超超臨界機(jī)組不銹鋼彎管縱向裂紋的超聲檢測研究

程鴻 孟永樂 殷尊

摘 要：本文采用自制的表面波探頭和大角度縱波探頭對高溫再熱器不銹鋼彎管的縱向裂紋進(jìn)行超聲檢測研究。根據(jù)高溫再熱器不銹鋼彎管的規(guī)格和材質(zhì)，研究了探頭設(shè)計(jì)原理、不銹鋼彎管的檢測原理、現(xiàn)場檢測工藝、缺陷波特征。結(jié)果表明：表面波探頭和大角度縱波探頭的結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁裂紋的檢出。

關(guān)鍵詞：不銹鋼彎管;縱向裂紋;表面波;大角度縱波

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0087-02

超超臨界機(jī)組由于參數(shù)的提高，使鍋爐的高溫受熱面需要有更好的抗蒸汽氧化、高溫強(qiáng)度、高溫塑性和可加工性等。本文采用表面波探頭和大角度縱波探頭對高溫再熱器不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋進(jìn)行超聲檢測研究，及時(shí)檢測出超超臨界機(jī)組不銹鋼彎管縱向裂紋的位置和大小，消除縱向裂紋引起的重大安全隱患，避免機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。

1 檢測原理

1.1 表面波檢測不銹鋼彎管外壁縱向裂紋原理

表面波是固體表面上存在的一種具有縱波和橫波雙重性質(zhì)的彈性波。表面波在傳播過程中碰到棱邊時(shí)，若棱邊曲率半徑大于5倍波長，表面波可不受到阻礙地完全通過，當(dāng)R逐漸變小時(shí)，部分表面波能量被棱邊反射，當(dāng)R≤λ（表面波波長）時(shí)反射能量最大。

不銹鋼彎管的半徑R為30mm，遠(yuǎn)大于5倍的表面波波長，因此表面波可以在不銹鋼彎管表面和近表面?zhèn)鞑ィㄈ鐖D1所示），當(dāng)不銹鋼彎管外壁存在裂紋時(shí)，會(huì)形成裂紋反射波。表面波對不銹鋼彎管外壁裂紋具有很高的檢測靈敏度，并且可以精確定位。

1.2 大角度縱波檢測不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋原理

如圖2所示大角度縱波探頭與常規(guī)斜探頭不同，當(dāng)晶片在有機(jī)玻璃透聲鍥中激發(fā)的縱波入射角為25～27.6°時(shí)，可同時(shí)產(chǎn)生三種聲束：（1）大角度縱波，包括一次縱波和變型縱波，其折射角均在70～90°;（2）爬波，包括外壁爬波和內(nèi)壁爬波，其折射角近似90°;（3）橫波，包括一次橫波和變型橫波，其折射角為30～33°。

2 探頭設(shè)計(jì)

2.1 探頭參數(shù)的設(shè)計(jì)

高溫再熱器不銹鋼彎管的平均壁厚為4.0mm，外徑為60mm，彎曲角度分別為60°、90°、120°;且現(xiàn)場彎管間距較小，給予的檢測空間受限制。

首先，表面波探頭和大角度縱波探頭的外殼和電氣接插件要小巧，設(shè)計(jì)的探頭在高溫再熱器管屏中的有限空間內(nèi)能自由移動(dòng)掃查。表面波探頭和大角度縱波探頭的透聲楔選用有機(jī)玻璃制作，有機(jī)玻璃材料常見，易加工、探測面進(jìn)行曲面修磨容易，在5MHz以下，通過它進(jìn)入不銹鋼彎管的聲能衰減不太嚴(yán)重，且有機(jī)玻璃與不銹鋼彎管耦合特性好，能方便、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)聲耦合。

2.2 探頭透聲楔曲面修磨

不銹鋼彎管曲率是影響耦合質(zhì)量的重要因素。不銹鋼彎管外壁是凸曲率面，探頭是從外壁檢測的，平面透聲楔與不銹鋼彎管只是線接觸，進(jìn)入不銹鋼彎管中的聲能量低，對檢測靈敏度有嚴(yán)重的影響。為了增加聲束進(jìn)入不銹鋼彎管的面積，本文必須將探頭透聲楔修磨成與不銹鋼彎管吻合的曲面，修磨工具為金相砂紙和Φ60mm小徑管。

3 人工缺陷設(shè)計(jì)

試塊材料選用外徑為Φ60mm的不銹鋼管，內(nèi)外壁人工槽寬度均為0.2mm，人工槽深度均為0.2mm，人工槽采用Φ0.18mm鉬絲進(jìn)行線切割制作。

4 超聲檢測

4.1 表面波檢測

4.1.1 表面波探頭掃描速度調(diào)整

為了能夠使表面波在不銹鋼彎管上傳播半周、缺陷定位準(zhǔn)確并能夠更好地區(qū)別缺陷波和偽缺陷波，聲程范圍取2：1較好。調(diào)整方法：將表面波探頭放置在試塊上，人工槽與表面波探頭的距離為彎管的半周長（95mm），找到人工槽的反射波，反復(fù)調(diào)整“調(diào)?！焙汀傲闫笔谷斯げ鄯瓷洳ǖ穆暢田@示為95mm，然后反復(fù)調(diào)整“范圍”，使人工槽反射波的前沿分別對準(zhǔn)熒光屏水平刻度“5”。

