閥門鑄鋼件異形結(jié)構(gòu)區(qū)域的相控陣超聲檢測

蘇宣機(jī)

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院, 福州 350008)

鑄鋼閥門因設(shè)計(jì)靈活、成本低廉，在電力、石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于工藝制定與實(shí)際操作存在偏差，閥門鑄鋼件在生產(chǎn)過程中難免會(huì)產(chǎn)生氣孔、縮孔、夾砂、裂紋等缺陷，這些缺陷使閥體相應(yīng)的有效承載面積減小，而且在應(yīng)力作用下缺陷會(huì)擴(kuò)展，甚至?xí)?dǎo)致閥體斷裂，對(duì)閥門運(yùn)行造成巨大的安全隱患。對(duì)用于承壓設(shè)備的鑄鋼閥門，為確保其質(zhì)量，一般要求采用相應(yīng)的方法進(jìn)行檢測，但鑄鋼件一般為一次澆鑄成形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度比多樣化，傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)有較大的局限性，難以實(shí)施檢測。例如采用射線檢測方法檢測結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件時(shí)存在膠片布置困難、壁厚不均勻的工件曝光時(shí)間難以控制、壁厚較大的工件射線無法穿透等問題。采用常規(guī)超聲檢測存在缺陷定性定量困難[1]、結(jié)構(gòu)回波難以區(qū)別判斷、狹窄區(qū)域、探頭掃查位置不足等問題。另外，常規(guī)超聲檢測是以脈沖波來判斷工件是否有缺陷及缺陷的大小、位置，沒有影像記錄留存，要求檢測人員既要有高超的檢測技能，又要有強(qiáng)烈的責(zé)任心，否則難以保證檢測質(zhì)量。磁粉檢測、滲透檢測只能檢出表面、近表面缺陷，無法檢測埋藏缺陷。因此，開展閥門鑄鋼件異形結(jié)構(gòu)區(qū)域的相控陣超聲檢測技術(shù)研究具有重要意義。筆者分別從相控陣超聲檢測的試件選擇，材料特性試驗(yàn)和檢測試驗(yàn)入手，對(duì)WCB(鑄造碳鋼)材料閥門鋼鑄件異結(jié)構(gòu)區(qū)的相控陣超聲檢測進(jìn)行了深入研究。

1 試件選擇

試件為如圖1所示的閥門鑄鋼件，型號(hào)為Q41F-16C，公稱直徑為DN150，材料為WCB。閥門結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)切取圖2中虛線框區(qū)域作為檢測試件?；阼T鋼件的壁厚突變和R角等異形結(jié)構(gòu)區(qū)域是最容易產(chǎn)生鑄造缺陷和應(yīng)力集中的部位，試件制作時(shí)在如圖3所示的1#，2#，3#部位加工線切槽作為人工模擬缺陷。

圖1 閥門鑄鋼件外觀

圖2 閥門結(jié)構(gòu)示意

圖3 人工模擬缺陷位置示意

2 材料特性試驗(yàn)

考慮到鑄鋼件可能存在鑄造組織不均勻、晶粒粗大等特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致聲波衰減嚴(yán)重。因此，在開展相控陣檢測研究前，要先進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)與分析。

2.1 化學(xué)成分分析

采用牛津儀器公司FOUNDR-MASTER PRO全譜火花直讀光譜儀分析試件的化學(xué)成分，結(jié)果見表1，符合GB/T 12229-2005 《通用閥門 碳素鋼鑄件技術(shù)條件》 的要求。

表1 鑄鋼件化學(xué)成分

2.2 聲波衰減試驗(yàn)

選用武漢中科HS611型脈沖反射超聲檢測儀，首先設(shè)置調(diào)校好儀器，然后將5 MHzφ10 mm直探頭置于待檢測試件的平面位置(法蘭處)，調(diào)節(jié)增益使第一個(gè)反射波達(dá)到80%高度，此時(shí)增益為49.8 dB，如圖4所示；而同樣情況下，在CSK-IA試塊上測試，增益僅為9.1 dB，如圖5所示。將兩者比較可見，聲波在試件中傳播衰減明顯比CSK-IA試塊嚴(yán)重。選用5Z10*10K2斜探頭進(jìn)行檢測，無法找到試件的端角反射波，說明試件無法進(jìn)行橫波檢測。

