低合金鋼板背面腐蝕坑的超聲波反射特性

殷尊 金敏華 張紅軍 王志剛 時彪

摘要：該文通過選用不同頻率、不同入射角度的平面透聲楔斜探頭以及制作的低合金鋼板腐蝕坑超聲檢測專用試塊，利用脈沖回波超聲檢測方法研究低合金鋼板背面腐蝕坑的超聲波反射特性。研究結果表明：低合金鋼板背面腐蝕坑超聲檢測所用平面透聲楔斜探頭的最佳頻率為5MHz，最佳入射角度為32°，可以有效檢測出的最小缺陷深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。該研究獲得低合金鋼板背面腐蝕坑最高的檢測靈敏度，同時能夠有效發(fā)現(xiàn)深度最小的腐蝕坑，可為低合金鋼板背面腐蝕坑提供一種有效的檢測方法，確保低合金鋼板背面的檢測質(zhì)量滿足要求。

關鍵詞：低合金鋼;腐蝕坑;超聲反射;探頭;檢測

中圖分類號：TB553 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0153-06

收稿日期：2018-11-27;收到修改稿日期：2019-03-01

基金項目：中國電力國際有限公司科技項目（CPIH201705）

作者簡介：殷尊（1983-），男，陜西乾縣人，高級工程師，碩士，主要從事火力發(fā)電機組的金屬監(jiān)督檢驗、分析與評價方面的研究工作。

0 引言

現(xiàn)階段，國內(nèi)外腐蝕坑缺陷的無損檢測技術主要有低頻電磁檢測技術和超聲檢測技術，超聲檢測技術包括超聲導波檢測技術和脈沖回波超聲檢測技術。

低頻電磁檢測技術使用離散的激勵和接收傳感器，在較低的頻率（≤10Hz）下激發(fā)產(chǎn)生一個交變電磁場，并穿透被測材料，根據(jù)缺陷產(chǎn)生機理研究出相應信息處理技術和顯示手段，從而得出缺陷信息[1-3]。影響低頻電磁檢測數(shù)據(jù)準確性的因素在實際操作過程中主要表現(xiàn)為兩種：其一是雜波污染，其二是探頭的檢測速度[4-6]。此外，低頻電磁檢測的精度低，對細小的腐蝕坑無法進行準確檢測，能檢測出的最小缺陷為深度為壁厚30%的點蝕[7-10]。

超聲導波檢測技術利用探頭發(fā)射超聲導波（低頻扭曲波或縱波），此導波充斥整個圓周方向和整個管壁厚度向遠處傳播，當遇到管子內(nèi)外壁腐蝕或缺陷引起的金屬缺損時，由于管道橫截面（厚度）發(fā)生改變，在缺損處會有反射波返回，通過分析該反射信號即可探知管道的內(nèi)外部缺陷位置、大小和腐蝕狀況[11-15]。超聲導波使用的探頭檢測頻率一般為0.3～1MHz[16-18]，因此對單個缺陷的檢出靈敏度與通常使用頻率在1MHz以上的超聲檢測相比是比較低的，并且超聲導波檢出缺陷的定量只是近似的。

關于脈沖回波超聲檢測技術，劉雙行等[19]采用平面斜探頭和雙晶直探頭用于檢測Φ108mm×8mm管子內(nèi)壁腐蝕坑，采用斜探頭橫波探傷可以檢測出是否存在點腐蝕坑，其幅度也大致能夠測試腐蝕坑的大小。由于點腐蝕的危害性大小主要取決于其深度，故采用雙晶探頭測量其深度。關于腐蝕坑深度，采用頻率5MHz的雙晶探頭可有效測量，但對腐蝕坑的面積也有一定的要求，面積較小時，超聲波的反射較小，往往被周圍的基體所掩蓋，難以測量其深度。李萍等[20]認為超聲波檢測技術無損評價鍋爐管內(nèi)表面結焦層厚度是可行的，也可用于內(nèi)表面垢層的無損檢測。李曉紅等[21]研究支柱瓷絕緣子的超聲檢測有效性，試驗結果表明脈沖回波超聲檢測對瓷柱內(nèi)部缺陷有很好的檢測靈敏度。

