中厚板超聲波測厚失真原因分析及防范措施

王　杰，楊公本，劉德紅，張子義，張明國

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司 爐卷項目部，山東 日照276800）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種中厚鋼板在鍋爐、壓力容器、海洋工程、核電、風(fēng)電、軍工、高層建筑、重型機械、模具制造等重大技術(shù)裝備制造領(lǐng)域用量越來越多，并隨著高層建筑、跨海橋梁、深海采油平臺、大型水電站等基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃興起，對鋼板的高強韌性、低屈強比、抗層狀撕裂、易焊接、耐候、耐腐蝕等多樣化的性能要求也越來越高。用戶在強調(diào)鋼板外觀質(zhì)量、力學(xué)性能的前提下，也十分關(guān)注鋼板的內(nèi)在質(zhì)量，NDT探傷檢驗和評級已不僅僅限于容器板、鍋爐板、Z向性能等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼板，許多用戶在驗貨時或加工使用前都已采用超聲波測厚對鋼板進(jìn)行檢測，從而對中厚板的內(nèi)在質(zhì)量控制提出了更高的要求。

1　超聲波檢驗與測厚

超聲波無損檢測的原理是探頭發(fā)射的超聲波，通過耦合劑在工件中傳播，遇到缺陷時反射回來被探頭接收，根據(jù)反射回波在熒光屏上的位置和波幅高低判斷缺陷的位置和大小。

超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。由于超聲波測厚儀使用簡便快速，近年來，用戶普遍采用超聲波測厚儀測量鋼板厚度，并以此作為鋼板厚度驗收標(biāo)準(zhǔn)。

反射式超聲波測厚儀測厚時，反射式數(shù)字顯示超聲波測厚儀只識別先接收到的第一個反射波，對于衍射后的回波、底波等不再考慮。直讀型測厚儀只要捕捉到一個返回來的足夠強的信號即進(jìn)行計算，不會確認(rèn)返回信號是否為真實的底波信號。

2　影響超聲測厚因素分析

在中厚板超聲波測厚失真的質(zhì)量投訴中，主要表現(xiàn)為超聲波測量數(shù)值與鋼板的實際厚度相差較大，甚至僅為實際厚度的1/2。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只明確鋼板厚度的測量公差，沒有明確測量工具的類型。通常產(chǎn)品出廠檢驗時使用板厚千分尺，而用戶采用超聲波測厚儀對鋼板進(jìn)行測厚。超聲波測厚儀測厚會受到測量時工件表面狀態(tài)、耦合情況以及鋼板的內(nèi)在質(zhì)量狀態(tài)等多種因素的影響和干擾。

2.1　影響測厚的外在因素

1）工件表面清理不徹底，會造成探頭與接觸面耦合效果差，反射回波低，甚至無法接收到回波信號。對于表面銹蝕、耦合效果極差的鋼板，可通過砂、磨、挫等方法對表面進(jìn)行處理，露出金屬光澤，使探頭與被檢鋼板通過耦合劑能達(dá)到很好的耦合效果。

2）鋼板加工后的工件曲率半徑太小，尤其是小直徑管狀或呈直角工件時，因常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點接觸或線接觸，聲強透射率低（耦合不好）?？蛇x用專用探頭（6 mm)，能較精確地測量管道等曲面材料。

3）被測鋼板因存儲不當(dāng)，會造成背面出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，尤其是鋼板與墊撐物之間會產(chǎn)生大量的腐蝕坑點。由于被測鋼板另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導(dǎo)致讀數(shù)無規(guī)則變化，在極端情況下甚至無讀數(shù)。

4）檢測面與底面不平行，聲波遇到底面產(chǎn)生散射，探頭無法接受到底波信號。

5）耦合劑用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達(dá)到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當(dāng)，將造成誤差或耦合標(biāo)志閃爍，無法測量。應(yīng)根據(jù)使用情況選擇合適的耦合劑種類。

6）探頭接觸面有一定磨損。常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度增加，導(dǎo)致靈敏度下降，從而造成顯示不準(zhǔn)確。

