基于聲速和衰減系數(shù)的快速檢測直縫鋼焊接接頭缺陷的超聲探傷工藝

基于聲速和衰減系數(shù)的快速檢測直縫鋼焊接接頭缺陷的超聲探傷工藝

作為一種改進(jìn)的9tr1mo鋼，9mm處的熱脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，長期強(qiáng)度高，允許使用能力強(qiáng)。它是中國眾多新建和近視席位鍋爐（集箱和主蒸汽管道等）的最重要部件。為提高大型機(jī)組鍋爐的安全運行,研究大厚壁P91鋼管焊接接頭的超聲檢測方法,尤其是適合在用機(jī)組現(xiàn)場檢測的超聲檢測方法,具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。1被試塊及本塊的設(shè)計對P91鋼焊接接頭進(jìn)行超聲檢測,P91鋼的聲學(xué)特性是對P91鋼焊接接頭中缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位、定量及定性的至關(guān)重要的因素。文中對P91鋼的聲學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測定,主要包括超聲波橫波在P91鋼中的傳播速度和衰減兩部分。為了對不同批次的P91鋼的聲學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的研究和測定,設(shè)計下面一組聲學(xué)特性試塊:(1)試塊A:選用P91鋼管的規(guī)格為?368mm×42mm×483mm。(2)試塊B:選用P91鋼管的規(guī)格為?490mm×56mm×205mm。1.1雙接頭測壓法選用漢威HS510數(shù)字超聲檢測儀進(jìn)行測量,該超聲檢測儀是便攜式、小型的無損檢測設(shè)備,顯示器采用場致發(fā)光顯示屏,其優(yōu)點是高對比度、高分辨率。該儀器中所顯示的S聲程,是根據(jù)檢驗開始之前所設(shè)定的聲速與實際測得的t時間相乘所得到的,也就是說聲程是隨著聲速的設(shè)定而改變的,但無論這兩種數(shù)據(jù)如何變化,實際測得的超聲波在材料中通過所用的時間都是準(zhǔn)確的,這個原理為利用雙探頭測量橫波聲速提供了有利的依據(jù),見圖1?？紤]到聲束的偏移,測量過程中采用有較好的聲束指向性并且K值為1的相同規(guī)格的兩個探頭,在標(biāo)準(zhǔn)試塊上準(zhǔn)確地測出兩個探頭的探頭前沿l0;用游標(biāo)卡尺精確測量試樣的厚度H(不能進(jìn)行壁厚測量的工件,根據(jù)廠家所給出的鋼管尺寸數(shù)據(jù)確定厚度H);任意輸入聲速,然后進(jìn)行測量,將兩個探頭相對放置到雙探頭夾中,然后手把握柄,將雙探頭放置在試樣的平滑處,前后移動左邊的探頭,同時觀察示波器屏幕,找到波峰最高時,固定探頭;仔細(xì)讀取標(biāo)尺上的數(shù)據(jù),準(zhǔn)確測量兩個探頭之間的距離l。t=S機(jī)/CS2(1)式中CS2——隨機(jī)輸入的橫波聲速,m/sS機(jī)——探傷儀中顯示距離,m則聲速計算如下:CS3=(l+2l02)2+H2√t(2)CS3=(l+2l02)2+Η2t(2)式中CS3——橫波聲速,m/sl——探頭間的距離,ml0——探頭前沿距離,mH——試樣厚度,m為了驗證該方法測量橫波聲速的準(zhǔn)確性,在碳素鋼CSK-1A試塊上進(jìn)行測量驗證,將探頭對準(zhǔn)試塊的圓弧,準(zhǔn)確測量試塊中的橫波聲速,測量得CS1=3218.8m/s。然后采用上述方法進(jìn)行測量:H=100mm,l=100mm,l0=10mm。由計算可知,測量所得橫波聲速的最大相對誤差為0.72%,平均相對誤差為0.65%,均小于1%,具有很高的準(zhǔn)確性,并且該方法簡單方便,因此可以用于對P91鋼中橫波聲速的測量。