綜合上述國內(nèi)外腐蝕坑缺陷的無損檢測技術，其中脈沖回波超聲檢測的靈敏度最高，發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力最強，且在檢修現(xiàn)場可抗雜波干擾，并便于手工操作。因此，有必要研究低合金鋼板背面腐蝕坑的超聲波反射特性，并開發(fā)適應于低合金鋼板背面腐蝕坑的超聲檢測技術，確保低合金鋼板背面的檢測質(zhì)量滿足要求。

1 試驗探頭和試塊

1.1 平面可拆卸式透聲楔斜探頭

常見的低合金鋼聲阻抗為4.53×10⁶kg/m²·s，有機玻璃聲阻抗最接近低合金鋼，聲透射率最高。在聲衰減方面，除聚苯乙烯外，有機玻璃最小。有機玻璃來源方便、價格經(jīng)濟及加工性能良好。因此，選用有機玻璃作為平面透聲楔材料。

圖1為可拆卸式平面透聲楔斜探頭示意圖，圖2為可拆卸式平面透聲楔斜探頭實物圖。選用頻率為1.25，2.5，5，7.5MHz，晶片尺寸為6mm×6mm的直探頭與可拆卸式平面透聲楔組合，兩者通過螺釘連接，在接觸區(qū)域涂抹耦合劑，可組合成可拆卸式平面透聲楔斜探頭。選用的1.25，2.5，5，7.5MHz直探頭發(fā)射的縱波在透聲楔中入射角氣分別為30°、32°、34°、 36°、38°、40°、42°、44°、46°、48°，縱波在透聲楔與工件界面經(jīng)波型轉(zhuǎn)換為橫波。

1.2 低合金鋼板腐蝕坑超聲檢測專用試塊

為了獲得腐蝕坑超聲檢測所用平面透聲楔斜探頭的頻率和入射角度的最佳參數(shù)，制作低合金鋼板腐蝕坑超聲檢測專用試塊，如圖3所示。低合金鋼板腐蝕坑超聲檢測專用試塊實物見圖4。試塊材質(zhì)為低合金鋼，規(guī)格長×寬×厚為500mm×400mm×4mm。為了模擬腐蝕坑實際形貌，加工的9個人工反射體均為半球孔，由半球形鉆頭制備而成，半球孔設計深度分別為0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0mm，直徑為深度的2倍，由淺到深依次均勻線性分布，半球孔相鄰距離50mm。

可拆卸式平面透聲楔斜探頭置于深度分別為0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0mm的半球孔背面上方位置依次找各自的最高反射波，探頭位置如圖3所示。

2 試驗結果分析

2.1 1.25MHz平面透聲楔斜探頭的腐蝕坑超聲檢測

利用1.25MHz平面透聲楔斜探頭在不同入射角度下對低合金鋼板專用試塊背面模擬腐蝕坑的9個半球孔進行超聲檢測，入射角度44°、46°、48°的斜探頭未明顯檢測到半球孔。1次反射波檢測到的不同半球孔深度一增益曲線如圖5所示。結果表明：該頻率下的斜探頭無法檢測出最小缺陷為深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）;該頻率下入射角度32°、34°的斜探頭檢測靈敏度余量較高，可以檢出的最小缺陷為深度為鋼板壁厚37.5%的半球孔（深度1.5mm）。這是由于低頻超聲檢測精度低、定位和定量測定的準確度有限。

