厚壁鋯合金管材超聲波探傷方法研究

朱康平，王 力，馮 輝，文 寧

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

1 前言

核工業(yè)用的鋯合金厚壁管，規(guī)格為φ45 mm×11.25 mm，要求進(jìn)行人工標(biāo)準(zhǔn)缺陷為槽型3 mm×0.1 mm×0.05 mm(長(zhǎng)×寬×深)的超聲波探傷。通常，對(duì)壁厚與外徑之比(t/D)不大于0.2的管材采用純橫波法探傷［1-3］，而對(duì)于 t/D大于0.2的管材，受幾何條件限制，橫波可能無(wú)法檢測(cè)到內(nèi)壁，一般采用變型橫波斜射法、斜射縱波切內(nèi)壁法等［3-7］，這些方法波形轉(zhuǎn)換及技術(shù)處理較為復(fù)雜，而且檢測(cè)靈敏度較低。待檢鋯管t/D達(dá)到0.25，且探傷靈敏度要求很高，對(duì)于這種厚壁鋯合金管的超聲波探傷方法尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究為獲得厚壁鋯合金管操作方便、準(zhǔn)確可靠的探傷方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)超聲波探傷相關(guān)理論［1］計(jì)算，可采用純橫波探傷方法探測(cè)最大t/D為0.258的鋯管，該規(guī)格鋯管剛好可使折射橫波的聲束軸線達(dá)到內(nèi)壁。同時(shí)，如能預(yù)判出各反射波信號(hào)出現(xiàn)的位置，在檢測(cè)參數(shù)上準(zhǔn)確控制，避免其相互干擾，采用雙角度縱波斜入射、橫波與縱波相結(jié)合的探傷方法應(yīng)是可行的。本實(shí)驗(yàn)采用水浸聚焦方式對(duì)以上3種方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定出該規(guī)格鋯合金管材最優(yōu)的探傷方案。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方法

2.1 基本原理

利用波的折射定律，通過(guò)調(diào)節(jié)偏心距(即改變?nèi)肷浣?，使折射聲場(chǎng)中生成所需的波型，并滿足以下3種探傷方法所要求的條件。

2.1.1 純橫波水浸聚焦法

如圖1所示，探頭發(fā)射的縱波聲束斜入射到水/管材界面時(shí)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，當(dāng)入射角在第一臨界角和第二臨界角之間時(shí)，縱波全反射，進(jìn)入管材內(nèi)部只有橫波，利用折射橫波來(lái)檢查整個(gè)管材內(nèi)部的缺陷。該方法的必要條件為:折射橫波能檢測(cè)到管材內(nèi)壁。計(jì)算偏心距X為:7.2 mm≤X≤7.4 mm。

圖1 純橫波探傷示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic testing by pure transverse wave method

2.1.2 橫波縱波相結(jié)合水浸聚焦法

如圖2所示，使入射角度小于第一臨界角，管材內(nèi)同時(shí)傳播折射縱波和折射橫波，利用折射橫波檢測(cè)管材內(nèi)壁及近內(nèi)壁部位，折射縱波檢測(cè)管材外壁，從而檢查整個(gè)管材的截面。該方法的必要條件為:折射橫波能達(dá)到管材內(nèi)壁，而折射縱波僅能達(dá)到外壁。計(jì)算偏心距X為:3.8 mm

圖2 橫波縱波相結(jié)合探傷示意圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing by combing transverse wave with longitudinal wave

2.1.3 縱波斜入射水浸聚焦法

如圖3所示，在小于第一臨界角的范圍內(nèi)選擇兩個(gè)不同的入射角度，使其中一個(gè)折射縱波(L'1)能達(dá)到管材內(nèi)壁，而另一個(gè)折射縱波(L'2)只能達(dá)到管材外壁，利用具有較高能量的折射縱波檢查整個(gè)管材截面內(nèi)的缺陷。此時(shí)，L1的偏心距為:X≤3.8 mm，而L2的偏心距為:3.8 mm

圖3 縱波斜入射探傷示意圖Fig..3 Schematic diagram of ultrasonic testing by longitudinal wave incidence with inclination

2.2 反射信號(hào)辨別及干擾去除

探傷時(shí)可能存在的反射信號(hào)包括:界面波及其多次回波、缺陷波及其多次反射波、不需觀察的折射波信號(hào)及其多次反射波等［8-9］，利用幾何聲學(xué)原理可計(jì)算出這些回波信號(hào)在時(shí)基線出現(xiàn)的位置，通過(guò)對(duì)探傷參數(shù)的調(diào)節(jié)，使有用信號(hào)出現(xiàn)在不需觀察的回波信號(hào)之前，再通過(guò)報(bào)警閘門(mén)始端、終端位置(觀測(cè)窗口)的調(diào)整避開(kāi)無(wú)用信號(hào)對(duì)探傷的干擾。