運用雙探頭法測量A、B試塊中的橫波聲速,測得數(shù)據(jù)見表1。從表1中的數(shù)據(jù)可知,A試塊中橫波聲速為3254.96m/s,B試塊中橫波聲速為3237.96m/s,與理論的P91鋼中橫波聲速有少量誤差,這是由于試塊的表面有一層凹凸不平的氧化層,對聲速產(chǎn)生了一定的影響,但這也恰好證實了該P(yáng)91鋼試塊中橫波聲速測量的準(zhǔn)確性,完全可以準(zhǔn)確地應(yīng)用到火電站現(xiàn)場的P91鋼焊接接頭的超聲檢測中。1.2被試和檢測方法超聲波在介質(zhì)中傳播時,隨著傳播距離的增加其能量逐漸減弱,這種現(xiàn)象稱為超聲波的衰減。超聲衰減的機(jī)理非常復(fù)雜,從理論上分析,主要有三個原因?qū)е铝顺曀p,即:(1)由聲束擴(kuò)散引起的超聲衰減;(2)由散射引起的衰減;(3)由介質(zhì)吸收引起的衰減。不同批次的P91鋼的組織與晶粒度都不同,其衰減系數(shù)也不同,準(zhǔn)確地測定其衰減系數(shù),對P91鋼焊接接頭中缺陷的準(zhǔn)確定位、定量及定性,具有非常重要的意義。根據(jù)JB4730—2005中的方法,對P91鋼的橫波衰減系數(shù)進(jìn)行測定。本次測量中所選用的是2.5MHz、10mm×12mm方晶片K1.0的橫波斜探頭,對該探頭在第二介質(zhì)中的3倍近場區(qū)進(jìn)行計算,得:3N=3abπλS2cosβcosα?L1tgαtgβ(3)3Ν=3abπλS2cosβcosα-L1tgαtgβ(3)式中a——探頭晶片寬度,mmb——探頭晶片長度,mmL1——入射點至晶片的距離,mmsinαLCL1=sinβSCS2(4)sinαLCL1=sinβSCS2(4)式中αL——縱波入射角CL1——探頭楔塊中縱波聲速,m/sCS2——P91鋼中橫波聲速,m/sβS——P91鋼中橫波折射角,°L1=L?L0sinαL=6.67mmL1=L-L0sinαL=6.67mm3N=73.09mm文中檢驗的P91鋼管的厚度分別為44.1mm和57.1mm,進(jìn)行直射法時,聲程均大于73.09mm,因此可以應(yīng)用公式進(jìn)行計算。采用2.5MHz的橫波斜探頭測定A、B、RB-2試塊中的橫波衰減系數(shù),結(jié)果見表2。2在實際試驗過程中的修改和調(diào)整2.1加標(biāo)使用前后和使用期間、使用次數(shù)的測定斜探頭的標(biāo)稱K值為斜探頭聲束在鋼中折射角的正切值。K值與入射點等參數(shù)的準(zhǔn)確性對缺陷定位精度影響很大,其標(biāo)稱值也因制造、磨損等原因與實際值往往存在差異,因此需在使用前和使用中經(jīng)常測定。由于在P91鋼中的橫波聲速與在標(biāo)準(zhǔn)試塊中的橫波聲速不同,因此必須對其K值進(jìn)行校正,校正如下:sinαLCL1=sinβSCS2(5)K=tanβS(6)sinαLCL1=sinβSCS2(5)Κ=tanβS(6)校正結(jié)果見表3。2.2進(jìn)行時基線掃描調(diào)節(jié)根據(jù)規(guī)定,探傷面曲率半徑R大于W2/4時,可在平面對比試塊上或與探傷面曲率相近的曲面對比試塊上,進(jìn)行時基線掃描調(diào)節(jié)。文中所檢測的焊接接頭為環(huán)縫,則W為探頭寬度,即:W1=18mm,W12/4=81mm并且R1=226mm,R2=301mm,則:R1=226mm>81mm,R2=301mm>81mm。因此,可在平面對比試塊上進(jìn)行時基線掃描調(diào)節(jié)。由于在P91鋼中的橫波聲速與在標(biāo)準(zhǔn)試塊中的橫波聲速不同,利用CSK-I試塊進(jìn)行時間基線的調(diào)整,必須對其輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,校正如下:S=S1CS1CS2(7)S=S1CS1CS2(7)式中S——輸入的距離,mS1——實際距離,mCS1——CSK-I試塊中橫波聲速,m/sCS2——P91鋼中橫波聲速,m/s校正結(jié)果見表4。