在役回轉(zhuǎn)窯托輪表面波檢測(cè)裂紋深度的判定Judgem ento fWave De tec tion for Crack Dep tho fRiding Whee lSurfa ceo fRo ta ry Kiln in Se rvice

劉　翔

在役回轉(zhuǎn)窯托輪表面波檢測(cè)裂紋深度的判定
Judgem ento fWave De tec tion for Crack Dep tho fRiding Whee lSurfa ceo fRo ta ry Kiln in Se rvice

劉翔

超聲表面波能有效檢測(cè)出托輪的表面裂紋，但由于其裂紋很淺且目前的超聲波儀器無(wú)法對(duì)裂紋的深度進(jìn)行直接讀數(shù)，因此托輪表面裂紋深度的判定一直是困擾檢測(cè)工作者的難題。通過(guò)計(jì)算得出表面波檢測(cè)中的裂紋深度當(dāng)量d和回波分貝差△的關(guān)系曲線，并將其應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)在役回轉(zhuǎn)窯托輪檢測(cè)中，取得了良好的效果。

托輪；表面檢測(cè)波；裂紋深度；粗糙度

托輪是回轉(zhuǎn)窯的核心部件，在工作中受到各種循環(huán)應(yīng)力的作用，如扭轉(zhuǎn)、剪力、接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力等，表面極易產(chǎn)生各種熱疲勞裂紋，這些熱裂紋是一種危險(xiǎn)缺陷，依據(jù)GB/T23904-2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，必須對(duì)其進(jìn)行打磨清除，否則極易發(fā)生掉肉事故。

1　表面波的傳播和聲速

表面波又稱瑞利波，它對(duì)表面裂紋類缺陷的檢出率很高，因此常常被用來(lái)檢測(cè)托輪的表面及近表面缺陷。表面波在傳播時(shí)，介質(zhì)表面層的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有縱波和橫波質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的綜合特性，它所激發(fā)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，可分解為垂直于表面（長(zhǎng)軸）和平行于傳播方向（短軸）的兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，在與傳播方向垂直的平面內(nèi)無(wú)質(zhì)點(diǎn)位移，如圖1所示。

圖1　表面波傳播示意圖

表面波的傳播速度為：

式中：

CR——表面波聲速

σ——介質(zhì)泊松比

G——介質(zhì)的切變彈性模量

ρ——介質(zhì)密度

CS——橫波聲速

表面波在傳播過(guò)程中容易受到油、粗度、圓柱率的影響。因此，必須對(duì)待測(cè)的托輪進(jìn)行清洗并達(dá)到GB/ T23904-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求才能檢測(cè)。此外，筆者在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在表面波檢測(cè)過(guò)程中時(shí)常會(huì)遇到因?yàn)橹貜?fù)頻率過(guò)高而產(chǎn)生的“幻想波”，該波能夠通過(guò)降低重復(fù)頻率來(lái)消除。

2　表面裂紋深度與增益值關(guān)系的計(jì)算

理論分析與實(shí)踐證明，在表面波探傷中，可以以工件本身的直角棱邊反射波為基礎(chǔ)作適當(dāng)增益，即可以對(duì)托輪進(jìn)行檢查，此時(shí)的直角棱邊可以看作無(wú)限長(zhǎng)和無(wú)限深的裂紋。對(duì)于鋼材，直角棱邊反射波的波高和有限長(zhǎng)度、有限深度裂紋反射波的波高之比，以及相同長(zhǎng)度、不同深度裂紋反射波的波高與裂紋反射波的波高之比，可由式（2）表示：

式中：

HB——直角棱邊反射波高

Hf——所測(cè)裂紋反射波高

L——欲探測(cè)的最小裂紋

n——欲探測(cè)的最小裂紋深度d與波長(zhǎng)λ之比，即n=d/λ

x——為反射波至聲源的距離

λ——波長(zhǎng)

a、b′、c——與介質(zhì)彈性性質(zhì)有關(guān)，決定于泊松比σ的常數(shù)，可利用彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)求得

z——觀察點(diǎn)距表面的深度

△——直角棱邊反射回波與所測(cè)裂紋反射回波分貝差

對(duì)于鋼，σ=0.29，利用彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)可以求得：a=5.429，b′=1.750，c=2.376。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，選用f= 2.5MHz表面波探頭，其中λ=1.16mm，d=0.2，L=6.5mm，探測(cè)距離取x=100mm。利用式（2），選取不同的裂紋深度d值計(jì)算出其相應(yīng)的HB/Hf，然后利用式（3）計(jì)算出其相應(yīng)的回波分貝差△值，結(jié)果列于表1中，并得出相應(yīng)的回波分貝差△與裂紋深度d的關(guān)系模擬曲線，見圖2。

表1　不同的裂紋深度值d對(duì)應(yīng)的回波分貝差△及其實(shí)測(cè)值

圖2　裂紋深度d與△值關(guān)系的模擬曲線

為了驗(yàn)證結(jié)果，現(xiàn)分別制作深度為0.5mm、0.7mm、1.0mm和2mm，長(zhǎng)度為6.5mm的溝槽試塊，試塊長(zhǎng)200mm，寬為50mm。首先以試塊的邊緣為基準(zhǔn)，在距離邊緣100mm處調(diào)整最高波為80%，并記錄增益值為HB1；其次分別在距離溝槽100mm處調(diào)整最高波至80%，并記錄此時(shí)的增益值為HB2；最后將不同深度所對(duì)應(yīng)的△實(shí)測(cè)= HB2-HB1記錄于表中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該值比計(jì)算值＜2～3dB，可能是由于溝槽的發(fā)射率比裂紋的發(fā)射率小的緣故。

3　檢測(cè)靈敏度調(diào)整方法

檢測(cè)時(shí)，首先以工件本身的直角棱邊為基礎(chǔ)，表面波方向垂直于端面，使端面反射波最高波達(dá)到屏幕的80%，并記錄該HB1值，然后根據(jù)需要，按照?qǐng)D2增益相應(yīng)的△值，即完成靈敏度的調(diào)整。調(diào)整好靈敏度后，若探傷發(fā)現(xiàn)有缺陷信號(hào)，首先移動(dòng)探頭，使缺陷反射波位于探頭前沿100mm，調(diào)整衰減器使缺陷波峰降到滿屏的80%，記錄此時(shí)HB2的讀數(shù)，最后根據(jù)HB2-HB1的值即可在圖2中查得裂紋的深度d，此時(shí)的裂紋深度相當(dāng)于長(zhǎng)度為6.5mm裂紋的深度。

4　結(jié)論

（1）托輪表面粗度對(duì)表面波檢測(cè)靈敏度的影響最大，實(shí)際檢測(cè)中最好對(duì)不同粗糙度的托輪進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

（2）GB/T23904-2009標(biāo)準(zhǔn)中的表面波檢測(cè)靈敏度相當(dāng)于檢測(cè)當(dāng)量為長(zhǎng)L=6.5mm，深d=1mm的裂紋靈敏度。

TQ172.622.29

A

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