純橫波探傷時(shí)，干擾信號(hào)只有界面波及其多次反射波，如圖4所示。通過(guò)調(diào)節(jié)水距，使一次內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)(F內(nèi)、F外)在一次界面波(S1)和二次界面波(S2)之間出現(xiàn)，避開(kāi)界面波對(duì)探傷的干擾。

圖4 純橫波探傷波形示意圖Fig.4 Schematic diagram of waveform using pure transverse wave

采用橫波縱波相結(jié)合的方式探傷時(shí)，除避開(kāi)界面波干擾外，通過(guò)調(diào)節(jié)閘門(mén)位置，只觀測(cè)一次折射縱波和一次折射橫波的反射信號(hào)以避開(kāi)其他信號(hào)的干擾，此時(shí)的波形示意圖見(jiàn)圖5。由于鋯中縱波聲速約為橫波聲速的2倍，雖然縱波聲程較大，但外傷信號(hào)出現(xiàn)在內(nèi)傷信號(hào)之前。

圖5 橫波縱波相結(jié)合波形示意圖Fig.5 Schematic diagram of waveform of combing transverse wave with longitudinal wave

采用縱波斜入射法時(shí)，通過(guò)兩個(gè)通道分別調(diào)節(jié)內(nèi)、外壁人工缺陷，其波形與橫波縱波相結(jié)合的波形類似，但閘門(mén)終端位置提前，見(jiàn)圖6。此時(shí)，由于折射縱波聲速大，同時(shí)產(chǎn)生的折射橫波缺陷反射信號(hào)在縱波反射信號(hào)之后出現(xiàn)，通過(guò)閘門(mén)終端位置的前移可排除橫波信號(hào)的干擾。

圖6 縱波斜入射波形示意圖Fig.6 Schematic diagram of waveform of longitudinal wave incidence with inclination

2.3 實(shí)驗(yàn)

分別按3種探傷方法的條件，在偏心距范圍內(nèi)均勻的選取幾點(diǎn)(其中純橫波法因偏心距范圍小僅取一點(diǎn))。對(duì)每個(gè)偏心距，用不同的水中聲程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，觀察各方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)、外壁人工缺陷的反射波形及探傷靈敏度(增益讀數(shù))的變化情況，通過(guò)對(duì)比，確定出3種方法最優(yōu)的探傷參數(shù)。在3種方法的最優(yōu)參數(shù)下，使標(biāo)準(zhǔn)管連續(xù)多次通過(guò)探傷設(shè)備，觀察動(dòng)態(tài)調(diào)試效果，驗(yàn)證其檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

探傷設(shè)備采用美國(guó)TACTIC公司76EX-18管棒材自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其配套儀器為GE公司USPC2100四通道超聲波探傷儀。考慮水距和探傷靈敏度要求，選擇頻率為10 MHz、焦距為60 mm、晶片尺寸為12.7 mm的線聚焦探頭。

3 結(jié)果與分析

3.1 純橫波法

選擇偏心距為7.3 mm，用不同的水距對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)，當(dāng)內(nèi)、外壁人工缺陷波幅均達(dá)到70%滿幅時(shí)，增益讀數(shù)見(jiàn)表1。純橫波法探傷時(shí)，超聲波束發(fā)現(xiàn)內(nèi)傷時(shí)的聲程是外傷聲程的一半，因材料的聲能衰減和聲程較大，理論上內(nèi)傷波幅應(yīng)高于外傷，但從表1的結(jié)果來(lái)看，其內(nèi)傷波幅反而明顯低于外傷。從表1還可看出，當(dāng)水距增加，內(nèi)傷檢測(cè)靈敏度變化不大，但稍有提高，而外傷檢測(cè)靈敏度明顯降低。這是因?yàn)榻裹c(diǎn)上移后，打在內(nèi)壁的聲束變得集中，而打在外壁的聲束更發(fā)散，使內(nèi)傷靈敏度有所提高，而外傷靈敏度降低。當(dāng)焦點(diǎn)落在內(nèi)壁左右(水距為49 mm)時(shí)，內(nèi)、外壁人工缺陷波幅基本達(dá)到一致，但此時(shí)增益值較高，如圖7所示，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)傷波幅達(dá)到滿幅的70%時(shí)，噪聲信號(hào)達(dá)到了20%～30%，不利于缺陷信號(hào)的辨別。

表1 純橫波探傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Testing results of defect detecting by pure transverse wave

