環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測靈敏度對比試驗(yàn)

羅俊勇，張續(xù)，顧雷，潘躍宏

（樂山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所， 四川 樂山 614000）

本文討論的環(huán)向?qū)咏宇^是指外直徑≥159～500mm、壁厚≥6mm的鍋爐壓力容器壓力管道環(huán)向?qū)咏宇^[1]。這類焊接接頭不僅包括火電廠鍋爐的大多數(shù)集箱、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、主給水管道等，也涉及到石油和化工裝置中大量的設(shè)備和管道系統(tǒng)。這些焊接接頭的有效檢測，對保障承壓設(shè)備安全運(yùn)行意義重大。

檢測靈敏度對超聲波檢測的可靠性具有重要影響，用對比試塊制作距離－波幅曲線是焊接接頭超聲波檢測的前提。對比試塊要考慮適用范圍和系列化，對環(huán)向?qū)咏宇^而言，由于被檢對象尺寸多變，很難做到對比試塊與被檢對象曲率和厚度完全一致。為正確評價(jià)環(huán)向?qū)咏宇^超聲波檢測結(jié)果，需要清楚環(huán)向?qū)咏宇^超聲波檢測靈敏度的影響因素，研究不同檢測條件下標(biāo)準(zhǔn)反射體的回波特性，評估誤差可能的范圍，以便對缺陷進(jìn)行正確的定量和評級(jí)。

1 環(huán)向?qū)咏宇^靈敏度影響因素分析

環(huán)向?qū)咏宇^通常以斜探頭在曲面工件外壁進(jìn)行超聲波檢測。與平面對接接頭比較，影響環(huán)向?qū)咏宇^超聲波檢測靈敏度的因素還包括探頭底面與工件曲率不一致而導(dǎo)致的耦合損失變大；超聲波經(jīng)過工件內(nèi)壁反射后，徑向進(jìn)一步擴(kuò)散，從而大大降低了二次波的超聲檢測靈敏度。環(huán)向?qū)咏宇^超聲波聲場如圖1所示。

圖1 環(huán)向?qū)咏宇^超聲波聲場

理論上講，探頭楔塊平面與環(huán)向?qū)咏宇^檢測面之間為探頭中心線接觸，其他區(qū)域被耦合劑填充，耦合劑的厚度在曲面工件徑向隨著與探頭中心的距離增大而變厚，探頭邊緣處為最大厚度d。隨著耦合層增加，超聲波通過效果總體變差，耦合層厚度為波長λ的1/4奇數(shù)倍時(shí)，回波高度出現(xiàn)極小值；耦合層厚度為波長λ的1/2整數(shù)倍或極小時(shí)，回波高度出現(xiàn)極大值。實(shí)際檢測中，為了提高檢測靈敏度，減少噪聲干擾，總是希望耦合層厚度盡量小[2]。

檢測面曲率半徑增大，探頭邊緣與工件間隙d減少，耦合效果變好。對一具體的環(huán)向?qū)咏宇^，減少超聲波穿過耦合層的聲能損失可以有兩個(gè)基本方法，一是選擇小晶片的探頭減少間隙d；二是采用高聲速的耦合劑和低頻率的探頭，使耦合介質(zhì)的超聲波波長增加，避免間隙d等于為1/4波長的奇數(shù)倍。

環(huán)向?qū)咏宇^內(nèi)弧凸曲面將導(dǎo)致超聲波二次波聲束有明顯的發(fā)散。內(nèi)弧面曲率和檢測用探頭影響二次波的發(fā)散程度。內(nèi)弧面曲率半徑減小，超聲波在管子內(nèi)表面覆蓋范圍增加，二次波聲束擴(kuò)散范圍增大，進(jìn)一步降低了二次波靈敏度。探頭晶片尺寸、頻率和折射角（K值）決定了超聲場的指向性、擴(kuò)散范圍和聲壓分布等技術(shù)指標(biāo)，也是影響超聲波在內(nèi)弧面發(fā)散程度的重要因素[3]。

環(huán)向?qū)咏宇^的超聲波檢測靈敏度影響因素可以歸納為：檢測面曲率半徑減小，耦合損失增加，工件內(nèi)弧面曲率半徑越小，二次波靈敏度損失越大。小晶片探頭有利于減少檢測面耦合損失，但增大了聲束擴(kuò)散程度；低頻探頭有利于提高超聲波耦合層通過能力，但使聲束擴(kuò)散程度增大。