2.2　影響測厚的內(nèi)在因素

對厚鋼板而言，影響測厚（探傷）的內(nèi)在因素主要是鋼板內(nèi)部的缺陷，如：鋼板的分層、裂紋、氣泡、偏析、夾雜物和嚴(yán)重的組織不勻性、晶粒粗大等。超聲波在其中穿過時會產(chǎn)生嚴(yán)重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播，有可能使回波湮沒，造成不顯示。另外，當(dāng)鋼板冷成型加工后或是軋制后鋼板內(nèi)部有較大的殘余應(yīng)力，會對測厚時的聲速有一定的影響，并使聲波的傳播方向產(chǎn)生偏離，由此也會造成測量偏差。

1）鋼中夾雜物，由于鋼液凝固過程中，O、S、N與鋼液之間的平衡隨著溫度降低而移動，導(dǎo)致O、S、N的各種化合物的平衡常數(shù)相應(yīng)增大，從而形成各種非金屬化合物。除了個別情況下利用彌散強化分布的非金屬化合物作為形核點（如AlN），或者釘扎質(zhì)點（Nb、V、Ti的碳氮化物）以阻止晶粒長大之外，鋼中非金屬夾雜物通常被認(rèn)為是有害的，如果夾雜物出現(xiàn)富集或呈現(xiàn)大型夾雜顆粒就會影響超聲波的反射。

2）中心偏析，連鑄坯的中心偏析是指鋼液在凝固過程中，由于溶質(zhì)元素在固液相中的再分配形成了鑄坯化學(xué)成分的不均勻性，中心部位C、S、P含量明顯高于其他部位［1］。中心偏析往往與中心疏松和縮孔相伴存在。鋼中錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（1.2%以上）時，偏析和疏松會加劇，特別是Q345系列鋼板，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在1.30%～1.50%之間，形成偏析的趨勢更明顯。連鑄坯在后續(xù)軋制過程中由于加熱、變形及熱處理等工藝手段運用不充分，未能使其缺陷得到較好的改變，而繼續(xù)殘留在鋼板內(nèi)部。

3）鋼板的內(nèi)裂紋，由于是在鋼液凝固過程中產(chǎn)生的裂紋，也叫凝固裂紋。從結(jié)晶器下口拉出帶液芯的鑄坯，在彎曲、矯直和夾輥的壓力作用下，于凝固前沿薄弱的固液界面上沿一次樹枝晶或等軸晶界裂開，富集溶質(zhì)元素的母液流入縫隙中，因此這種裂紋往往伴有偏析線，也稱“偏析條紋”。產(chǎn)生原因是由于鋼中S、P等元素含量高以及鑄坯鼓肚等原因而形成的沿晶裂紋。這種裂紋在熱加工過程中是不能被徹底消除。

4）鋼板的帶狀組織，是指鋼板內(nèi)部中兩種組織組分呈條帶狀沿?zé)嶙冃畏较虼笾缕叫薪惶媾帕械慕M織。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻。

5）混晶，是指鋼材中存在的大小相差懸殊、粗細(xì)晶粒共存的組織形態(tài)，表現(xiàn)為金屬基體內(nèi)晶粒大小混雜，粗晶細(xì)晶混雜，細(xì)晶粒夾在粗晶粒之間，或表面為粗晶中心為細(xì)晶，也可能相反。異常粗大組織的聲阻抗與鋼板基體差異較大，會產(chǎn)生不同的反射和透射。

6）鋼板的分層，一是在軋制過程中由于壓下量不大疏松和縮孔沒有焊合，或者是由于其內(nèi)部被氧化而不能夠被焊合而形成分層［2］；二是由于中心偏析和中心疏松明顯的鑄坯，氫氣可被偏析和疏松捕集，夾雜物中也能存儲一定的氫，當(dāng)軋制時，缺陷部位被壓縮，使缺陷部位飽和的氫對基體施加壓力而產(chǎn)生局部應(yīng)力，在冷卻過程中相變的同時，H的溶解度下降，使得鋼中其過飽和度不斷增加，當(dāng)壓力大于基體強度時，會產(chǎn)生氫致裂紋，軋制成品后表現(xiàn)為內(nèi)部分層。