3.2 橫波縱波相結(jié)合法

在3.8～7.2 mm范圍內(nèi)選擇4組偏心距，分別用不同的水距對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)，當(dāng)內(nèi)、外壁人工缺陷波幅均達(dá)到滿幅的70%時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，探傷波形見(jiàn)圖8。

圖7 H=49 mm時(shí)純橫波探傷波形Fig.7 Waveform of defect dectecting by pure tranverse wave during H=49 mm

表2 橫波縱波相結(jié)合探傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Testing results of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave

圖8 X=6 mm、H=38 mm時(shí)橫波縱波相結(jié)合探傷波形Fig.8 Waveform of defect detecting by combing transverse wave with longitudinal wave during X=6 mm and H=38 mm

由表2可見(jiàn)，隨著水距的增加，內(nèi)傷的檢測(cè)靈敏度逐漸增高，而外傷的檢驗(yàn)靈敏度逐漸降低。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，有兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想:偏心距為4 mm、水距為38 mm時(shí)，增益讀數(shù)在74 dB左右，內(nèi)、外壁人工缺陷增益差為1 dB;當(dāng)偏心距為6 mm、水距為38.5 mm時(shí)，增益讀數(shù)在78 dB左右，內(nèi)、外壁人工缺陷增益差為1.5 dB。這兩組的探頭焦點(diǎn)均落在與聲束中心軸相垂直的管材半徑附近。由圖8的波形上看，此時(shí)雜波低，內(nèi)、外壁人工缺陷波均清晰可見(jiàn)，比較適合此規(guī)格的管材探傷。

3.3 雙角度縱波斜入射法

3.3.1 外傷檢測(cè)

雙角度縱波斜入射時(shí)，外傷的調(diào)節(jié)與橫波縱波相結(jié)合方法一致，其偏心距及水距對(duì)探傷靈敏度的影響見(jiàn)表2。從表2的結(jié)果可知，縱波探外傷時(shí)，偏心距及水距越大，探傷靈敏度越低，但其變化幅度并不明顯，尤其當(dāng)偏心距在4～6 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，探傷靈敏度的變化很小。為避開(kāi)橫波打在內(nèi)壁缺陷時(shí)的反射信號(hào)，橫波內(nèi)傷信號(hào)與縱波外傷信號(hào)距離越遠(yuǎn)越好，以避免因尺寸公差變化或探傷過(guò)程中管材跳動(dòng)造成的誤判。通過(guò)實(shí)際探傷波形可知，偏心距加大時(shí)，內(nèi)、外壁人工缺陷信號(hào)間距增大，因此應(yīng)盡量選擇較大的偏心距。

3.3.2 內(nèi)傷檢測(cè)

在≤3.8 mm的范圍內(nèi)選擇4組偏心距，分別選擇不同的水距對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管的內(nèi)傷進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)，波幅達(dá)到70%滿幅時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的結(jié)果可知，偏心距及水距的變化對(duì)探傷靈敏度均沒(méi)有大的影響，且增益值均較低，信噪比較好(見(jiàn)圖9)。內(nèi)傷調(diào)節(jié)時(shí)，只需把偏心距及水距落在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)即可，操作簡(jiǎn)便易行。

表3 縱波斜入射探內(nèi)傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Testing results of detecting inner defects by longitudinal wave incidence with inclinationwave

圖9 X=3.2 mm、H=41 mm時(shí)縱波探測(cè)內(nèi)傷的波形Fig.9 Waveform of detecting inner defects by longitudinal wave during X=3.2 mm and H=41 mm

3.4 動(dòng)態(tài)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用

用最優(yōu)的參數(shù)調(diào)試出3種方法比較理想的探傷狀態(tài)，在正常探傷的條件下，使標(biāo)準(zhǔn)管連續(xù)20次通過(guò)探傷設(shè)備，設(shè)備對(duì)內(nèi)、外壁人工缺陷報(bào)警情況見(jiàn)表4。

從表4的結(jié)果可知，純橫波法內(nèi)壁缺陷的報(bào)警率僅為35%，這是因?yàn)椴捎迷摲椒〞r(shí)偏心距可調(diào)范圍小，對(duì)調(diào)節(jié)的精度要求高。同時(shí)，由于管材尺寸公差的變化或檢測(cè)過(guò)程中管材的跳動(dòng)，會(huì)使實(shí)際入射角發(fā)生變化［10］，使折射橫波聲束軸線可能無(wú)法達(dá)到管材內(nèi)壁，從而造成內(nèi)壁缺陷漏檢的情況。該結(jié)果驗(yàn)證了純橫波法不適用于t/D大于0.2的管材探傷［1-7］的經(jīng)驗(yàn)是正確的。

