以規(guī)格Φ32×4mm為例對鍋爐管子軋制缺陷超聲波檢測的研究

[摘 要]本文主要對規(guī)格為Φ32×4mm鍋爐管子的軋制缺陷超聲波檢測進(jìn)行探討，特別是對于鍋爐管子的軋制缺陷采用直通波超聲波檢測方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，它將是有效快速可靠地對批量的鍋爐管子軋制缺陷進(jìn)行超聲波檢測的新方法，為電站鍋爐受熱面管子的安裝及大修改造提供質(zhì)量保證，也為提高鍋爐受熱面管子的安全經(jīng)濟(jì)運行起到一定的作用。

[關(guān)鍵詞]鍋爐管子；軋制缺陷；超聲檢測

中圖分類號：TH878 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）30-0353-02

一、概述

鍋爐受熱面管是電站鍋爐的一個重要組成部分，鍋爐受熱面管在加工制作前的一項重要檢驗內(nèi)容，但鍋爐管子軋制缺陷一般很難用常規(guī)的射線、滲透、磁粉等檢測手段來進(jìn)行檢測。目前普遍采用的探側(cè)方法是單晶直探頭水侵法或雙晶直探頭水侵法，采用這種方法有以下缺點：一是探測工藝復(fù)雜，在役運行的管排無法實現(xiàn)進(jìn)行水浸探傷，探測靈敏度低。為此，通過理論分析并進(jìn)行了大量的模擬實驗，試驗結(jié)果表明：采用直接接觸式雙晶探頭直通波來檢測鍋爐管子軋制缺陷可以克服傳統(tǒng)探測方法的缺點。

二、原理

要實現(xiàn)直接接觸式雙晶探頭直通波來檢測鍋爐管子軋制缺陷需要首先考慮三個問題：一是探頭與管子表面的耦合要好；二是要有效判別管子有無軋制缺陷；三是能判別管子軋制缺陷當(dāng)量大小。

根據(jù)管子軋制缺陷的特點，采用一收一發(fā)雙晶片探頭直通波的原理， 并將探頭直接接觸在管子上。圖1為檢測管子軋制缺陷的原理示意圖。在超聲波探傷中，對缺陷信號的識別尤其重要，要分析固有信號和缺陷信號的關(guān)系，又要了解不同類型缺陷信號反射強(qiáng)弱及缺陷尺寸當(dāng)量大小的關(guān)系。當(dāng)管子不存在缺陷時，儀器熒光屏將顯示雙晶探頭聲程回波，這種回波為固有直通回波，波的位置及波高沒有變化（圖1a）。當(dāng)管子存在缺陷時，這種固有回波將會發(fā)生變化，回波可能降低或消失（圖1 b、c）。當(dāng)管子有較大的徑向裂紋時，固有回波將會消失；當(dāng)管子存在其它缺陷時，固有回波將會明顯降低或發(fā)生變化。由此，對固有直通回波信號的變化來分析和確定管子是否存在軋制缺陷及缺陷性質(zhì)、當(dāng)量大小和判廢依據(jù)。

三、探頭與管子耦合

如何實現(xiàn)探頭與管子在探傷過程中保持穩(wěn)定和良好的全耦合，要使探頭在管子上移動時不被磨損，保持探頭的折射角不發(fā)生變化，采取將探頭放在耐磨的探頭套內(nèi)，在探傷過程中始終自動充水，一般采用自來水較適宜。在探頭與管子接觸面之間保持適當(dāng)間隙，保持薄水層耦合，薄水層透聲厚度根據(jù)調(diào)節(jié)控制在大約二分之一倍整數(shù)聲波波長范圍，使聲能透過率盡量達(dá)到最大。

四、探頭設(shè)計與制作

探頭設(shè)計合理與制作精細(xì)是實現(xiàn)超聲波探傷和有效判定管子有無軋制缺陷的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在探頭設(shè)計中首先考慮探頭晶片材料和頻率的選擇，其次要考慮選擇合適的入射角。

選擇性能品質(zhì)優(yōu)良的鈦酸鉛（PbTiO3）陶瓷晶片材料，其發(fā)射和接收超聲波能力較佳。選擇晶片探傷頻率一般選為2.5～5MHz較為適宜。探頭與管子的接觸面不能太大，在確保探頭的靈敏度有足夠高的情況下，晶片的尺寸選擇為8×10mm2方晶片。為提高對細(xì)小裂紋檢測的靈敏度，因此探測波形選擇為橫波進(jìn)行探測，在鋼中的橫波聲速為3230m/s。探頭入射角的選擇是對應(yīng)特定的鍋爐管子不同規(guī)格外徑及壁厚尺寸來定。在實例中探頭設(shè)計時可以忽略水耦合層對鋼中的折射角的影響。

探頭楔塊的材料應(yīng)選擇航空有機(jī)玻璃，探頭楔塊的設(shè)計是首先根據(jù)所探測管子的規(guī)格后，再確定探頭的入射角α、兩個入射點QQ距離、晶片中心點至隔聲層A點的距離O1A和隔聲層厚度后進(jìn)行探頭契塊的尺寸設(shè)計（如圖2）。一般根據(jù)晶片的尺寸和探頭整體大小，取O1A=6mm，隔聲層厚度取0.5mm。

