時(shí)，缺陷波與底面回波很容易混淆。另外，目前普遍使用數(shù)字探傷儀，其柱狀波遠(yuǎn)不如線型波容易分辨；最高波顯示位置方式也不如波前沿顯示位置方式準(zhǔn)確可靠。

圖1 35和33mm鋼板臺階底波

縱波探傷主要檢測鋼板的內(nèi)部質(zhì)量，采用列線掃查或格子線掃查，都屬于抽查性質(zhì)。根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)、不同等級，檢測面積約為待測鋼板10%～60%。由于鋼板內(nèi)部缺陷的形狀、位置千差萬別，有的是線性缺陷，有的呈彌散點(diǎn)狀，在手工探測時(shí)，檢測人員必須引起重視。對于表面及近表面的缺陷，應(yīng)采用其它檢測方法，如目測、磁粉、滲透、渦流等輔助手段進(jìn)行局部缺陷確認(rèn)。

2 鋼板內(nèi)部缺陷的性質(zhì)

超聲檢測所顯示的缺陷回波，主要反映缺陷的位置、波幅大小，要想準(zhǔn)確地判定缺陷性質(zhì)十分困難。鋼板缺陷一般呈扁平型點(diǎn)狀或面積型，影響缺陷波的因素很多，如缺陷的表面狀態(tài)、缺陷內(nèi)部夾雜物、缺陷相對聲束的方向等，反射特性不同，有時(shí)缺陷波差異很大。對鋼板缺陷的識別遠(yuǎn)不如焊縫檢測，可以通過多探頭、多角度的聲波特性，結(jié)合工件結(jié)構(gòu)、材料特征、焊接工藝等進(jìn)行綜合判定，從而估判缺陷的性質(zhì)。如果仍然困難，還可以通過射線透照方式進(jìn)行確認(rèn)。

理想狀態(tài)下，一般認(rèn)為分層是鋼板中明顯的分離層，聲波幾乎100%反射，分層處無底波出現(xiàn)，只有多次缺陷反射波，波形較單一，見圖2（a）。鋼板中夾雜物反射特性與其性質(zhì)有關(guān)，非金屬夾雜物與鋼聲阻抗差異大，缺陷波較高，缺陷波對底波的影響大，見圖2（b）；而金屬夾雜物的聲阻抗與鋼相當(dāng)，透射率高，缺陷波對底波的影響通常較小，見圖2（c）。偏析缺陷與非金屬夾雜相似，缺陷對底波的影響也較大，見圖2（d）［3］。

現(xiàn)實(shí)情況并非如此簡單，根據(jù)波形并不容易區(qū)分缺陷性質(zhì)，如圖3和4。從波形圖上分析，圖3（a）有可能為小型金屬夾雜，圖3（b）有可能是較大夾雜或非金屬缺陷。經(jīng)過金相分析（圖4），圖3（a）波形實(shí)際對應(yīng)的缺陷是分層，圖3（b）對應(yīng)的是成分偏析。反之，即使金相分析相同的缺陷，由于缺陷狀況不同，缺陷波高也會不同，而缺陷聲波透射差異及鋼板底面粗糙程度影響底波高度，有時(shí)差別很大。目前對于大面積分層、折疊能夠很明確地判定，而其他類型的缺陷只能根據(jù)底波和缺陷波反射特性差異，結(jié)合缺陷大小、分布等條件進(jìn)行估判，真實(shí)情況必須經(jīng)過金相分析才能確認(rèn)。

3 討論

探傷實(shí)踐中經(jīng)常會被問到以下幾個(gè)問題：缺陷的實(shí)際大小是多少？為什么有些從探傷不合格鋼板上取得的金相樣品未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷？探傷合格的鋼板為什么在拉伸試樣斷口存在分層？

這是因?yàn)槿毕荻康囊罁?jù)是缺陷反射聲壓的高低。影響缺陷波高最大因素在于缺陷自身：光滑平面缺陷可以形成鏡面反射，缺陷回波高；粗糙表面則產(chǎn)生漫反射和波的干涉現(xiàn)象，缺陷回波低；聲波垂直入射缺陷表面時(shí)缺陷回波最高，隨入射角的增大缺陷波急劇下降，傾斜2.5°時(shí)，波幅下降1／10，傾斜12°時(shí)，下降至1／1000，此時(shí)儀器已不能檢出缺陷；同尺寸、同位置、不同形狀的缺陷回波不同，相同條件下球孔回波聲壓比平底孔小λ／4dB。缺陷性質(zhì)的影響取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗，當(dāng)兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗差異較大時(shí)，近似地認(rèn)為是全反射，反射聲波強(qiáng)；當(dāng)差異較小時(shí)，就有一部分聲波透射，反射聲波變?nèi)?。另外，缺陷厚度、缺陷位置等對缺陷回波都有很大影響?］。反之，回波聲壓相同的缺陷實(shí)際大小也可能相差很大，目前的檢測技術(shù)還難以反映缺陷的真實(shí)狀況，故缺陷定量常采用當(dāng)量評定法。當(dāng)量評定法是將缺陷的回波與規(guī)則形狀人工反射體的回波幅度進(jìn)行比較，如果兩者的埋深相同、反射波高相等，則稱該人工反射體的反射尺寸為缺陷的當(dāng)量尺寸。而對于有一定尺寸的缺陷，邊界界定又分為絕對靈敏度法和相對靈敏度法，所以測定的缺陷指示長度、指示面積，并不是缺陷的實(shí)際長度和實(shí)際面積，當(dāng)量尺寸與缺陷實(shí)際尺寸會存在一定的誤差。