用CSK-I試塊上R50和R100兩個圓弧面的反射進(jìn)行調(diào)整,將斜探頭對準(zhǔn)R50、R100,調(diào)整儀器使回波B1、B2分別對準(zhǔn)基線刻度數(shù)據(jù)(見表4)即可。2.3補(bǔ)償測定中的dbp采用對比試塊RB-2(?3×40橫通孔試塊)繪制DAC曲線,在本次檢測中,輸入P91鋼中的橫波聲速,應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對比試塊RB-2進(jìn)行DAC曲線的繪制。由于P91鋼工件的材質(zhì)衰減與標(biāo)準(zhǔn)對比試塊RB-2的材質(zhì)衰減不同,因此將該曲線應(yīng)用到P91鋼工件的檢測中,必須進(jìn)行一定的補(bǔ)償校正,校正如下:在2.2節(jié)中,通過測試得到標(biāo)準(zhǔn)對比試塊RB-2中的橫波衰減系數(shù)為0.0027dB/mm,A試塊P91鋼中的橫波衰減系數(shù)為0.0152dB/mm,Δ=0.0125dB/mm,B試塊P91鋼中的橫波衰減系數(shù)為0.0083dB/mm,Δ=0.0056dB/mm。S=H/cosβs(8)補(bǔ)償dB數(shù)為:dB=2SΔ對A試塊各個點補(bǔ)償?shù)膁B數(shù)見表5?！皾h威”HS510數(shù)字超聲波探傷儀對DAC曲線具有強(qiáng)大的調(diào)校功能,進(jìn)入調(diào)校界面以后,根據(jù)表5中給出的數(shù)據(jù),分別對各個點進(jìn)行校正。3缺陷的波形分析及初步判定對探頭進(jìn)行優(yōu)化選擇,選用K值為1,1.5,2.0、晶片尺寸為10mm×12mm、頻率為2.5MHz的橫波斜探頭進(jìn)行超聲檢測。對現(xiàn)場工件進(jìn)行探傷,對焊接接頭的根部、層間以及表面都具有很好的檢驗效果,能夠準(zhǔn)確地對缺陷進(jìn)行定位、定量。對圖2所示缺陷進(jìn)行檢測,將探頭左右平移,波形較為穩(wěn)定,分別用探頭在焊接接頭的兩側(cè)對其檢測,兩側(cè)缺陷反射的波幅高度基本不變。分別用直尺頂住探頭前沿,向前測量33.6mm,缺陷的位置基本上在焊接接頭中心的位置,由屏幕顯示數(shù)據(jù)可知,該缺陷的深度在43.6mm,缺陷當(dāng)量為?3×40-10+13.2=?3×40+3.2,在Ⅲ區(qū),母材厚度為44.1mm,基于以上波形的分析以及缺陷位置的計算,初步判定該缺陷為根部未焊透。該缺陷反射波幅位于第Ⅲ區(qū),無論其指示長度如何,均評定為Ⅳ級。對圖3所示缺陷進(jìn)行檢測,缺陷回波高度低,波形較為穩(wěn)定,從各個方向?qū)ζ涮綔y,反射波高大致相同,但稍一移動探頭時,缺陷的反射波就會消失。用直尺頂住探頭前沿,向前測量43.4mm,缺陷的位置基本上在焊接接頭中,由屏幕顯示數(shù)據(jù)可知,該缺陷的深度在25.3mm,缺陷當(dāng)量為?3×40-10+5.0=?3×40-5.0,在Ⅱ區(qū),母材厚度為44.1mm?；谝陨喜ㄐ蔚姆治鲆约叭毕菸恢玫挠嬎?初步判定缺陷為單個氣孔。對圖4所示缺陷進(jìn)行檢測,將探頭左右平移,反射波連續(xù)出現(xiàn),并且伴隨著波幅的變動,將探頭轉(zhuǎn)動檢驗時,波峰有上下錯動現(xiàn)象。用直尺頂住探頭前沿,向前測量79.5mm,缺陷的位置在焊接接頭上,由屏幕顯示數(shù)據(jù)可知,缺陷的深度為89.5mm,缺陷當(dāng)量為?3×40-10-2.0=?3×40-12,缺陷在Ⅱ區(qū),母材厚度為44.1mm?；谝陨喜ㄐ蔚姆治鲆约叭毕菸恢玫挠嬎?初步判定缺陷為表面裂紋。根據(jù)JB/T4730—2005的規(guī)定,評定為Ⅳ級。4試驗塊的帶動性驗證用雙探頭測量