圖4 閥門鑄鋼件聲波衰減示意

圖5 CSK IA試件聲波衰減示意

圖6 原始組織金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相組織分析

試驗(yàn)采用美國CHAWER&PTI公司PTI-5000現(xiàn)場金相檢測儀進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果顯示試件的組織不均勻且晶粒異常粗大，平均晶粒直徑達(dá)到0.5 mm以上，原始組織金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。而對(duì)于晶粒直徑接近超聲波波長的1/10時(shí)，就會(huì)有明顯的聲散射；當(dāng)晶粒直徑達(dá)到半個(gè)波長時(shí)，聲散射劇增，聲波會(huì)嚴(yán)重衰減[2]，導(dǎo)致無法進(jìn)行超聲檢測。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12229-2005規(guī)定，鑄造碳鋼(WCB)材料鑄鋼件的熱處理工藝有退火和正火兩種。退火處理是將試件加熱到880920 ℃，保溫，爐冷至450 ℃后出爐空冷，可以消除鑄造組織柱狀晶和殘余應(yīng)力。正火處理是將試件加熱到940960 ℃，保溫后空冷，可以細(xì)化組織，得到所需的力學(xué)性能。從圖6可以看出,試件原始狀態(tài)的組織形貌有退火狀態(tài)特征，為進(jìn)一步開展檢測研究，試驗(yàn)選用正火處理工藝進(jìn)行處理，將試件加熱到(950±10) ℃，保溫2 h，空冷。正火處理后的組織為珠光體+鐵素體，晶粒均勻、細(xì)小，正火處理后組織金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 正火處理后組織金相檢驗(yàn)結(jié)果

再用直探頭對(duì)正火處理后的試件進(jìn)行測試，其結(jié)果與CSKⅠA試塊測試結(jié)果相近，用5Z10*10K2斜探頭進(jìn)行檢測，端角反射波明顯，說明可以進(jìn)行橫波檢測。以下試驗(yàn)均以正火狀態(tài)的鑄鋼件作為檢測對(duì)象。

3 相控陣超聲檢測試驗(yàn)

相控陣技術(shù)是通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的各個(gè)晶片，按照一定的延時(shí)法則發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)等功能，通過激發(fā)多角度聲束對(duì)檢測區(qū)域進(jìn)行較大面積的覆蓋，在探頭不前后移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測區(qū)域的掃查，從而提高了檢測效率及缺陷檢出率[3]。相控陣檢測在分辨力、信噪比、缺陷檢出率等方面具有一定的優(yōu)越性，可有效地檢出各種面狀缺陷和體積型缺陷，在復(fù)雜構(gòu)件方面的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢[4]。

試驗(yàn)采用以色列Sonotron公司Isonic-2009便攜式相控陣超聲檢測儀。由于試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測面為曲面，檢測區(qū)域位置較窄，因此選擇頻率為5 MHz，晶片數(shù)量為8的相控陣探頭，晶片排列方式為一維線性陣列。

3.1 1#區(qū)域檢測結(jié)果

1#區(qū)域?yàn)殚y體頸部R角部位，頸部的壁厚為12 mm，試件在R角部位加工有長度為30 mm,深度為3 mm的線切割槽，如圖8所示。待檢測部位的結(jié)構(gòu)與管板角焊縫類似，因此選擇Isonic-2009中的“管板角縫檢測軟件”進(jìn)行檢測，該軟件可設(shè)置描繪工件的真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)，顯示聲場覆蓋范圍。檢測結(jié)果同時(shí)具有C,B,D,S掃描和A型脈沖顯示以及三維立體成像(3D成像)功能，缺陷顯示非常直觀。

圖8 1#區(qū)域檢測方式示意

(1) 參數(shù)設(shè)置與聲場仿真

進(jìn)入Isonic-2009“管板角縫檢測軟件”模式，進(jìn)入“探頭和楔塊參數(shù)”界面，選擇對(duì)應(yīng)的探頭型號(hào)及楔塊規(guī)格，參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。

圖9 參數(shù)設(shè)置界面

點(diǎn)擊進(jìn)入相控陣“扇形掃描參數(shù)”設(shè)置界面，按要求設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，利用半圓試塊進(jìn)行探頭角度增益補(bǔ)償修正，設(shè)置待檢試件幾何形狀，然后進(jìn)入“扇形掃查范圍和探頭位置”進(jìn)行設(shè)置。扇形掃查設(shè)置最大、最小角度的原則是確保聲場全部覆蓋待檢區(qū)域，在滿足覆蓋要求的前提下，一次波聲束與二次波聲束的重疊部分盡可能的少[5]。設(shè)置完成后的聲場仿真結(jié)果如圖10所示，所設(shè)置的探頭角度為37°75°。

圖10 1#區(qū)域聲場仿真結(jié)果

(2) 檢測掃查

儀器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)入檢測掃查界面，探頭放置在如圖8所示位置，沿檢測區(qū)域平行移動(dòng)探頭進(jìn)行掃查，掃查結(jié)果如圖11所示。通過分析掃描圖形中的C,B,D,S掃描和A型脈沖波，可測定缺陷的長度、深度和位置，以及缺陷自身高度。利用3D顯示并結(jié)合S掃描，可直觀地觀察缺陷所在位置并識(shí)別結(jié)構(gòu)回波，避免幾何結(jié)構(gòu)反射信號(hào)造成誤判，3D顯示如圖12所示。檢測結(jié)果顯示試件上R角處的表面存在開口缺陷，缺陷長為28 mm，最大深度為3.2 mm。