3　測厚失真防范措施

避免鋼板測厚通不過的措施主要從影響測厚的外部、內(nèi)部和用戶實際使用要求3方面著手，外部影響解決起來比較容易，只要在測試前對器材進(jìn)行校驗，處理好鋼板的上下表面、保持探頭的表面平滑，根據(jù)鋼板所處的狀態(tài)合理選用耦合劑或探頭，確保探頭與測試面實現(xiàn)無氣隙的耦合，就能避免影響。而內(nèi)在的影響因素則關(guān)系到鋼板的冶金、軋制、熱處理及加工制造時的諸多因素，也是影響鋼板測厚（探傷）的最為重要的方面。

3.1　外部措施

1）對懷疑內(nèi)部有組織嚴(yán)重不均勻或晶粒異常粗大的鋼板測試，可選用頻率較低的粗晶專用探頭（2.5 MHz）。

2）當(dāng)鋼板內(nèi)部存在缺陷（如夾雜、夾層等）時，顯示值約為公稱厚度的70%，此時可用超聲波探傷儀進(jìn)一步進(jìn)行缺陷檢測。

3）測厚探頭接觸面經(jīng)常會有一定的滑動，長期使用會使其表面粗糙度增加?？蛇x用500#砂紙打磨，使其平滑并保證平行度。如仍不穩(wěn)定，則考慮更換探頭。

4）當(dāng)鋼板加工成型后，成型鋼板內(nèi)側(cè)有沉積物，當(dāng)沉積物與鋼板聲阻抗相差不大時，測厚儀顯示值為鋼板厚度加沉積物厚度，這時需要清理內(nèi)側(cè)沉積物。

5）測量鋼板前準(zhǔn)確識別材料，選擇合適聲速。

3.2　改進(jìn)鋼板內(nèi)部質(zhì)量

3.2.1優(yōu)化冶煉工藝

1）嚴(yán)格控制鋼中夾雜物的含量、形態(tài)和分布以及裂紋、偏析、疏松等缺陷的程度。選擇合適的精煉方式，采用全程保護(hù)澆注，降低鋼中夾雜物含量。改變目前夾雜物單純依靠后處理的控制策略，采用全流程控氧工藝實現(xiàn)超低氧冶煉：采用鐵水“三脫”預(yù)處理工藝，實現(xiàn)高碳脫磷；用轉(zhuǎn)爐高碳出鋼工藝，降低轉(zhuǎn)爐終點鋼水氧含量；采用擋渣出鋼、爐渣改質(zhì)和沸騰出鋼工藝，控制下渣量≤3 kg/t，渣中FeO+MnO≤5%；開發(fā)RH平衡脫碳工藝，控制加鋁前CaO≤200×10-6；嚴(yán)格控制脫氧劑加入量和鋼水成分，實現(xiàn)對夾雜物成分和形態(tài)的有效控制。

2）控制好澆注溫度、拉坯速度、各段冷卻溫度，確保對弧精度和開口度，選用合適的保護(hù)渣，穩(wěn)定結(jié)晶器液面；控制好鑄坯的表面質(zhì)量，連鑄坯表面不得存在裂紋、夾渣及皮下氣泡等缺陷。

3）控制好結(jié)晶器內(nèi)腔尺寸和表面狀態(tài)及冷卻均勻性，連鑄坯的外觀形狀、尺寸偏差應(yīng)符合規(guī)定要求。

4）采用結(jié)晶器電磁制動及電磁攪拌技術(shù)，減弱鑄流沖擊，提高質(zhì)量。

3.2.2優(yōu)化軋制工藝

1）改善鋼板內(nèi)部缺陷：提高軋制溫度，增加原子擴散能力；降低軋制速度，增加擴散時間；增大道次變形量，獲得更強的壓應(yīng)力；加大輥徑，增加接觸弧長和壓應(yīng)力作用區(qū)。

2）確保變形滲透軋制的道次在軋制規(guī)程中合理安排。連鑄坯中心區(qū)附近存在的氣孔、微裂紋等鑄造缺陷，在足夠的壓縮變形率和壓應(yīng)力條件下，有些缺陷可被壓合，反之，在拉應(yīng)力作用下裂紋會擴展而導(dǎo)致探傷不合格。研究表明［3］，在板材軋制過程中，如果動態(tài)幾何參數(shù)滿足L/hm＞0.518（其中L為接觸弧，hm為變形區(qū)平均高度），則軋制中心缺陷將區(qū)域壓合。針對厚規(guī)格鋼板經(jīng)常遇到的探傷不合格問題，要把L/hm＞0.518作為優(yōu)化軋制規(guī)程的判據(jù)，如果參數(shù)L/hm＞0.518，則該道次軋制將使坯料中心氣孔等缺陷趨于壓合，否則將使上述缺陷形成的中心裂紋擴展［3］。