2.2 2.5MHz平面透聲楔斜探頭的腐蝕坑超聲檢測

利用2.5MHz平面透聲楔斜探頭在不同入射角度下對低合金鋼板專用試塊背面模擬腐蝕坑的9個半球孔進行超聲檢測，1次反射波檢測到的不同半球孔深度一增益曲線如圖6所示。結果表明：該頻率下入射角度為30°、32°、34°、36°的斜探頭利用1次反射波可以檢測的最小缺陷均為深度為鋼板壁厚12.5%的半球孔（深度0.5mm），其中入射角度為34°、36°的2.5MHz斜探頭檢測靈敏度余量最高。入射角度為34°、36°的2.5MHz斜探頭在距深度0.5mm的半球孔50mm處采集到的典型波形分別見圖7、圖8，缺陷波的分辨較明顯。

2.3 5MHz平面透聲楔斜探頭的腐蝕坑超聲檢測

利用5MHz平面透聲楔斜探頭在不同入射角度下對低合金鋼板專用試塊背面模擬腐蝕坑的9個半球孔進行超聲檢測，1次反射波檢測到的不同半球孔深度一增益曲線如圖9所示。結果表明：入射角度為30°、32°、34°、36°、38°的 5MHz斜探頭利用1次反射波可以檢測的最小缺陷均為深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm），其中入射角度為32°、34°的5MHz斜探頭檢測靈敏度余量較高。入射角度為32°、34°的5MHz斜探頭在距深度0.2mm的半球孔50mm處采集到的典型波形分別見圖10、圖11，缺陷波的分辨較明顯。

2.4 7.5MHz平面透聲楔斜探頭的腐蝕坑超聲檢測

利用7.5MHz平面透聲楔斜探頭在不同入射角度下對低合金鋼板專用試塊背面模擬腐蝕坑的9個半球孔進行超聲檢測，1次反射波檢測到的不同半球孔深度一增益曲線如圖12。結果表明：入射角度為30°、32°、34°的7.5MHz斜探頭利用1次反射波可以檢測的最小缺陷均為深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm），其中入射角度為30°、32°的7.5MHz斜探頭檢測靈敏度余量較高。其余入射角度的7.5MHz斜探頭利用1次反射波能夠有效發(fā)現(xiàn)深度為0.5mm的半球孔。入射角度為30°、32°、34°的7.5MHz斜探頭在距深度為0.2mm的半球孔50mm處采集到的典型波形分別見圖13～圖15，缺陷波的分辨較明顯。

2.5 5MHz和7.5MHz平面透聲楔斜探頭的腐蝕坑超聲檢測對比

根據(jù)1.25，2.5，5，7.5MHz平面透聲楔斜探頭在低合金鋼板專用試塊背面模擬腐蝕坑的9個半球孔的超聲檢測研究結果，入射角度為320的5MHz和7.5MHz平面透聲楔斜探頭對專用試塊背面模擬腐蝕坑的半球孔檢測靈敏度較高，利用1次反射波可以檢測的最小缺陷均為深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。入射角度為32°的5MHz和7.5MHz平面透聲楔斜探頭利用1次反射波檢測到的不同半球孔深度-增益曲線如圖16所示，結果表明入射角度為32°的5MHz平面透聲楔斜探頭檢測靈敏度余量最高。

3 結束語

本文通過選用頻率分別為1.25，2.5，5，7.5MHz，入射角度分別為30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°、44°、46°、48°的平面透聲楔斜探頭，并制作低合金鋼板腐蝕坑超聲檢測專用試塊，利用脈沖回波超聲檢測方法研究了低合金鋼板背面腐蝕坑的超聲波反射特性，最終遴選出腐蝕坑超聲檢測所用平面透聲楔斜探頭的頻率和入射角度的最佳匹配參數(shù)，可以有效檢測最小缺陷深度為鋼板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。研究結果表明低合金鋼板背面腐蝕坑的脈沖回波超聲檢測靈敏度高，發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力強。由于脈沖回波超聲檢測在檢修現(xiàn)場可抗雜波干擾，并便于手工操作，本文的研究對于低合金鋼板背面腐蝕坑深度大小的定量檢測具有參考價值。

本文進行的低合金鋼板背面腐蝕坑超聲波反射特性研究工作基于不同腐蝕坑的深度大小，而不同腐蝕坑的面積大小對脈沖回波超聲檢測的影響程度正在開展研究，研究工作將致力于為低合金鋼板背面腐蝕坑提供一種最有效的檢測技術方法。

參考文獻

[1]宮延偉.低頻交變磁場測量技術研究及儀器開發(fā)[D].上海：上海交通大學，2010.

