用縱波直探頭測(cè)量新型耐熱鋼材料橫波聲速的方法

張紀(jì)周，袁世麗，何順開(kāi)

（北京巴布科克·威爾科克斯有限公司，北京 100043）

為了節(jié)約能源、提高發(fā)電效率、減少污染，超臨界、超超臨界發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)火電發(fā)展的必然趨勢(shì)。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)（溫度、壓力）和單機(jī)容量的增加，促進(jìn)了更高強(qiáng)度耐熱鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。目前在建的多臺(tái)超臨界、超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵部件（高溫集箱、主蒸汽管道等）都使用了P91、P92等新型耐熱鋼材料。

P91、P92鋼與普通碳素鋼材料的聲學(xué)特性存在很大差異。由于P91材料與普通碳素鋼材料的聲速不同，使得同一橫波斜探頭在兩種材料中的折射角度不同。因此，對(duì)P91對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，儀器掃描時(shí)間的校準(zhǔn)和橫波斜探頭K值的測(cè)定，不能只使用CSK－ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊。否則，會(huì)造成定位誤差，嚴(yán)重時(shí)極有可能發(fā)生漏檢及誤判的情況。檢測(cè)中，為避免上述情況，可以采用以下兩種方法：

（1）制作P91材料的CSK－ⅠA、CSK－ⅢA等專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)試塊。

（2）采用普通材質(zhì)試塊調(diào)試后，測(cè)定P91材料的橫波聲速，然后計(jì)算并修正。

理論上，使用與工件同種材料的標(biāo)準(zhǔn)試塊校準(zhǔn)更準(zhǔn)確，但是生產(chǎn)中卻并不適用，無(wú)法做到為每一種新材料做一種標(biāo)準(zhǔn)試塊，那樣也就失去了標(biāo)準(zhǔn)試塊的意義。相反，如果能在現(xiàn)有條件下測(cè)量出該材料的橫波聲速，那么用計(jì)算后修正的方法反而更適用。

使用數(shù)字超聲波探傷儀探傷時(shí)，聲速是影響探傷定位、定性的重要因素。只有準(zhǔn)確輸入被檢材料的橫波聲速，才能對(duì)缺陷的深度、位置進(jìn)行精確的測(cè)量。因此測(cè)試P91材料的橫波聲速cSP91是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在，必須選擇一種可以有效測(cè)試橫波聲速的方法。筆者介紹一種簡(jiǎn)單、可行同時(shí)又適用于大部分鋼材料的橫波聲速測(cè)試方法。

1 原理分析

1.1 單晶直探頭探傷中的變形橫波現(xiàn)象

在使用單晶直探頭對(duì)上下表面平行的鍛件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到在一次底波B1之前沒(méi)有任何缺陷回波，而在B1與二次底波B2之間及B2與三次底波B3之間……總存在著幅度很小且位置相對(duì)固定的回波。當(dāng)從鍛件的另一面檢測(cè)時(shí)，該回波仍然出現(xiàn)在B1后的相同位置。

很多人將其判斷為小缺陷波。當(dāng)然也有人不認(rèn)為是缺陷波，而將其解釋為側(cè)壁干涉、聲波疊加等現(xiàn)象。筆者覺(jué)得將其解釋為遲到波更合理。

所謂遲到波，即當(dāng)探頭置于細(xì)長(zhǎng)（或扁長(zhǎng)）工件或試塊上時(shí)，擴(kuò)散縱波波束在側(cè)壁產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為橫波，此橫波在另一側(cè)面又轉(zhuǎn)換為縱波，最后經(jīng)底面反射回到探頭，被探頭接收，從而在示波屏上出現(xiàn)一個(gè)回波。由于轉(zhuǎn)換的橫波聲程長(zhǎng)，波速小，傳播時(shí)間比直接從底面反射的縱波長(zhǎng)。因此，轉(zhuǎn)換后的波總是出現(xiàn)在第一次底波B1之后，故稱(chēng)遲到波。

可見(jiàn)，產(chǎn)生遲到波的必要條件就是波束擴(kuò)散。擴(kuò)散縱波波束傾斜入射側(cè)壁發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生變型橫波。那么試想擴(kuò)散縱波波束相對(duì)于底面同樣也屬于傾斜入射，因此必然也會(huì)產(chǎn)生變型橫波。

1.2 變型橫波產(chǎn)生原因分析

直探頭所發(fā)出的縱波也不是一條直線(xiàn)，而是以一定角度擴(kuò)散的錐形。那么，既然有擴(kuò)散，其自身也會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。以下以單晶直探頭（2.5P14Z）為例說(shuō)明此問(wèn)題。半擴(kuò)散角θ0的公式為：