3）確保鋼板尤其是厚鋼板軋制壓縮比的要求。生產(chǎn)統(tǒng)計表明,采用同樣厚度的鑄坯原料生產(chǎn)不同厚度的鋼板時,隨著鋼板厚度的增加,壓縮比減小,探傷合格率也明顯下降。不同鋼種、不同用途的產(chǎn)品對壓縮比的要求不一樣，一般結(jié)構(gòu)鋼中厚板的壓縮比要＞3～5。

4）對一些成分復(fù)雜、合金含量高的厚鋼板軋后必須進(jìn)行緩冷處理，主要是防止鋼板表面和中心的溫度差引起裂紋，使軋制組織均勻化，脫除鋼板中的氫，防止針狀鐵素體的存在影響探傷檢查等。

5）要針對鋼板的用途和交貨狀態(tài)合理制定后續(xù)熱處理工藝，提高鋼板組織的“連續(xù)性、均勻性、一致性”，消除鋼板的內(nèi)應(yīng)力，減弱帶狀組織等不良組織形態(tài)的影響。

3.3　用戶訂貨時要明確技術(shù)要求

統(tǒng)計某鋼廠近年發(fā)生的Q345R容器板超聲波測厚數(shù)據(jù)異常的質(zhì)量投訴，發(fā)現(xiàn)投訴用戶訂購的鋼板均為非探傷要求板。而用戶訂購的保探傷Q345R板訂單中，則沒有出現(xiàn)超聲波測厚異常的質(zhì)量投訴。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，用戶若訂購保探傷鋼板，基本可以避免超聲波測厚異常的情況，而部分客戶為了降低采購成本，不訂購保探傷鋼板，導(dǎo)致鋼板超聲波測厚異常的質(zhì)量投訴頻發(fā)，既影響了用戶對鋼板的使用和工程工期，也給雙方帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4　測厚通不過鋼板的超聲探傷確認(rèn)

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.3—2005和GB/T 2970—2004規(guī)定了各級別鋼板允許存在的缺陷指示長度、指示面積和缺陷面積比例，還規(guī)定了單個缺陷指示面積不計的情況。由于標(biāo)準(zhǔn)中允許鋼板存在上述缺陷，使用測厚儀檢測厚度時，難免產(chǎn)生測量不準(zhǔn)現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)超聲波測厚不透時，不能作為判斷鋼板缺陷超標(biāo)的依據(jù)，應(yīng)增加測定點，擴大檢測面積，有疑問時用超聲波探傷儀查明鋼板內(nèi)部缺陷分布情況和尺寸及母材表面的傾斜度。重點放在兩個方面：

1）傾斜度，特別是靠近焊縫附近的傾斜度。與母材表面的夾角超過10°時，會危及使用安全（美國ASME中作了此規(guī)定）。當(dāng)夾層處于坡口處，焊接時會產(chǎn)生裂紋，危害也會更大，國內(nèi)已有此類事例教訓(xùn)。

2）靠近坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)應(yīng)重點進(jìn)行超聲波探傷，長形夾層應(yīng)嚴(yán)加控制。

5　結(jié)　論

超聲波測厚儀由于使用簡便、快捷，已成為用戶測量鋼板厚度的主要工具，然而超聲測厚是一種透射式測厚，雖能快速測量厚度，卻易受測定條件、鋼板內(nèi)在質(zhì)量以及其他因素綜合影響的干擾，并不能作為評價鋼板內(nèi)在質(zhì)量的規(guī)范手段。鋼廠一方面應(yīng)強化生產(chǎn)流程控制，提高鋼板內(nèi)在質(zhì)量；另一方面應(yīng)加強與用戶溝通，消除用戶在超聲波測厚方面的誤解，同時充分辨識用戶真實需求，制定合理的質(zhì)量控制和工藝規(guī)程，滿足用戶對鋼板內(nèi)在質(zhì)量的特殊需求。