[2]焦敬品，常予，李光海，等.鐵磁構件內(nèi)外表面裂紋低頻漏磁檢測技術研究[J].儀器儀表學報，2016，37（8）：1808-1810.

[3]康宜華，武新軍.數(shù)字化磁性無損檢測技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：182-201.

[4]徐江，武新軍，康宜華.國外油管在線無損檢測技術的研究與應用現(xiàn)狀[J].石油機械，2006，34（5）：81-84.

[5]EDWARDS R S，SOPHIAN A，DDCON S，et al.Data fusionfor defect characterization using a dual probe system[J].Sensors and Actuators A：Physical，2008，144（1）：222-228.

[6]LI C Y，HEINEMANN P，SHERRY R Neural network andBayesian network fusion models to fuse electronic nose andsurface acoustic wave sensor data for apple defectdetection[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2007，125（1）：301-310.

[7]HORN D，MAYO W R.NDE reliability gains fromcombining eddy-current and ultrasonic testing[J].NDT&EInternational，2000，33（6）：351-362.

[8]SUKHIKH A V.Application of the magnetic saturationmethod for eddy-current inspection of spent fuel elementsfrom fast reactors[J].Atomic Energy，2007，102（2）：139-145.

[9]陸新元.承壓設備低頻電磁無損檢測技術研究[D].北京：北京化工大學，2016.

[10]宋凱，康宜華，張麗攀，等.鋼管磁特性對渦流檢測影響的研究進展[J].材料工程，2015，43（11）：106-112.

[11]MOREAU L，VELICHKO A，WILCOX P D.Accurate finiteelement modeling of guided wave scattering from irregulardefects D].NDT&E International，2012，45（6）：46-54.

[12]何存富，鄭明方，呂炎，等.超聲導波檢測技術的發(fā)展、應用與挑戰(zhàn)[J].儀器儀表學報學報，2016，37（8）：1713-1323.

[13]周邵萍，張蒲根，呂文超，等.基于導波的彎管裂紋缺陷的檢測[J].機械工程學報，2015，51（6）：58-60.

[14]朱力強，許西寧，余祖俊，等.基于超聲導波的鋼軌完整性檢測方法研究[J].儀器儀表學報學報，2016，37（7）：1603-1608.

[15]L■VSTAD A，CAWLEY P.The reflection of the fundamentaltorsional guided wave from multiple circular holes inpipes[J].NDT&E International，2011，44：553-562.

[16]SIQUERIRA M，（iATTS C，SILVA R.The use of ultrasonicguided waves and wavelets analysis in pipe inspection[J].Ultrasonics，2004，41（10）：785-797.

[17]KWUN H，KIM S Y，CHOI M S.Torsional guided-waveattenuation in coal-tar-enamel-coated buried piping[J].NDT&E International，2004，37（8）：663-665.

[18]ROSE J L.A baseline and vision of ultrasonic guided waveinspection potential[J].Journal of Pressure VesselTechnology，2002，124（3）：273-282.

[19]劉雙行，石慧寧，孫學海，等.管路彎管部位內(nèi)壁點腐蝕缺陷超聲檢測[J].無損探傷，2015，39（5）：42-44.

[20]李萍，譚家隆，郝靜燕，等.超聲無損檢測減壓爐加熱管內(nèi)表面結焦層[J].材料工程，2010，25（2）：10-12.

[21]李曉紅，王敏，昊敏，等.支柱瓷絕緣子的超聲檢測有效性[J].中國電機工程學報，2006，26（9）：159-162.

（編輯：莫婕）