式中：λ為波長(zhǎng)；Ds為晶片直徑。

已知探頭頻率f＝2.5MHz；晶片直徑Ds＝14mm；鋼中縱波聲速cL＝5 900m／s；鋼中橫波聲速cS＝3 230m／s。則，縱波波長(zhǎng)λL為：

縱波半擴(kuò)散角：

同理，橫波波長(zhǎng)：

橫波半擴(kuò)散角：

那么，可以認(rèn)為單晶直探頭（2.5P14Z）在鋼中產(chǎn)生的縱波聲束包含著一個(gè)同軸的橫波聲束，其半擴(kuò)散角約為6.4°，如圖1所示。該橫波由于能量非常微弱，通常不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。只有在檢測(cè)需要較高靈敏度的工件（如鍛件等）的情況下，才有可能被發(fā)現(xiàn)。

圖1 半擴(kuò)散角聲束示意

1.3 推導(dǎo)橫波聲速計(jì)算公式

將單晶直探頭 （2.5P14Z）置于 RB－Ⅲ 試塊40mm厚度位置，將儀器靈敏度調(diào)整為80%B1＋30 dB。在一次底波B1和二次底波B2之間出現(xiàn)兩個(gè)波幅相對(duì)較小的回波BLS和BSS，如圖2所示。以下逐一分析B1、B2、BLS和BSS四個(gè)回波的路徑，其對(duì)應(yīng)的深度值分別為 HB1，HB2，HBLS和 HBSS。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)試塊的波形

圖3為一次底波B1的回波路徑?？梢?jiàn)，B1回波是縱波聲束在試件中往復(fù)形成的，聲程是試件厚度H的兩倍。超聲波探傷儀記錄的聲程（深度）都是單程。所以，B1的顯示深度正好為試件的厚度。用公式可表示為：

推導(dǎo)可得：

圖3 B1回波路徑

圖4為BLS的回波路徑圖?？梢?jiàn)，BLS回波包括縱波與橫波，其能量為變型縱波與變型橫波之和。由于包含了橫波的成分，其回波時(shí)間滯后于縱波的一次反射波B1。用公式可表示為：

推導(dǎo)可得：

代入式（2）得：

圖4 BLS回波路徑

圖5為BSS的回波路徑圖?？梢?jiàn)，BSS為橫波產(chǎn)生的回波，不包含縱波的成分。因此，其往復(fù)時(shí)間要長(zhǎng)于包含縱波的BLS，回波的位置也滯后于BLS。用公式可表示為：

推導(dǎo)可得：

代入（1）式得：

圖6為二次底波B2的回波路徑圖?？梢?jiàn)，B2回波是縱波聲束在試件中往復(fù)兩次形成的，聲程是

圖5 BSS回波路徑

圖6 B2回波路徑圖

試件厚度H的四倍。其顯示深度為試件厚度的兩倍。用公式可表示為：

推導(dǎo)可得：

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

儀器選用HS610，HS610eA型脈沖反射式數(shù)字超聲波探傷儀。探頭為單晶直探頭2.5P14Z。試塊為CSK－ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊；CSK－ⅠB標(biāo)準(zhǔn)試塊。試件為 φ447.5mm×65mm 的 P91鋼 管；φ773.5mm×146.5mm的P92鋼管。輔助工具為游標(biāo)卡尺。

2.2 驗(yàn)證過(guò)程

（1）將探頭置于普通 CSK－ⅠA 標(biāo)準(zhǔn)試塊100mm處，采用自動(dòng)調(diào)校的方式調(diào)整掃描時(shí)間為1：1，從而得到該探頭的零偏值L0。所謂探頭零偏值，即超聲波在探頭內(nèi)從晶片至接觸面的傳播時(shí)間。

（2）用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量P91試件的厚度H。

（3）將探頭放置于P91試件的表面并調(diào)整掃描范圍至能夠顯示出二次底波B2。

（4）將L0輸入儀器參數(shù)，用閘門(mén)圈住一次回波B1，調(diào)整儀器的聲速值，當(dāng)儀器顯示B1的深度值HB1與P91試件的實(shí)際厚度H相吻合時(shí)，此時(shí)的聲速即為P91鋼實(shí)際的縱波聲速cLP91。

（5）提高儀器增益30dB以上，使得B1與B2之間出現(xiàn)回波BLS和BSS。用閘門(mén)圈住BLS或BSS，記下儀器顯示深度HBLS或HBSS。

（6）利用公式（3）或（4）來(lái)計(jì)算P91鋼的橫波聲速，得：

通常BSS的波幅遠(yuǎn)低于BLS，甚至由于試件表面粗糙度或晶粒度的原因而沒(méi)有明顯的BSS。因此大多數(shù)的情況下要以式（3）來(lái)計(jì)算橫波聲速。值得注意的是，在讀取回波B1，BLS及BSS的顯示深度時(shí)，必須使得其波高達(dá)到相同的波幅（通常選擇80%），以盡可能地減小誤差。

