閥門鑄鋼件異形結(jié)構(gòu)區(qū)域的相控陣超聲檢測

鑄鋼閥門因設(shè)計靈活、成本低廉，在電力、石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于工藝制定與實際操作存在偏差，閥門鑄鋼件在生產(chǎn)過程中難免會產(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)力作用下缺陷會擴展，甚至?xí)?dǎo)致閥體斷裂，對閥門運行造成巨大的安全隱患。對用于承壓設(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)雜的工件時存在膠片布置困難、壁厚不均勻的工件曝光時間難以控制、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、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。福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院的蘇宣機高工分別從相控陣超聲檢測的試件選擇、材料特性試驗和檢測試驗入手，對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行了深入研究。1試件選擇圖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試件為如圖1所示的閥門鑄鋼件，型號為Q41F-16C，公稱直徑為DN150，材料為WCB。閥門結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗切取圖2中虛線框區(qū)域作為檢測試件。基于鑄鋼件的壁厚突變和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，試件制作時在如圖3所示的1，2，3號部位加工線切槽作為人工模擬缺陷。2材料特性試驗●●考慮到鑄鋼件可能存在鑄造組織不均勻、晶粒粗大等特點，會導(dǎo)致聲波衰減嚴(yán)重。因此，在開展相控陣檢測研究前，要先進行相關(guān)試驗與分析。1化學(xué)成分分析采用牛津儀器公司FOUNDR-MASTERPRO全譜火花直讀光譜儀分析試件的化學(xué)成分，結(jié)果符合GB/T12229-2005《通用閥門碳素鋼鑄件技術(shù)條件》的要求。2聲波衰減試驗選用武漢中科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5MHzΦ10mm直探頭置于待檢測試件的平面位置(法蘭處)，調(diào)節(jié)增益使第一個反射波達到80%高度，此時增益為49.8dB，如圖4所示；而同樣情況下，在CSK-IA試塊上測試，增益僅為9.1dB，如圖5所示。圖4閥門鑄鋼件聲波衰減示意圖5CSK-IA試件聲波衰減示意將兩者比較可見，聲波在試件中傳播衰減明顯比CSK-IA試塊嚴(yán)重。選用5Z10*10K2斜探頭進行檢測，無法找到試件的端角反射波，說明試件無法進行橫波檢測。3金相組織分析試驗采用美國CHAWER&PTI公司PTI-5000現(xiàn)場金相檢測儀進行金相組織分析，結(jié)果顯示試件的組織不均勻且晶粒異常粗大，平均晶粒直徑達到0.5mm以上，原始組織金相檢驗結(jié)果如圖6所示。而對于晶粒直徑接近超聲波波長的1/10時，就會有明顯的聲散射；當(dāng)晶粒直徑達到半個波長時，聲散射劇增，聲波會嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致無法進行超聲檢測。圖6原始組織金相檢驗結(jié)果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12229-2005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880~920℃，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940~960℃，保溫后空冷，可以細化組織，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，為進一步開展檢測研究，試驗選用正火處理工藝進行處理，將試件加熱到(950±10)℃，保溫2h，空冷。正火處理后的組織為珠光體+鐵素體，晶粒均勻、細小，正火處理后組織金相檢驗結(jié)果如圖7所示。圖7正火處理后組織金相檢驗結(jié)果再用直探頭對正火處理后的試件進行測試，其結(jié)果與CSK-IA試塊測試結(jié)果相近，用5Z10*10K2斜探頭進行檢測，端角反射波明顯，說明可以進行橫波檢測。以下試驗均以正火狀態(tài)的鑄鋼件作為檢測對象。3相控陣超聲檢測試驗●●相控陣技術(shù)是通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中的各個晶片，按照一定的延時法則發(fā)射和接收超聲波，實現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)等功能，通過激發(fā)多角度聲束對檢測區(qū)域進行較大面積的覆蓋，在探頭不前后移動的情況下實現(xiàn)對檢測區(qū)域的掃查，從而提高了檢測效率及缺陷檢出率。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)用具有獨特優(yōu)勢。試驗采用以色列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5MHz，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。1號區(qū)域檢測結(jié)果1號區(qū)域為閥體頸部R角部位，頸部的壁厚為12mm，試件在R角部位加工有長度為30mm、深度為3mm的線切割槽，如圖8所示。圖81號區(qū)域檢測方式示意待檢測部位的結(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”進行檢測，該軟件可設(shè)置描繪工件的真實幾何結(jié)構(gòu)，顯示聲場覆蓋范圍。檢測結(jié)果同時具有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。01參數(shù)設(shè)置與聲場仿真進入Isonic-2009“管板角縫檢測軟件”模式，進入“探頭和楔塊參數(shù)”界面，選擇對應(yīng)的探頭型號及楔塊規(guī)格，參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。圖9參數(shù)設(shè)置界面點擊進入相控陣“扇形掃描參數(shù)”設(shè)置界面，按要求設(shè)置各項參數(shù)，利用半圓試塊進行探頭角度增益補償修正，設(shè)置待檢試件幾何形狀，然后進入“扇形掃查范圍和探頭位置”進行設(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。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101號區(qū)域聲場仿真結(jié)果02檢測掃查儀器各項參數(shù)設(shè)置完成后進入檢測掃查界面，探頭放置在如圖8所示位置，沿檢測區(qū)域平行移動探頭進行掃查，掃查結(jié)果如圖11所示。圖111號區(qū)域掃查結(jié)果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別結(jié)構(gòu)回波，避免幾何結(jié)構(gòu)反射信號造成誤判，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28mm，最大深度為3.2mm。圖121號區(qū)域缺陷3D顯示2號區(qū)域檢測結(jié)果2號區(qū)域檢測方法如圖13所示，壁厚為12mm，外表面加工有長度為50mm、深度為4mm的線切割槽。圖132號區(qū)域檢測方法示意該部位檢測時選擇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號區(qū)域，為更好地得到模擬缺陷最佳的反射信號，探頭位置設(shè)置時先利用試件截面找到上邊緣最強的二次波信號，這時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142號區(qū)域聲場仿真結(jié)果按照1號區(qū)域檢測同樣的方法進行掃查，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53mm，最大深度為4.6mm。圖152號區(qū)域掃查結(jié)果圖162號區(qū)域缺陷3D顯示3號區(qū)域檢測結(jié)果3號區(qū)域檢測方法示意如圖17所示，壁厚為12mm，壁厚突變處的內(nèi)側(cè)表面加工有長度為30mm、深度為2mm的線切割槽。圖173號區(qū)域檢測方法示意該部位檢測選擇Isonic-2009中的“縱焊縫檢測軟件”，探頭位置設(shè)置時參照2號區(qū)域進行檢測，利用試件截面找到下邊緣最強的一次波信號，這時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183號區(qū)域聲場仿真結(jié)果按照上述同樣的方法進行掃查，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33mm，最大深度為2.5mm。圖193號區(qū)域掃查結(jié)果圖203號區(qū)域缺陷3D顯示結(jié)果對比將檢測結(jié)果進行匯總，如下表所示，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3mm，深度最大偏差為0.6mm。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，相控陣超聲檢測時需進行必要的聲場仿真。針對不同的結(jié)構(gòu)形狀選用相應(yīng)的檢測軟件，真實地構(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