由此可見，環(huán)向?qū)咏宇^內(nèi)外表面曲率半徑是檢測靈敏度的固有影響因素，探頭參數(shù)的影響存在矛盾的兩方面。檢測焊接接頭的超聲波探頭頻率通常為2.5～5MHZ，晶片尺寸已系列化，環(huán)向?qū)咏宇^檢測可以進(jìn)行量化試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第三部分 超聲檢測》。NB/T 47013.3-2015附錄K2.5、K2.6規(guī)定：“工件檢測面的曲率半徑應(yīng)在對比試塊的0.9～1.5倍范圍內(nèi)”，“試塊與工件厚度相差不超過工件厚度的20%”

外直徑≥159～500mm環(huán)向?qū)咏宇^包括管子和卷制圓筒兩種結(jié)構(gòu)，普通鋼管外徑已系列化，在此范圍常見的直徑有：168、194、219、245、273、325、377、426。圓筒以內(nèi)徑為基準(zhǔn)，常見的內(nèi)徑有：250、300、350、400、450、500……。每一種規(guī)格都制作對比試塊不僅增加成本，也不方便現(xiàn)場檢測攜帶。為適應(yīng)多種規(guī)格的環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測任務(wù)，按照NB/T 47013.3-2015的要求，考慮到盡量減少試塊數(shù)量且能覆蓋整個(gè)檢測范圍，確定環(huán)向?qū)咏宇^對比試塊的曲率半徑為R90、R125和R180三種。

NB/T 47013.3-2015第1號(hào)修改單表K.1給出環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測RB-C系列對比試塊尺寸，并對橫孔直徑、橫孔深度、試塊厚度T和與之相適應(yīng)的工件厚度t給出推薦值。為獲得相近的聲學(xué)特性，對比試塊的材料、熱處理狀態(tài)和加工工藝均與CSK-ⅡA試塊一致。對比試塊外形尺寸偏差符合規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)反射體軸線應(yīng)與試塊兩側(cè)面垂直，孔徑和長度偏差不超過±0.05mm，表面粗糙度不大于3.2μm[4]。由于缺陷評定按NB/T 47013.3-2015的6.3.14執(zhí)行，為避免橫孔長度不一致造成的靈敏度偏差，將試塊的寬度尺寸確定為與CSK-ⅡA試塊相同的40mm。對比試塊由國內(nèi)知名專業(yè)生產(chǎn)單位加工，并提供相應(yīng)的質(zhì)量證明文件，試塊形狀和尺寸如圖2，參數(shù)如表1。

圖2 RB-C對比試塊形狀和尺寸

表1 RB-C對比試塊技術(shù)參數(shù)

本試驗(yàn)的目的是研究環(huán)向?qū)咏宇^超聲場特性，比較不同曲率半徑對比試塊標(biāo)準(zhǔn)反射體的回波差異。采用CSK-ⅡA試塊制作標(biāo)準(zhǔn)反射體回波曲線作為與RB-C對比試塊比較的基準(zhǔn)。試驗(yàn)方案如下：選用檢測工作中最常用頻率為2.5MHz、5MHz，晶片尺寸為6×6、9×9，13×13，K值等于2的5只新探頭進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)前將對探頭底面的平整情況進(jìn)行確認(rèn)。首先利用CSK-ⅡA對比試塊，制作出φ2×40標(biāo)準(zhǔn)反射體的回波曲線（以下稱為基準(zhǔn)曲線），每一只探頭保存在一個(gè)檢測通道中。5只探頭分別對本次試驗(yàn)的各對比試塊進(jìn)行測試，記錄每一反射體與基準(zhǔn)曲線的dB差。為盡量減少人為誤差，由兩組人員各自制作回波曲線，按照試驗(yàn)方案進(jìn)行獨(dú)立測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對比兩組人員試驗(yàn)結(jié)果，對選定的探頭，某一RB-C對比試塊與CSK-ⅡA試塊相同深度標(biāo)準(zhǔn)反射體回波差值基本相同，除最靠近檢測面的φ2×40長圓孔外（這可能是該孔位于近場區(qū)，回波不穩(wěn)定），回波差值波動(dòng)范圍小于2dB。一、二次波φ2×40長圓孔回波差值相比，二次波差值明顯更大。在一、二次波深度范圍內(nèi)，RB-C對比試塊與CSK-ⅡA試塊標(biāo)準(zhǔn)反射體回波差值隨深度不同略有差異，但波動(dòng)范圍并不大，基本不超過2dB。這說明環(huán)向?qū)咏宇^與平面試件超聲場有類似性質(zhì)。以一、二次波回波差的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，部分對比試塊的測試結(jié)果如表2。

