中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測(cè)方法研究

武金明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429）

氫致延遲裂紋是冷裂紋的一種，其主要是因?yàn)楹缚p 金屬中氫含量、塑性儲(chǔ)備及應(yīng)力狀態(tài)等綜合因素作用下 而產(chǎn)生的一種焊接裂紋。具有孕育期的冷裂紋稱為延遲 裂紋。這類裂紋具有潛伏期、緩慢擴(kuò)展期和突然斷裂期 三個(gè)階段。一般認(rèn)為，潛伏期和緩慢擴(kuò)展期與氫的聚集 與擴(kuò)散有關(guān)，所以又稱氫致延遲裂紋。這類裂紋可能在 焊后數(shù)小時(shí)、數(shù)天或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。中厚鋼板容器容 易出現(xiàn)這種裂紋[1]。

傳統(tǒng)的中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測(cè)，是依靠經(jīng)過訓(xùn)練的、專業(yè)的檢驗(yàn)人員，以肉眼觀察結(jié)合敲擊辨聲的方法開展[2]。中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測(cè)主要問題有以下幾個(gè)方面，首先傳統(tǒng)檢測(cè)僅依靠人的視覺和聽覺來觀察數(shù)量龐大的中厚鋼板，所以在裂紋檢查時(shí)工作量 大，需要相當(dāng)數(shù)量的人力、物力。第二，即使是不考慮人力、物力條件，檢測(cè)速度仍難以接受，所以檢測(cè)需要大量的時(shí)間，消耗的時(shí)間多，效率低下。第三，受檢查者個(gè)人的認(rèn)知和主觀因素影響，檢測(cè)出的數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)有很大偏差，而且不同的檢測(cè)人員基于不同的標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致不同的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生，檢測(cè)準(zhǔn)確率的不可控因素 多，可靠性較差。第四，存在待檢鋼板離地較高，鋼板厚重，會(huì)威脅到檢驗(yàn)員人身安全，危險(xiǎn)系數(shù)高。最后， 價(jià)格方面，使用大量的人力、物力的結(jié)果必定會(huì)增加檢測(cè)成本。所以，中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測(cè)方法的研究，將為人們的健康安全提供一定的技術(shù)保障，對(duì)于其安全穩(wěn)定運(yùn)行也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 快速檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問題對(duì)中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測(cè)進(jìn) 行研究，發(fā)現(xiàn)厚重鋼板的氫致延遲裂紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的 工作環(huán)境較復(fù)雜，外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾較大因此設(shè)計(jì) 出了以超聲波、雷達(dá)、激光及沖擊回波相結(jié)合的方案。 利用超聲波的檢測(cè)屬于接觸式的無損檢測(cè)方法，是一種新型無損檢測(cè)方法，其原理是通過產(chǎn)生超聲波發(fā)射 到鋼板介質(zhì)上，通過接收和測(cè)量反射波的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷中厚鋼板內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否一致。這種檢測(cè)方法 的精度與選用的超聲波工作頻率相關(guān)，精度隨工作頻率 的升高而升高。

雷達(dá)波是最近幾年發(fā)展起來的一種高效淺層物理 探測(cè)技術(shù)，其原理是高頻電磁波的傳播速度變化特性。雷達(dá)波由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源振動(dòng)產(chǎn)生，向鋼板垂直表面方向發(fā) 射電磁波。雷達(dá)波的傳播滿足波動(dòng)理論，其速度與傳播路徑的材質(zhì)有關(guān)，不同的材質(zhì)介電常數(shù)不同，雷達(dá)波傳 播速度會(huì)產(chǎn)生差異。如果厚重鋼板表面或內(nèi)部有氫致延 遲裂紋時(shí)，裂紋會(huì)改變?cè)搮^(qū)域的介電常數(shù)，雷達(dá)波正常 的傳播路徑改變，會(huì)有反射波和散射波產(chǎn)生，采樣反射 波信號(hào)的波形、傳播速度等參數(shù)，通過分析檢測(cè)厚重鋼板的材質(zhì)均勻性，發(fā)現(xiàn)裂紋。圖 1 是雷達(dá)波在中厚鋼板結(jié)構(gòu)和各層反射的波形原理圖。

圖1 雷達(dá)波在中厚鋼板結(jié)構(gòu)和各層反射的波形原理圖

激光作為一種特殊的光，具有色度單一、方向性好、相干性好和衍射性好的特點(diǎn)，是理想的光學(xué)檢測(cè)手段。 掃描器勻速、平穩(wěn)的掃過鋼板表面，鋼板表面的反射光體現(xiàn)了其平滑程度，使用光接收器以特定角度接收反射光，如果鋼板表面存在裂紋，接收到的反射光光線強(qiáng)度出現(xiàn)差異，通過定位這些光線強(qiáng)度差異的位置，即可發(fā)現(xiàn)鋼板表面的裂紋[3]。因此激光掃面是檢測(cè)鋼板表面氫致延遲裂紋最直觀的方法。

