圆柱曲面周向横波探伤在锅炉压力容器检验中的应用

圆柱曲面周向横波探伤在锅炉压力容器检验中的应用

在锅炉压力容器和压力管道的制造和应用中，广泛使用了圆柱形截面周围的横波检测。例如，这种情况包括对筒体纵关节超声检测的应用和对筒体横关节的周向横波检测。在缺陷定位方面，这些零件与平板匹配焊接的超声波检测完全不同。在这些岗位的操作过程中，应使用误差反射信号对应于平板截面的深度，并使用检测k值和具体尺寸（曲线半径和厚度）等数据进行复杂计算，以便正确定位缺陷。一般来说，难以理解和使用实际的误差，这很容易导致误差和检验错误，这降低了检测质量和检验的准确性。此外，目前的相关标准没有规定这些工作场所的不足定位方法。因此，在进行检测时，大多数探测器采用自己选择的定位方法对不足进行定位。近年来,许多超声工作者在提高对缺陷定位的准确性和实现对缺陷定位的简易化方面进行了很多研究,取得了一些成绩。如在曲率半径、工件厚度和所使用探头K值已确定的前提下,对某工件制定专用的近似定位曲线,供实际探伤时查用,起到了一些效果。但是,在实际应用中发现:曲率半径、工件厚度及探头K值中只要有一项变化,就必须重新制作曲线,使这种针对某特定工件的定位曲线失去了通用价值,没有给探伤人员带来方便,因此,在实际应用中受到了一定限制。笔者经过多年研究和实际应用,总结出了圆柱曲面周向横波探伤缺陷定位通用曲线,适用于对各种不同曲率半径和不同厚度的工件,用不同K值探头进行超声波探伤缺陷定位,不但可提高缺陷定位的准确性,而且操作简便,并可提高探伤工作效率,给实际探伤带来较大方便。1横波检测柱状面的特点1.1平板工件缺陷深度如图1所示,用某K值探头在圆柱曲面外侧作周向探测时发现缺陷F,缺陷F的位置由离开外圆面距离CF=H和外圆弧长⌢AC=⌢LACue150ue151ue154ue154=L⌢表示,此时探伤仪扫描线上显示的相当于平板工件中缺陷深度AB=d,水平距离BF=L。同样,当某K值斜探头在内圆面作周向探测时发现缺陷F,如图2所示,缺陷F的位置由离开内圆面深度CF=h和内圆面弧长⌢AC=⌢l2表示,此时探伤仪扫描线上显示的相当于平板工件中缺陷深度AB=d,水平距离BF=l。显然,缺陷深度H或h不等于缺陷波显示的平板工件深度d,弧长⌢L或⌢l2也不等于缺陷波相当于平板工件水平距离L或l。实际上,缺陷深度H或h及弧长⌢L或⌢l2不仅与缺陷波显示的平板工件深度d有关,而且还和工件曲率半径R或r及所用的探头K值有关,存在着较复杂的函数关系,见式(2)和式(3),在实际探伤时,应通过计算方可确定缺陷的位置H或h及⌢L或⌢l2。1.2材料k值接头位置dmax对于给定的某K值斜探头,在外圆面周向探测圆柱曲面工件时,存在一个对应的最大探测壁厚dmax,如图3所示,当工件厚T≤dmax时,对应的某K值探头可探测整个板厚,当工件厚度T>dmax时,某K值探头不能对整个板厚探测,只能探测靠近外圆面的部分厚度,对靠近内圆面的部分厚度范围将探测不到。由图3可知,最大探测壁厚dmax与外半径R、探测折射角β存在下列关系:Rdmax=11-sinβ(1)式中dmax=R-r,r—工件内半径β=tg-1K,K—探头K值由(1)式可求得不同K值探头对应的R/dmax及β值,见表1。当某工件曲率半径R与板厚T之比R/T大于或等于表1中某K值探头对应的R/dmax值时,可选择小于或等于该K值的探头用于探测该工件。如对R=200mm,T=20mm的工件,则R/T=10,由表1可知,只能选择小于或等于K2探头,可满足要求。2外圆向水平波的损伤2.1u3000缺陷定位方法斜探头在圆柱曲面外圆面周向探伤时,缺陷F的位置由离开外表面距离CF=H和外圆面弧长⌢AC=⌢L确定,如图1所示,设缺陷F在平板工件中深度AB=d,水平距离BF=L=Kd,K为探头K值,工件圆心为O,外半径R,∠AOF=θ,θ和OF分别为:θ=tg-1BFΟB=tg-1ΚdR-d=tg-1ΚR/D-1ΟF=√BF2+ΟB2=√(Κd)2+(R-d)2则缺陷位置为:{Η=ΟC-ΟF=R-√(Κd)+(R-d)2⌢L=Rπθ180=0.0174Rtg-1ΚR/d-1(2)由(2)式可知,对给定的某K值探头,只要在探伤仪扫描线上读得平板工件中缺陷深度d,就可求得圆柱曲面工件中缺陷深度H和弧长⌢L,由于H和⌢L不等于平板工件中深度d和水平距离L,为使用方便,引入外圆面探伤深度修正系数ξ和弧长修正系数ε,分别为:{ξ=Ηd=Rd-√Κ2+[Rd-1]2ε=⌢LL=0.01741Κ⋅Rdtg-1ΚRd-1(3)式中R—工件外半径K—探头K值d—扫描线显示缺陷平板工件深度由(3)式可知,ξ和ε是探头K值和工件外半径R与缺陷显示的平板工件深度d之比R/d的函数,在K和R/d值确定后,相应的ξ和ε也可确定。