繆立新,周玉山

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

鍛件超聲檢測中不同頻率直探頭的缺陷當(dāng)量差異

繆立新1,周玉山2

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；2.上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，探討了對大厚鍛件(直徑×厚度為φ4 480 mm×800 mm)使用不同頻率直探頭進(jìn)行超聲檢測時，平底孔缺陷當(dāng)量值發(fā)生很大變化的原因，可供超聲檢測同行參考。

鍛件檢測；直探頭；不同頻率；超聲圖像描述

由于鍛造使用的原材料是鑄錠、軋材、擠材或鍛坯，而軋材、擠材或鍛坯分別是鑄錠經(jīng)軋制、 擠壓及鍛造加工后形成的半成品，所以鍛件中所存缺陷有一部分是原材料帶來的，例如：嚴(yán)重碳化物偏析、嚴(yán)重疏松、非金屬夾雜、白點(diǎn)等；還有一部分則是鍛造工藝不當(dāng)形成的，例如：晶粒粗大、 折疊、裂紋、 鑄造組織殘留、鍛件流線分布不順等。

為了保證鍛件的內(nèi)部及表面質(zhì)量，在鍛件的制造過程中需要進(jìn)行無損檢測。其中，超聲檢測是鍛件無損檢測的重要方法之一。

筆者探討了執(zhí)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對大厚鍛件(直徑×厚度為φ4 480 mm×800 mm)使用不同頻率的直探頭進(jìn)行超聲檢測時，分析了平底孔缺陷當(dāng)量值發(fā)生很大變化的原因，可供超聲檢測同行參考。

1 鍛件缺陷特征及縱波超聲檢測

鍛件的鍛壓方式大致分為鐓粗、撥長和滾壓。

從鍛壓方式可知，鍛件中缺陷的取向、形態(tài)和分布情況受變形量和變形方向的影響十分明顯。鐓粗的形變發(fā)生在橫截面上；撥長的形變發(fā)生在長度方向上；滾壓既有縱向形變，又有橫向形變。除裂紋外，鍛件中的多數(shù)缺陷，尤其是由鑄錠中原有缺陷經(jīng)鍛壓后引起的新缺陷，常常是沿金屬流線方向分布的；鍛件中的缺陷大多呈面積型或長條形特征。

文章所述的大厚鍛件為餅盤類鍛件。鍛坯一般采用棒材或鑄錠經(jīng)墩粗而成，鍛造金屬流線通常沿表面形狀延伸。冶金缺陷方向多與金屬流動方向一致，而金屬流線方向基本平行于端面。

對該大厚鍛件采用縱波直探頭在端面上進(jìn)行超聲檢測，如圖1所示。其能夠確保超聲聲束方向與鍛造金屬流線方向垂直，有利于檢測面積型缺陷。

圖1 大厚(餅盤)類鍛件超聲檢測時探頭放置示意

2 檢測試驗(yàn)及試驗(yàn)分析

2.1 檢測儀器、探頭及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

(1) 儀器：數(shù)字式脈沖反射A型超聲波探傷儀系列HS620。

(2) 探頭：頻率為2 MHz及以上,直徑φ25 mm縱波單晶直探頭。

(3) 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：不允許大于φ13 mm平底孔當(dāng)量。

2.2 檢測對象

某蒸汽發(fā)生器用管板鍛件(材料牌號：SA-508Gr.3Cl.2)。管板直徑為φ4 480 mm,厚度為800 mm 。

2.3 檢測方法

靈敏度校驗(yàn)方法：在管板鍛件上利用兩平行面進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

基準(zhǔn)靈敏度的具體調(diào)整方法為，首先通過近場公式N=φ2/(4λ)(其中N為近場距離；φ為靈敏度當(dāng)量；λ為波長)進(jìn)行計算，得知工件厚度大于3N，可以確定采用管板鍛件上兩平行面進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)，其具體步驟為：

將工件底波調(diào)至80%滿屏作為基準(zhǔn)波高，將基準(zhǔn)靈敏度要求φ13 mm、λ代入式(1)。

式中：Δ為底面回波與靈敏度當(dāng)量差值,dB;S為底波聲程距離。

通過計算得到底面回波與靈敏度當(dāng)量dB差值，在此基礎(chǔ)上再提高6 dB作為檢測靈敏度。

(1) 在管板鍛件平面上采用2 MHz縱波單晶直探頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)一個深度為500 mm的缺陷信號，缺陷當(dāng)量為φ14 mm，依據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)評定為不合格。