沖擊回波是一種無損檢測(cè)方法?；跈C(jī)械應(yīng)力波在固體介質(zhì)中傳播原理的[4]，當(dāng)應(yīng)力波遇到氫致延遲裂紋，由于波阻抗發(fā)生改變會(huì)產(chǎn)生反射。氫致延遲裂紋的多重反射會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，通過探測(cè)這些波動(dòng)的位置就可確定出現(xiàn)氫致延遲裂紋的位置。

2 快速檢測(cè)方法迭代優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)安全、快速、低缺陷的氫致延遲裂紋檢測(cè)， 針對(duì)上文檢測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

超聲波檢測(cè)法的超聲波傳播距離短，范圍較小，不能檢測(cè)鋼板表面氫致延遲裂紋缺陷，并且需要有參考評(píng) 定標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果檢測(cè)不清晰，所以對(duì)操作人員的技術(shù)水平 要求很高，因此限制了對(duì)中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測(cè)應(yīng)用。針對(duì)該問題，建立了樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，以直觀的方式自動(dòng)對(duì)比合格判據(jù)給出結(jié)果，簡(jiǎn)化操作流程與檢測(cè)技術(shù)要求。

雷達(dá)波檢測(cè)法只能目視判讀，還是在定性層面上停留。其缺點(diǎn)是檢測(cè)效率低，速度緩慢，并且外界干擾因素較多。為彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，需要將雷達(dá)波檢測(cè)的結(jié)果量化、標(biāo)準(zhǔn)化，脫離經(jīng)驗(yàn)的束縛。沖擊回波檢測(cè)法同樣存在分辨率偏低，檢測(cè)過程慢的缺點(diǎn)，并且對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求高，操作人員必須通過長(zhǎng)期的積累才能勝任。解決這一矛盾的方法是借助信息技術(shù)，建立不同厚度鋼板的回聲樣本庫(kù)，自動(dòng)判別， 為檢測(cè)提供高效的自動(dòng)化手段。激光檢測(cè)法的設(shè)備體積一般偏大，需要定期維護(hù)保 養(yǎng)，專用光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，外界因素干擾會(huì)影響光路的準(zhǔn)直性，并且系統(tǒng)組成復(fù)雜，較為脆弱。針對(duì)該問 題，采用光路防護(hù)方法保護(hù)激光源，充分利用激光檢測(cè) 的精確性和快速性特點(diǎn)，將激光檢測(cè)法應(yīng)用于大型鋼板 的檢測(cè)中，“因地制宜，因材施法”。

3 中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測(cè)方法試驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)新型檢測(cè)手段方法的優(yōu)化升級(jí)改造，重新完 善了中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測(cè)方法后，對(duì)比傳 統(tǒng)中厚鋼板的氫致延遲裂紋檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其實(shí) 驗(yàn)結(jié)果曲線如圖 2 所示。

圖2 傳統(tǒng)檢測(cè)方法與快速檢測(cè)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

圖 2 中虛線代表快速檢測(cè)方法測(cè)量中厚鋼板的氫致延遲裂紋數(shù)，實(shí)線代表傳統(tǒng)方式檢測(cè)的厚重鋼板的氫致 延遲裂紋數(shù)，橫軸為被測(cè)量的厚重鋼板個(gè)數(shù)，縱軸為以 兩種方法測(cè)量出的氫致延遲裂紋數(shù)。從圖 2 中可以看出快速檢測(cè)法測(cè)量出的裂紋明顯多于傳統(tǒng)模式下氫致延 遲裂紋檢測(cè)數(shù)，且在厚重鋼板數(shù)量不斷增加時(shí)，傳統(tǒng)檢 測(cè)方法受到外界因素限制無法檢測(cè)出更多的裂紋。綜上 所述快速檢測(cè)法更能在實(shí)際操作中發(fā)揮作用，并且克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，使厚重鋼板的氫致延遲裂紋的 檢測(cè)更高效，準(zhǔn)確率更高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的中厚鋼板的氫致延遲裂紋快速檢測(cè)方法綜 合利用高新技術(shù)手段，結(jié)合試驗(yàn)及圖像分析，給出結(jié)果， 對(duì)比傳統(tǒng)人工操作，操作便捷性、結(jié)果準(zhǔn)確性大幅提升。 隨著新技術(shù)、新手段的開發(fā)，檢測(cè)的需求還將不斷提升， 對(duì)新方法的研究與探索也不會(huì)止步，更低成本、快速、準(zhǔn)確、便捷的檢測(cè)方法是永恒的追求目標(biāo)。