有時(shí)從不合格鋼板上切取的金相試樣未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，而有時(shí)有些鋼板缺陷較小但檢測人員認(rèn)定鋼板存在危害性缺陷，例如裂紋或鋼板邊緣存在的點(diǎn)狀缺陷呈線性分布；有些則可能是取樣部位偏離嚴(yán)重區(qū)域或制備的金相樣觀測面偏離了缺陷位置。真正分析缺陷性質(zhì)、解決工藝問題，應(yīng)由探傷人員標(biāo)定，切取缺陷嚴(yán)重部位，選擇有代表性的缺陷進(jìn)行分析總結(jié)。

檢測鋼板前以一定的靈敏度調(diào)節(jié)儀器，我國標(biāo)準(zhǔn)多采用φ5mm平底孔當(dāng)量作為基準(zhǔn)靈敏度。在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)下列情況之一即作為缺陷，① 缺陷回波幅度≥50%。② 底波幅度＜100%，而缺陷回波／底波回波≥50%。③ 底波幅度＜50%［2］。反射特性必須滿足上述條件才進(jìn)行缺陷長度、面積的測定。反射回波高度達(dá)不到上述判定條件，只能認(rèn)定鋼板內(nèi)部存在不連續(xù)性，檢測結(jié)果可以不計(jì)（除非操作人員認(rèn)為缺陷具有很大危害性）。對于有一定長度和面積型的缺陷，只要單個(gè)線型缺陷＜80mm（板邊或剖口位置≤50mm），面積型缺陷＜25cm2，1m2內(nèi)缺陷面積百分比≤3%，就可以評定為Ⅰ級鋼板。JB／T 4730.3—2005對鋼板的質(zhì)量分級見表2。所以合格鋼板不但可以存在內(nèi)部不連續(xù)性，也可以存在一定尺寸的缺陷。在鋼板切割面或拉伸試樣斷口發(fā)現(xiàn)缺陷，如分層、夾雜等，并不能證明探傷人員出現(xiàn)漏檢。只要鋼板內(nèi)部缺陷尺寸未超過相應(yīng)級別的要求，鋼板就是合格的。拉伸試樣普遍使用P5試樣，其寬度只有30mm，斷口發(fā)現(xiàn)缺陷并非不可能，內(nèi)部不連續(xù)性也會造成試樣脆性斷裂。

表2 鋼板質(zhì)量分級

4 結(jié)論

（1）縱波探傷主要是檢測鋼板內(nèi)部質(zhì)量。由于縱波探傷方式存在檢測盲區(qū)，鋼板檢測面及近表面的缺陷無法檢測到；由于分辨力問題，鋼板下表面及近表面的缺陷波與底波無法區(qū)分，或缺陷未引起底波下降到足夠程度，缺陷都不易被發(fā)現(xiàn)。對于大批量鋼板表面檢查，直觀而有效的方法就是目測，磁粉、滲透等探傷方式只能作為輔助確認(rèn)手段。

（2）鋼板檢測受檢測面、檢測方式、儀器設(shè)備等條件制約，單單根據(jù)缺陷波、底波對缺陷性質(zhì)進(jìn)行估判，存在一定的不確定性，必須結(jié)合生產(chǎn)工藝和解剖試驗(yàn)比對分析，經(jīng)過長時(shí)間經(jīng)驗(yàn)積累，才有可能掌握一定的規(guī)律。如果需要詳細(xì)了解缺陷性質(zhì)，應(yīng)由探傷人員標(biāo)定，選擇具有代表性、缺陷嚴(yán)重部位切取試樣，進(jìn)行金相和頻譜分析，對缺陷性質(zhì)的判定才是最準(zhǔn)確可靠的。

（3）缺陷波高受諸如缺陷性質(zhì)、形狀、方向、表面粗糙度、位置等因素的影響，目前的檢測技術(shù)還不能反映缺陷真實(shí)原貌，回波聲壓相同的缺陷實(shí)際尺寸可能不同；尺寸相同的缺陷回波聲壓也不一定相同。對缺陷的定量采用的是當(dāng)量尺寸，當(dāng)量尺寸并非實(shí)際尺寸，通常情況下缺陷的實(shí)際尺寸要大于當(dāng)量尺寸。

（4）探傷鋼板前以一定靈敏度調(diào)節(jié)儀器，我國標(biāo)準(zhǔn)多以φ5mm平底孔作為基準(zhǔn)靈敏度。只有當(dāng)缺陷波上升的高度或底部降低的高度達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，才進(jìn)行缺陷測長。鋼板級別是根據(jù)缺陷大小評定，只要單個(gè)缺陷長度、單個(gè)缺陷面積、多缺陷面積百分比，三個(gè)條件都符合相應(yīng)級別要求，鋼板就是合格的，所以并非評定合格的鋼板不存在缺陷。

［1］全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.超聲波探傷［M］.北京：勞動人事出版社，1995：107－109，146－148.

［2］JB／T 4730.3—2005 承壓設(shè)備無損檢測（第3部分：超聲波檢測）［S］.

［3］熊曉偉.鋼板探傷缺陷的分析［J］.寬厚板，1999，5（1）：22－24.