表2 RB-C對比試塊與CSK-ⅡA試塊回波差 單位：dB

分析測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著探頭晶片尺寸的增加，φ2×40長圓孔回波差值隨之增加；隨著曲率半徑的增加，φ2×40長圓孔回波差值隨之減少。按照NB/T 47013.3-2015，R90、R125和R180的對比試塊適用的檢測對象有一定的重疊，如R90和R125對比試塊均可用于外徑245的管子環(huán)向?qū)咏宇^，R125和R180對比試塊可用于外徑325的管子環(huán)向?qū)咏宇^。比較測試數(shù)據(jù)，選用同樣符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的RB-C對比試塊，曲率半徑越小，壁厚越大，檢測結(jié)果的不一致就更明顯。R90與R125厚度30的對比試塊，5MHZ 6×6 K2探頭，二次波相差4.0dB，2.5MHZ 13×13 K2，二次波相差達(dá)到6.7dB，這樣的差異實(shí)在過大。對比試塊曲率半徑增大后，上述差異明顯減小。對于外直徑≥159～500mm的環(huán)向?qū)咏宇^，探頭晶片尺寸不宜超過9×9。盡管選擇小晶片尺寸的探頭，可以適當(dāng)縮小結(jié)果的不一致，但不是根本辦法。

從超聲波檢測原理而言，對比試塊曲率半徑和厚度最好與被檢對象完全相同，但成本太高。按照NB/T 47013.3-2015，同一環(huán)向?qū)咏宇^采用多種規(guī)格的對比試塊都可能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。按照本試驗(yàn)的測試結(jié)果，對外徑245的環(huán)向?qū)咏宇^，如果采用R90的對比試塊制作距離－波幅曲線，對缺陷的評定就偏于嚴(yán)格，可能造成不合格甚至不必要的返修。生產(chǎn)單位、用戶和第三方檢測機(jī)構(gòu)如果采用不同尺寸的對比試塊，將得到不一致的檢測結(jié)果。解決這個(gè)問題的辦法是，一定外徑范圍的環(huán)向?qū)咏宇^，統(tǒng)一采用某一曲率半徑的對比試塊，以便檢測靈敏度基準(zhǔn)處于同一水平。試驗(yàn)結(jié)果表明，小曲率半徑對比試塊，標(biāo)準(zhǔn)反射體回波差值增大；R125、R180和平面接觸的CSK-ⅡA試塊，即使選擇較大晶片尺寸的探頭，標(biāo)準(zhǔn)反射體回波差值也不算太大。為使對比試塊制作的距離－波幅曲線進(jìn)行超聲波檢測評價(jià)缺陷更合理，小曲率范圍應(yīng)增加對比試塊的設(shè)置，建議將環(huán)向?qū)咏宇^對比試塊曲率半徑確定為R85、R105、R140和R200，適用的環(huán)向?qū)咏宇^外徑為：159～200mm，200～270mm，270～380mm，380～500mm。

需要說明的是：以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是探頭底面為平面的測試結(jié)果。探頭底面有曲率后，其結(jié)果是有差別的。用一只多次在φ219管道焊縫檢測過的5MHZ 9×9 K2探頭，在R90、R125、R180和CSK-ⅡA試塊對φ2×40長圓孔回波進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)R90、R125、R180和CSK-ⅡA回波高度依次減少，R90的回波比CSK-ⅡA高6dB左右。長期在φ219管道焊縫檢測的探頭，由于楔塊磨損，底面曲率趨近于工件，探頭中心與其余三塊對比試塊檢測面的間隙隨曲率半徑增加依次增大。探頭中心與工件間隙對超聲波耦合效果具有關(guān)鍵的影響，因此在小曲率半徑環(huán)向?qū)咏宇^進(jìn)行檢測的探頭，如果用于曲率半徑大于對比試塊的工件的檢測，將引起靈敏度下降，造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

環(huán)向?qū)咏宇^檢測面與探頭楔塊曲率半徑不一致造成的耦合狀況差異使檢測靈敏度發(fā)生改變。內(nèi)弧面曲率引起的聲束發(fā)散造成二次波檢測靈敏度進(jìn)一步下降。改善耦合狀況、合理選擇探頭可以適當(dāng)減少對檢測靈敏度的影響。

采用R90、R125和R180三種規(guī)格的RB-C對比試塊與CSK-ⅡA對比試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)反射體回波聲壓比較，發(fā)現(xiàn)RB-C對比試塊曲率半徑越小、厚度越大，相同深度標(biāo)準(zhǔn)反射體回波差值越大，二次波差值尤其明顯。

建議曲率半徑小的RB-C對比試塊適當(dāng)減小環(huán)向?qū)咏宇^適用的曲率范圍，推薦以R85、R105、R140和R200四種曲率半徑的對比試塊適用于外直徑≥159～500mm的環(huán)向?qū)咏宇^。某一外徑范圍的環(huán)向?qū)咏宇^使用唯一曲率半徑的RB-C對比試塊，使檢測基準(zhǔn)處于同一水平。

◆參考文獻(xiàn)

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