應(yīng)用式(2)計算平均材料衰減系數(shù)

式中：H1,H2分別為第一次，第二次底面回波在顯示屏上的波幅高度。

檢測中發(fā)現(xiàn)一個深度為500mm的缺陷信號，波幅超過基準(zhǔn)11dB，計算得到φ=14.28mm。

(2) 在管板鍛件平面上采用4MHz縱波單晶直探頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)一個深度為500mm的缺陷信號，缺陷當(dāng)量為φ8.6mm，依據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)判定為合格。

計算4MHz,φ25mm縱波單晶直探頭近場距離N=106mm，3N=318mm<800mm，適用當(dāng)量計算法；通過公式計算出Δ=-13dB，在此基礎(chǔ)上再提高6dB作為檢測靈敏度。

計算平均材料衰減系數(shù)α=0.005 6dB·mm-1。

檢測中發(fā)現(xiàn)一個深度為500mm的缺陷信號，波幅高于基準(zhǔn)2.7dB，計算得到φ=8.6mm。

(3) 根據(jù)上述兩種檢測結(jié)果，在管板鍛件平面上用1MHz縱波單晶直探頭進(jìn)行補(bǔ)充檢測，同樣發(fā)現(xiàn)一個深度為500mm的缺陷信號，缺陷當(dāng)量為φ21mm，依據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)判定為不合格。

計算1MHz、φ25mm縱波單晶直探頭近場距離N=26.5mm，3N=79mm<800mm，適用當(dāng)量計算法；通過式(1)計算Δ=-25dB，在此基礎(chǔ)上再提高6dB作為檢測靈敏度。

計算平均材料衰減系數(shù)α=0.001 2dB·mm-1。

檢測中發(fā)現(xiàn)一個深度為500mm的缺陷信號，波幅高于基準(zhǔn)16.8dB，同上，計算得到φ=21mm。

(4) 采用上述不同頻率縱波直探頭檢測底波降低量均為10dB左右，差異在2dB范圍內(nèi)。將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，如表1所示。

表1 鍛件檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)分析

在檢測中發(fā)現(xiàn)，采用不同檢測頻率對同一個缺陷進(jìn)行檢測，結(jié)果會有較大差異；且頻率越低缺陷當(dāng)量越大，評判結(jié)果也截然不同。

對所有檢測參數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，差異僅為頻率的變化。初步認(rèn)為是檢測頻率對檢測結(jié)果的影響。由于探頭檢測頻率的變化直接導(dǎo)致近場區(qū)和聲束指向性的變化，故筆者從檢測頻率方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

由于缺陷位置已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于近場區(qū)域，故不考慮近場區(qū)的影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與理論計算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》規(guī)定，承壓設(shè)備用碳鋼和低合金鋼鍛件的超聲檢測，一般應(yīng)使用直探頭進(jìn)行檢測，標(biāo)稱頻率應(yīng)在1 MHz～5 MHz間，單晶直探頭晶片有效直徑應(yīng)在φ10～14 mm范圍內(nèi)。

文章理論計算和試驗(yàn)驗(yàn)證的條件如下。

3.1 試驗(yàn)條件

(1) 設(shè)備：數(shù)字式脈沖反射A型超聲波探傷儀系列HS611e。

(2) 探頭：縱波單晶直探頭1.25ZP10、2.5ZP10、5ZP10。

(3) 試塊：標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-1A。

(4) 耦合劑：專用耦合劑CG-10。

(5) A-1自制試件：鍛件；材料為低合金鋼，牌號16MND5；斜平底(與檢測面夾角呈15°)設(shè)計，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

A-1自制試件設(shè)置斜平底是由于以下幾個原因：取所選試驗(yàn)探頭半擴(kuò)散角的近似中間值；模擬斜向面積性缺陷；工件加工方便。

圖2 A-1自制試件結(jié)構(gòu)示意

3.2 試驗(yàn)步驟

(1) 將探頭放置在CSK-1A試塊上，將厚度為100 mm的底面回波波高調(diào)至滿屏的80%，并將其設(shè)定為基準(zhǔn)靈敏度。

(2) 將探頭放置在自制試件A-1上，記錄傾斜底面回波幅度。

(3) 依次使用不同頻率的直探頭(1.25ZP10、2.5ZP10、5ZP10)，重復(fù)步驟(2)進(jìn)行測試，將測試結(jié)果進(jìn)行比較。