4.1.2 表面波檢測靈敏度的調(diào)整

將表面波探頭置于與人工槽距離為95mm的位置，調(diào)整“增益”使人工槽的反射波波幅為滿屏的80%。此時(shí)的增益值為表面波的檢測靈敏度（一般為60dB左右）。初檢時(shí)再增益10dB，作為掃查靈敏度。

4.1.3 表面波探頭的掃查方式

為發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管外壁的縱向裂紋，表面波傳播的方向要垂直于不銹鋼彎管軸線。將表面波探頭置于不銹鋼彎管兩側(cè)面各進(jìn)行一次探測，在探測過程中表面波探頭不做前后移動(dòng)，只需做左右移動(dòng)，并略轉(zhuǎn)動(dòng)角度3～5°為輔。在檢測時(shí)應(yīng)先以掃查靈敏度將整個(gè)不銹鋼彎管初檢一遍，發(fā)現(xiàn)裂紋后，在不銹鋼彎管表面上作出標(biāo)記。然后用檢測靈敏度進(jìn)行一次仔細(xì)檢查，以便確定裂紋的大小、位置和性質(zhì)。

4.1.4 縱向裂紋位置確定

在表面波探頭主要發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管外壁的縱向裂紋時(shí)，根據(jù)熒光屏上裂紋反射波的聲程值，只需用皮尺量測出表面波探頭前端至裂紋的距離，即可精確地定出裂紋的位置。

4.2 大角度縱波檢測

4.2.1 大角度縱波探頭掃描速度調(diào)整

大角度縱波探頭可同時(shí)發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁的縱向裂紋，為能確定缺陷的區(qū)域，要求聲程范圍取2：1較好。調(diào)整方法：將大角度縱波探頭放置在內(nèi)外表面人工槽試塊上，用外表面人工槽的反射回波調(diào)整，反復(fù)調(diào)整“調(diào)?！焙汀傲闫保乖摬ㄇ把貙?zhǔn)水平刻度“2”。在不改變?nèi)魏螀?shù)情況下，內(nèi)壁人工槽的反射波前沿則自動(dòng)對準(zhǔn)水平刻度“5”。在找到內(nèi)外表面的最大反射波時(shí)，人工槽距離探頭前端的水平距離為2～7mm。

4.2.2 大角度縱波檢測靈敏度的調(diào)整

利用內(nèi)外壁人工槽進(jìn)行調(diào)整。把大角度縱波探頭分別對準(zhǔn)內(nèi)外壁人工槽，使內(nèi)外壁人工槽反射波同時(shí)顯示在熒光屏上。由于外壁人工槽反射波波幅略高于內(nèi)壁人工槽，因此把內(nèi)壁人工槽反射波波幅調(diào)整為滿屏幕的80%，此時(shí)的增益值為檢測靈敏度（一般為55dB左右）。初檢時(shí)再增益10dB，作為掃查靈敏度。

4.2.3 大角度縱波探頭的掃查方式

為發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管的縱向裂紋，探頭激發(fā)的檢測聲束要垂直于彎管軸線。將大角度縱波探頭置于不銹鋼彎管表面，前后左右移動(dòng)探頭，并略轉(zhuǎn)動(dòng)角度3～5°為輔。一次掃查結(jié)束后，確保檢測聲束覆蓋全部不銹鋼彎管，避免有漏檢區(qū)域存在。發(fā)現(xiàn)缺陷后，在不銹鋼彎管表面上作出標(biāo)記。然后用檢測靈敏度進(jìn)行一次仔細(xì)檢查，以便確定缺陷的區(qū)域。

4.2.4 縱向裂紋區(qū)域確定

大角度縱波探頭可發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁的縱向裂紋，由于不銹鋼彎管壁厚較薄，在發(fā)現(xiàn)縱向裂紋時(shí)，距離探頭前端的水平距離2～7mm范圍即為縱向裂紋區(qū)域。但是無法精確定出裂紋的位置和深度。

5 缺陷波特征分析

HCbN，平均壁厚為4.0mm，外徑為60mm。經(jīng)超聲檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋反射波和偽缺陷波的特征如下：

表面波探頭檢測縱向裂紋時(shí)（裂紋形貌見如圖3所示），裂紋反射波的靜態(tài)波形為單束、尖銳、波寬較窄的波峰，其波幅均高于外壁人工槽，靜態(tài)波形如圖4所示?？v向裂紋的動(dòng)態(tài)波形為波幅隨著距離的增大而增大，用手觸摸裂紋時(shí)，裂紋反射波始終存在。

6 結(jié)語

表面波探頭和大角度縱波探頭的結(jié)合使用可以實(shí)現(xiàn)不銹鋼彎管內(nèi)外壁縱向裂紋的檢出。表面波探頭對外壁縱向裂紋可以精確定位，大角度縱波探頭可以檢出內(nèi)外壁裂紋，雖不能精確定位，但可確定裂紋的分布范圍。

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