圖11 1#區(qū)域掃查結(jié)果

圖12 1#區(qū)域缺陷3D顯示

3.2 2#區(qū)域檢測結(jié)果

2#區(qū)域檢測方法如圖13所示，壁厚為12 mm，外表面加工有長度為50 mm,深度為4 mm的線切割槽。該部位檢測時(shí)選擇Isonic-2009中的“彎頭焊縫檢測軟件”，軟件同樣可描繪工件的真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)，具有多種掃描成像和3D成像功能。參數(shù)設(shè)置參照1#區(qū)域，為更好地得到模擬缺陷最佳的反射信號(hào)，探頭位置設(shè)置時(shí)先利用試件截面找到上邊緣最強(qiáng)的二次波信號(hào)，這時(shí)以探頭前沿到邊緣的距離作為探頭到模擬缺陷的距離，然后設(shè)置探頭入射角度，設(shè)置完成后的聲場仿真結(jié)果如圖14所示，所設(shè)置的探頭角度為50°65°。

圖13 2#區(qū)域檢測方法示意

圖14 2#區(qū)域聲場仿真結(jié)果

按照1#區(qū)域檢測同樣的方法進(jìn)行掃查，掃查結(jié)果如圖15所示，3D顯示如圖16所示。檢測結(jié)果顯示試件外側(cè)壁厚突變處的上表面存在開口缺陷，缺陷長為53 mm，最大深度為4.6 mm。

圖15 2#區(qū)域掃查結(jié)果

圖16 2#區(qū)域缺陷3D顯示

3.3 3#區(qū)域檢測結(jié)果

3#區(qū)域檢測方法示意如圖17所示，壁厚為12 mm，壁厚突變處的內(nèi)側(cè)表面加工有長度為30 mm,深度為2 mm的線切割槽。該部位檢測選擇Isonic-2009中的“縱焊縫檢測軟件”，探頭位置設(shè)置時(shí)參照2#區(qū)域進(jìn)行檢測，利用試件截面找到下邊緣最強(qiáng)的一次波信號(hào)，這時(shí)探頭前沿到邊緣的距離作為探頭到模擬缺陷的水平距離，然后設(shè)置探頭入射角度，設(shè)置完成后聲場仿真結(jié)果如圖18所示，所設(shè)置的探頭角度為35°60°。

圖17 3#區(qū)域檢測方法示意

圖18 3#區(qū)域聲場仿真結(jié)果

按照上述同樣的方法進(jìn)行掃查，掃查結(jié)果如圖19所示，3D顯示如圖20所示。檢測結(jié)果顯示試件壁厚突變處的內(nèi)側(cè)表面存在開口缺陷，長為33 mm，最大深度為2.5 mm。

圖19 3#區(qū)域掃查結(jié)果

圖20 3#區(qū)域缺陷3D顯示

3.4 1#，2#，3#區(qū)域檢測結(jié)果對(duì)比

將檢測結(jié)果進(jìn)行匯總，如表2所示。由表2可知，閥門頸部R角部位、壁厚突變處的內(nèi)外側(cè)表面設(shè)置的人工缺陷均能很好地檢測出來，其中缺陷長度最大偏差為3 mm，深度最大偏差為0.6 mm。

表2 1#，2#，3#區(qū)域檢測結(jié)果對(duì)比 mm

4 結(jié)語

(1) 正火狀態(tài)WCB閥門鋼鑄件金相組織均勻、晶粒細(xì)小，聲波衰減小，可以采用相控陣超聲檢測。退火狀態(tài)WCB閥門鋼鑄件聲波衰減嚴(yán)重，無法進(jìn)行相控陣超聲檢測。

(2) 閥門鑄鋼件結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，相控陣超聲檢測時(shí)需進(jìn)行必要的聲場仿真。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形狀選用相應(yīng)的檢測軟件，真實(shí)地構(gòu)建工件形狀，以直觀顯示聲場覆蓋區(qū)域，確保聲場能夠覆蓋到整個(gè)檢測區(qū)域。檢測結(jié)果得到的C,B,D,S掃描和A型脈沖顯示以及三維立體成像(3D成像)，可以直觀地判斷缺陷的位置及大小，同時(shí)結(jié)合3D顯示及S掃描可識(shí)別結(jié)構(gòu)回波，避免了幾何結(jié)構(gòu)反射信號(hào)造成的誤判。

綜上，正火狀態(tài)的WCB閥門鑄鋼件異形結(jié)構(gòu)區(qū)域可以采用相控陣超聲檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，而且具有操作簡便、快捷的特點(diǎn)。但試件還是有別于完整的閥體檢測，試件缺陷僅為線切割槽，與鑄件中的真實(shí)缺陷相差甚遠(yuǎn)，而且參數(shù)設(shè)置是利用試件截面結(jié)構(gòu)得到最佳狀態(tài)，因此，在實(shí)際閥體檢測中還需不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能保證檢測結(jié)果的有效性和可靠性。