以CSK－ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊為例進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量CSK－ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊實(shí)際厚度H＝25mm。

（2）如圖7（a）所示，用閘門(mén)圈住一次回波B1，調(diào)整儀器的聲速值，使得B1的顯示深度HB1＝H＝25mm，讀取此時(shí)的縱波聲速cL＝5 956m／s。

（3）如圖7（b）所示，用閘門(mén)圈住回波BLS，自動(dòng)增益到與B1同一幅度，讀取回波BLS的深度HBLS＝35.4mm。代入式（3）求得試塊中的橫波聲速cS：

同理對(duì) CSK－ⅠB標(biāo)準(zhǔn)試塊、P91鋼管φ447.5mm×65mm、P92 鋼管φ773.5mm×146.5mm試件的驗(yàn)證結(jié)果如表1。

2.3 結(jié)果分析

由上述結(jié)果可知：

（1）標(biāo)準(zhǔn)試塊為普通碳鋼的橫波聲速為3 251m／s，與已知的碳鋼、低合金鋼橫波聲速實(shí)際橫波聲速3240m／s相差不大；同種材料的兩種標(biāo)準(zhǔn)試塊，所測(cè)的橫波聲速也不相同。（2）P91鋼橫波聲速為3308m／s；P92鋼橫波聲速為3284m／s。試驗(yàn)誤差會(huì)對(duì)聲速的測(cè)量有一定的影響。產(chǎn)生的原因有：

（1）儀器的水平線(xiàn)性存在誤差，例如儀器的水平線(xiàn)性誤差為小于0.1%。

圖7 CSK－ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊回波

表1 驗(yàn)證橫波聲速結(jié)果

（2）試塊加工時(shí)存在誤差，試塊允許存在0.05%的加工誤差。

（3）不同儀器之間數(shù)／模轉(zhuǎn)換方式不同引起的誤差。

（4）儀器產(chǎn)生超聲波時(shí)觸發(fā)和振鈴時(shí)間的不同造成的差異，都可能引起測(cè)試誤差。

3 應(yīng)用實(shí)例

檢測(cè)人員在對(duì)材質(zhì)為P91的集箱管座角焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，選用K2橫波斜探頭（實(shí)測(cè)K＝1.97）檢測(cè)集箱管座角焊縫（規(guī)格為φ325mm×64mm）。在管座上大約3點(diǎn)的位置，檢測(cè)到一個(gè)超標(biāo)缺陷（顯示深度為62mm，指示長(zhǎng)度為40mm）。通過(guò)筆者闡述的測(cè)試方法測(cè)出P91材料的橫波聲速cS913 313m／s，而鋼中橫波聲速cs鋼＝3 237m／s。兩種聲速下計(jì)算所得折射角分別為β鋼＝63.1°，βP91＝65.9°。

對(duì)于儀器指示深度H＝62mm處的缺陷，則儀器指示的聲程為：

儀器指示的水平位置為：

而缺陷在P91材料中的實(shí)際聲程為：

缺陷在P91材料中實(shí)際深度為：

缺陷在P91中的實(shí)際水平位置：

可見(jiàn)缺陷的實(shí)際位置與儀器指示位置相比深度差：ΔH＝57.2－62＝－4.8mm；水平差ΔL＝128－122.2＝5.8mm。

即，缺陷的實(shí)際深度比顯示深度淺了4.8mm，缺陷的實(shí)際水平距離比顯示水平距離遠(yuǎn)了5.8mm。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用推薦的橫波聲速測(cè)量方法與其它方法相比，操作簡(jiǎn)單、方便，最大限度地排除了人為誤差，可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量出超聲波檢測(cè)中所需要的不同鋼種的橫波聲速，能保證超聲波檢測(cè)缺陷定位的準(zhǔn)確性，尤其對(duì)較厚部件根部缺陷進(jìn)行定位時(shí)，減少誤判。此方法的優(yōu)點(diǎn)歸納為：

（1）針對(duì)不同材料的工件無(wú)需制作不同的試塊，無(wú)需對(duì)材料進(jìn)行取樣加工。

（2）檢測(cè)結(jié)果不受材料的批次及環(huán)境溫度對(duì)聲速影響的限制。

（3）對(duì)于薄板的檢測(cè)，考慮近場(chǎng)區(qū)的影響，可以適當(dāng)延長(zhǎng)掃描時(shí)間，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

（4）對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法測(cè)量工件厚度的情況，可按工件公稱(chēng)厚度計(jì)算。

（5）由于材料不同引起的衰減問(wèn)題可以按JB／T 4730－2005標(biāo)準(zhǔn)［2］所提出的方法來(lái)測(cè)試并加以修正。

［1］ 鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)（第二版）［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

［2］ JB／T 4730－2005 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)［S］.