橫波縱波相結(jié)合法及雙角度縱波斜入射法的內(nèi)、外壁人工缺陷報(bào)警率均達(dá)到100%，且通過(guò)波形記錄可知，這2種探傷方法重復(fù)性較好，內(nèi)、外壁人工缺陷反射信號(hào)波動(dòng)均小于2 dB，說(shuō)明這2種方法的檢測(cè)結(jié)果是穩(wěn)定的。采用這2種方法檢測(cè)時(shí)，橫波、縱波均同時(shí)在材料中傳播，由于其傳播角度不同，增加了對(duì)不同方向缺陷的發(fā)現(xiàn)幾率，但對(duì)壁厚內(nèi)部缺陷無(wú)法準(zhǔn)確定位，需要時(shí)，可輔以純橫波或直射縱波進(jìn)行判斷。

表4 3種方法的動(dòng)態(tài)調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Testing results of dynamic testing of three kinds of method

作者已分別采用雙角度縱波斜入射及橫波縱波相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)百支厚壁鋯合金管材進(jìn)行了檢測(cè)對(duì)比，2種方法的檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)性很好，說(shuō)明2種方法均是可靠的，探測(cè)結(jié)果也得到用戶認(rèn)可。

橫波縱波相結(jié)合的方法需用一個(gè)報(bào)警閘門(mén)同時(shí)采集內(nèi)、外壁人工缺陷的波幅，調(diào)試時(shí)應(yīng)使內(nèi)、外壁人工缺陷反射波幅的差異小于2 dB，一般需經(jīng)多次調(diào)試才能符合要求。雙角度縱波斜入射采用不同的通道和閘門(mén)單獨(dú)調(diào)試內(nèi)、外壁缺陷，1次調(diào)試即可達(dá)到要求，操作更簡(jiǎn)單易行，但該方法要求設(shè)備有多1倍的通道或1支管材進(jìn)行2次探傷，效率較低，適用于管材數(shù)量較少時(shí)的檢測(cè)。

若需探測(cè)t/D更大的鋯合金管材，橫波縱波相結(jié)合及雙角度縱波斜入射法可通過(guò)進(jìn)一步減小入射角度，使聲束達(dá)到內(nèi)壁，從而達(dá)到探傷目的。

4 結(jié)論

(1)純橫波法不適用于規(guī)格為φ45 mm×11.25 mm鋯合金管材的超聲波探傷;采用橫波縱波相結(jié)合或雙角度縱波斜入射法對(duì)該規(guī)格鋯管進(jìn)行探傷是可行的，也是可靠的，這2種方法同時(shí)適用于探測(cè)t/D更大的管材。

(2)雙角度縱波斜入射法操作更簡(jiǎn)單易行，但效率較低，適合小批量厚壁管的檢測(cè)，而橫波縱波相結(jié)合法更適用于大批量厚壁管檢測(cè)。

(3)橫波縱波相結(jié)合和雙角度縱波斜入射法較傳統(tǒng)的變型橫波斜射法、斜射縱波切內(nèi)壁法等方法在理論及技術(shù)處理上更簡(jiǎn)單易行，且檢測(cè)靈敏度高，值得推廣。

［1］鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)［M］.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008:231-250.

［2］李恒羽，袁改煥，王德華.核用鋯合金管材的超聲波檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2008(4):32-35.

［3］李明，余慶彬.厚壁鋼管縱向缺陷的超聲波探傷［J］.無(wú)損檢測(cè)，2008(10):34-36.

［4］趙仁順.超厚壁鋼管內(nèi)壁缺陷的超聲波探傷方法研究［J］.鋼管，2010(3):48-50.

［5］姚歡，馮挺，趙仁順，等.鉆鋌用厚壁鋼管超聲波探傷方法研究［J］.焊管，2009(12):25-28.

［6］范弘，賈慧明.厚壁承壓無(wú)縫鋼管自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)研究［J］.物理測(cè)試，2008(2):28-32.

［7］鞠巖.大直徑TC4鈦合金鑄錠冒口超聲波探傷方法［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(3):32-34.

［8］何春艷，朱康平，文寧，等.TC1鈦合金棒材超聲波檢測(cè)過(guò)程中未超標(biāo)異常波的分析［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2009，26(5):38-41.

［9］毛月娟，范寶臣.大徑厚壁管材超聲波檢測(cè)方法［J］.冶金分析，2010，30(增刊1):8-11.

［10］王海良，江立新，馬小懷，等.小徑薄壁鈦管探傷顫動(dòng)幅度對(duì)超聲波的影響［J］.無(wú)損探傷，2011(4):35-38.