为实际使用方便,利用(3)式计算出不同的K值探头时ξ和ε与R/d的对应关系,列于表2,供实际探伤时查用。如将(2)式中H和⌢L用ξ和ε表示,则外圆周向探测缺陷位置可表示为:{Η=ξd⌢L=εL=εΚd(4)2.2次波探测时缺陷d若缺陷F在外圆面二次波探测时被发现,如图4所示,则缺陷F可认为斜探头在图4所示位置E由一次波探测发现,此时得到缺陷显示的平板工件深度d′,则缺陷位置为:{Η=ξd´d´⌢L=⌢AC=⌢AE-⌢CE(5)式中ξd′—缺陷显示平板工件深度d′时得到的ξ值(可由(3)式求出)在实际探伤时,探头在位置A探测,并非在位置E探测,因此(5)式中d´‚⌢AE和⌢CE均未知,可用下列方法求得:如图4所示,一次波声程为AD,二次波声程为DE,且AD=DE,缺陷F位于二次波声程DE上,其显示的平板工件深度为d,设一次波射到工件内壁D点时,显示的平板工件深度d1,二次波射到工件外壁E点时,显示的平板工件深度d2,则d2=2d1=2AB,设声波到达工件内壁D点时,相对应的深度修正系数ξT,可用下式表示:ξΤ=AGAB=Τd1=2Τd2=1R/Τ-(R/Τ-1)cos[sin-1[sinβ1-Τ/R-β]](6)式中T—工件厚度β—探头折射角R—工件外半径利用(6)式求出ξT后,可求得d1和d2值:{d1=ΤξΤd2=2ΤξΤ(7)由于二次波探测时缺陷F显示的平板工件深度d必须满足:d1<d<d2,则可得到:d′=d2-d(8)缺陷离外圆面深度H为:H=ξd′d′=ξd′(d2-d)(9)式中ξd′—缺陷显示平板工件深度d′时深度修正系数(ξ值可利用(3)式,将d′数值代入d进行计算求得)由图4可求得弧长AE的表示式为:弧长⌢AE=πR90[sin-1[sinβ1-Τ/R-β]]=2εd1Kd1(10)式中εd1—显示平板工件深度d1时的弧长修正系数(可利用(3)式求得)弧长⌢CE可用下式求得:弧长⌢CE=εd′Kd′(11)式中εd′—显示平板工件深度d′时弧长修正系数(可利用(3)式求得)则缺陷在外圆面弧长⌢L为:⌢L=⌢AC=⌢AE-⌢CE=2εd1Κd1-εd´Κd´(12)现根据(6)式,对不同K值探头计算出ξT,将ξT与外圆探测一次波圆心角ue001φ=sin-1[sinβ1-Τ/R]-β随R/T变化的规律列于表3,供实际使用中查阅。3内圆表面周围的横向波场3.1缺陷定位方法当在内圆面作周向探测时,缺陷位置由离开内圆面深度CF=h和内圆面弧长⌢AC=⌢l2确定,如图2所示,设工件内、外半径分别为r和R,图2中∠AOF=θ,则缺陷F显示的平板工件深度d=AB,水平距离l=BF=dK,K为探头K值,θ由下式表示:θ=tg-1BFΟB=tg-1dΚr+d=tg-1Κrd+1图2中ΟF=√BF2+ΟB2=√(Κd)2+(r+d)2缺陷位置由下式表示:{h=ΟF-ΟC=√(Κd)2+(r+d)2-r⌢l2=rπθ180=0.0174rtg-1Κrd+1(13)由图2可知,缺陷显示的平板工件深度d和缺陷离内圆面深度h及缺陷显示的平板工件水平距离l和内圆面弧长⌢l2不相等,故引入内圆面周向探测深度修正系数λ和水平修正系数μ,分别为:{λ=hd=√Κ2+[rd+1]2-rdμ=⌢l2l=0.0174⋅1Κ⋅rd⋅tg-1Κrd+1(14)式中r—工件内半径K—探头K值d—缺陷显示的平板工件深度从而缺陷位置可用λ、μ、K和d表示:{h=λd⌢l2=μl=μΚd(15)为便于实际应用,现对不同K值探头在探测不同曲面工件时,λ和μ随r/d变化的计算结果列于表4,供实际使用时查阅。