探頭契塊γ參數(shù)確定：γ=α-θ0

五、試塊

超聲波探傷試塊為保證探頭性能參數(shù)符合原設(shè)計要求，探頭在試制過程中及試制結(jié)束后均要對其進(jìn)行性能參數(shù)測試，同時在實際探傷前要對儀器進(jìn)行掃描速度和靈敏度的調(diào)節(jié)及缺陷的評價。

CSK-1A試塊用于測定探傷儀和探頭未加工成凹弧面前的組合性能及探頭未加工成凹弧面前的入射點、前沿、折射角的測試。DB-Ⅰ型對比試塊用于探測靈敏度的調(diào)整，試塊采用所探管子尺寸規(guī)格來設(shè)計加工，試塊的材料選擇一般可用#20碳鋼加工，最好選用所探一段沒有缺陷的管子加工。

DB-Ⅱ型對比試塊用于測定管子的探頭加工成凹弧面后的入射點、折射角及掃描速度調(diào)整。

六、探頭的入射點、折射角測定及儀器掃描速度調(diào)整

探頭在加工好后和在實際探傷工作前均要對探頭的入射點、折射角進(jìn)行測定及儀器掃描速度的調(diào)整。探頭入射點測定是將探頭放在DB-Ⅱ型試塊上，前后移動探頭使R曲面回波達(dá)到最高點，這時R曲面圓心標(biāo)記在r曲面的A點對應(yīng)的探頭便是探頭單個晶片發(fā)射的入射點。探頭折射角測定是將探頭放在DB-Ⅱ型試塊上，前后移動探頭使Φ1mm橫通孔回波達(dá)到最高點，測量出探頭入射點至Φ1mm橫通孔的AB距離，。折射角由幾何作圖計算得出。

β=arcCos

儀器掃描速度調(diào)整是按以回波1∶1的比例聲程來進(jìn)行調(diào)試。首先將探頭放在DB-Ⅱ型試塊上，用單晶片分別將DB-Ⅱ型試塊上Φ1mm橫通孔回波聲程和R圓弧面的回波聲程調(diào)在熒光屏的水平坐標(biāo)對應(yīng)的位置。

七、測試實例

選擇以Φ32×4mm管子為例，采用4P8×10×2-32816、4P8×10×2-32814、4P8×10×2-32812和4P8×10×2-32810制作的探頭進(jìn)行測試和分析：

⒈因考慮到探頭加工的誤差，每種規(guī)格的探頭制作兩只進(jìn)行試驗，因此，將四種在鋼中不同的的反射次數(shù)的8個探頭在同一個沒有缺陷的管子上進(jìn)行測試。通過實驗分析得：盡管加工的探頭存在一定的誤差，但是每種規(guī)格的探頭直通波前后的變波形和遲到波大體相近。在實際探測時就是要觀察直通波受缺陷的影響程度來對管子軋制缺陷進(jìn)行探測，如何識別直通波要具備以下兩個條件：首先要使用數(shù)字化超聲波儀器來正確調(diào)整好儀器的掃描速度，其次根據(jù)探頭的有關(guān)參數(shù)預(yù)先計算出直通波的聲程，然后根據(jù)該探頭在儀器上顯示的相對應(yīng)聲程的直通波波形。當(dāng)然，直通波在遇有缺陷時肯定會明顯發(fā)生變化，否則原確定的直通波就是錯誤的。

⒉在識別和確定直通波的基礎(chǔ)上，對內(nèi)外管壁加工有0.5mm、1.0mm和2.0mm的刻槽進(jìn)行測試。測試的結(jié)果如下表所示，測試表明各種探頭在測試各種不同深度的刻槽時，直通波均有不同程度的衰減，但是這四種規(guī)格的探頭各有不同特點，第一超聲波在管鋼中反射次數(shù)越多，缺陷對直通波的影響越大，如超聲波在管鋼中反射次數(shù)為16次和14次的探頭相對直通波最大衰減值就比12次和10次的大。第二超聲波在管鋼中反射次數(shù)少的在直通波前的變形波少而遲到波較多，超聲波在管鋼中反射次數(shù)多的在直通波前的變形波多而遲到波較少。但只要采用數(shù)字化超聲波儀器和調(diào)整好儀器的掃描速度，在探測時只要觀察直通波的動態(tài)變化情況，實際上變形波和遲到波并不影響對管子缺陷的探測。

八、結(jié)論和探討

采用一收一發(fā)雙晶片探頭直通波的原理的方法探測是完全可以對管子軋制缺陷進(jìn)行檢測，可以既快速高效又經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)對新管材和在役管材的檢測。并且在設(shè)計探頭時要統(tǒng)籌考慮探頭的整體尺寸，整體尺寸大小要適當(dāng)；探頭晶片的頻率選擇要合適；在制造探頭時要嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)計好探頭參數(shù)進(jìn)行制造加工；在實際探測時，一定要使用數(shù)字化超聲波探測儀器。在實際探測發(fā)現(xiàn)有最小率減量當(dāng)量缺陷時，可以采用不同規(guī)格的探頭進(jìn)行比較探測分析。

項目來源

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（2015QK094）。

作者簡介

凌宏偉，男，1966年08月生，高級工程師，安徽省特種設(shè)備檢測院，主要從事鍋爐壓力容器壓力管道檢驗及無損檢測工作。