3.3 理論計算

探頭檢測頻率的變化直接導(dǎo)致近場區(qū)和聲束指向性的變化，由于缺陷位置已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3倍近場區(qū)域，故不考慮近場區(qū)的影響。

探頭聲束指向性根據(jù)-6 dB半擴(kuò)散角計算進(jìn)行驗(yàn)證，計算公式如式(3),(4)所示。

式中：c為鋼中縱波的聲速;f為縱波的頻率。

式中：λs為波長；Ds為探頭直徑。

將1.25,2.5,5 MHz代入式(3)，得到各個頻率相應(yīng)的波長；將計算得出的波長和已知試驗(yàn)探頭直徑φ10 mm分別代入式(4),得到各-6 dB半擴(kuò)散角為33.04°,16.52°,8.26°。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在自制試件A-1(與檢測面呈15°傾斜底面)上，上述三種不同頻率直探頭(1.25ZP10、2.5ZP10、5ZP10)的反射波接收情況，如表2及圖3～5所示。

圖3 1.25 MHz直探頭的入射波示意與接收的反射波截圖

圖4 2.5 MHz直探頭的入射波示意與接收的反射波截圖

圖5 5 MHz直探頭的入射波示意與接收的反射波截圖

探頭類型基準(zhǔn)靈敏度/dBA-1測試數(shù)據(jù)/dBΔ值/dB1.25ZP1035.249.214.02.5ZP1019.846.426.65ZP1019.460.441.0

3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對照表1與表2進(jìn)行分析可知：

(1) 表1顯示：鍛件中的實(shí)際缺陷較4 MHz(φ25 mm)及2 MHz(φ25 mm)的縱波單晶直探頭的超聲波聲束面積大，甚至比1 MHz(φ25 mm)的縱波單晶直探頭的超聲波聲束面積還要大。因?yàn)橘|(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不允許大于φ13 mm平底孔當(dāng)量缺陷，所以不考慮陷面積尺寸的測量。

(2) 分析表2中Δ值的變化可知，鍛件中的實(shí)際缺陷平面，基本平行于檢測表面(見圖1)。因?yàn)楸?顯示的3種不同頻率的縱波單晶直探頭的檢測結(jié)果，其底波降低量變化不大，均為約10 dB。

(3) 縱波單晶直探頭的檢測頻率越低，擴(kuò)散角越大，超聲波聲束面積越大，超聲波檢測區(qū)域越大，檢測到的缺陷當(dāng)量值越大。

4 結(jié)語

鍛件超聲檢測時一般會采用較高頻率的超聲探頭進(jìn)行檢測。

當(dāng)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)只有單個缺陷當(dāng)量平底孔直徑評定要求，而沒有缺陷面積及底波降低量評定要求，且被檢鍛件平面缺陷又比較均勻時，則頻率較高，擴(kuò)散角較小，超聲波聲束面積較小，超聲波檢測區(qū)域較小，檢測到的缺陷當(dāng)量值可能偏小。即，可能出現(xiàn)誤判的嚴(yán)重后果。

為了防止此類誤判現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該使用較低頻率的超聲探頭進(jìn)行復(fù)探，以保證超聲檢測的正確性。

Defect Equivalence Differences in Ultrasonic Testing of Forgingwith Straight Probes of Different Frequencies

MIAO Lixin1, ZHOU Yushan2

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200062, China；2.Shanghai Electric Nuclear Power Equipment Co., Ltd., Shanghai 201306, China)

Through the theoretical analysis and experimental verification, it is found that flat bottom hole defect equivalent values will change greatly while ultrasonic testing of the large forgings (diameter×thickness=φ4 480 mm×800 mm) with straight probes of different frequencies. It can be used for ultrasonic detection peer reference.

forging test; straight probe; different frequency; ultrasonic image description

2017-04-17

繆立新(1966-),男,主要從事特種設(shè)備Ⅰ、Ⅱ級無損檢測人員培訓(xùn)與考試相關(guān)工作

繆立新，miaolx@163.com

10.11973/wsjc201706011

TG115.28

A

1000-6656(2017)06-0049-04