3.2确定一次波圆心角在内圆面二次波探测缺陷F时,如图5所示,则缺陷F可认为在位置E处由一次波探测得到,其相应显示的平板工件深度为d″,则缺陷F的位置h和⌢l2为:{h=FC=λd˝⋅d˝⌢l2=⌢AC=⌢AE-⌢CE(16)式中λd″—显示平板工件深度d″时的λ值在实际探伤时,探头位于位置A处,采用与外圆面周向探测类似的处理方法,则式(16)中d″、⌢AE和⌢CE可用下列方法求得:如图5所示,缺陷F位于二次波声程DE上,D点为声波在外圆面反射点,则D点离内表面的探测深度为工件厚度T,此时显示平板工件深度d′1=AB,声波到达E点时显示的平板工件深度d′2=2d′1=2AB,设声波到达外圆面D点时对应的深度修正系数为λT:λT=AGAB=1[rΤ+1]cos[β-sin-1[sinβ1+Τ/r]]-rΤ(17)式中T—工件板厚,T=R-rR—工件外半径r—工件内半径β—tg-1K(K探头K值)则缺陷F的位置为:{h=λd˝(d´2-d)⌢l2=2μd´1Κd´1-μd˝Κd˝(18)式中d´2=2d´1=2ΤλΤ(λΤ可由式(17)求得)d″=d′2-dλd″—显示平板工件深度d″时的λ值μd′1—显示平板工件深度d′1时的μ值μd″—显示平板工件深度d″时的μ值根据(17)式,可得到不同K值探头λT,将λT及一次波圆心角θ=β-sin-1[sinβ1+Τ/r]随rΤ变化规律列于表5,供实际使用时查阅。4进行定位定位若探伤仪扫描线按声程比例调节时,应将声程比例换为深度比,然后按上述深度比例定位方法对缺陷进行定位。具体变换方法为:当采用数字式探伤仪时,可直接将声程比例转变为深度比例。当采用模拟探伤仪时,按下列方法将声程比例变换成深度比例:{d=S⋅cosβL=S⋅sinβ(19)式中d—缺陷波显示平板工件深度L—缺陷波显示平板工件水平距离S—缺陷波显示声程β—tg-1K5实际应用5.1h、t、的变化5.1.1根据(1)式得到的K值与R/T或R/dmax的关系如图6所示。5.1.2根据(6)式得到ξT随R/T的变化如图7所示。5.1.3根据(4)式得到H或T及⌢LΚ与d或d1的关系如图8所示。5.1.4根据(3)式得到ξ和ε随R/d的变化如图9所示。5.1.5根据(17)式得到λT随r/T的变化如图10所示。5.1.6根据(14)式得到λ和μ随r/d的变化如图11所示。5.1.7⌢L或⌢l2在不同K值时与⌢LΚ或⌢l2Κ变化关系如图12所示。5.2外圆曲向勘探曲线的应用步骤5.2.1确定接头k值,求出符合r/t值及选用的我国n在检测前根据工件情况预先求出下列数据:(1)确定R/T值:根据R和T值计算。(2)选择探头K值:由图6根据R/T值查出K值选用范围。(3)求出ξT:利用图7,根据R/T值及选用的探头K值查出ξT值。(4)求出d1和d2:利用图8根据ξT和T查出对应的d1和d2。5.2.2计算缺陷深度的r/d值(1)确定R/d值:根据缺陷波显示的平板工件深度d值,在满足d<d1时,计算出R/d值。(2)求出ξ和ε值:利用图9查出与K值和R/d对应的ξ和ε值。(3)确定缺陷深度H和⌢L/Κ值:利用图8查出与ξ和ε相对应的d值时的缺陷深度H和⌢L/Κ值。(4)确定弧长⌢L:利用图12查出外圆面弧长⌢L。5.2.3检查dd(1)确定d′值和R/d′值:根据缺陷波显示的平板工件深度d值,并满足d1<d<d2时,求出d′=d2-d值。再计算出R/d′值。(2)查出与d′对应的ξ和ε值:利用图9查出所用探头K值对应的ξ和ε值。(3)查出缺陷深度H和⌢L1/Κ值:利用图8查出缺陷深度H和⌢CE/Κ=⌢L1/Κ值,再利用图12查出弧长⌢CE=⌢L1。(4)查出ξd1值:利用图7根据R/T查出所使用探头K值对应的ξd1值,然后由图8查出在T和εd1对应时⌢L/Κ值。(5)确定缺陷弧长⌢AC:利用图12查出⌢AC=2⌢L,则缺陷弧长⌢AC=⌢AE⌢CE=2⌢L⌢L1。5.2.4根据封建数,把两种基因连锁元型多转加回归为2.工件规格:外径Ø1200mm,板厚20mm。(1)R/Τ=1200/220=30(2)选用K2探头,由图6查出。(3)由图7查出ξT=0.927(4)由图8查出d1=21.57mm,d2=43.15mm(5)一次波探测,发现缺陷波显示平板工件深度d=18mm,则:R/d=600/18=33.3,由图9查得d=18mm对应的ξ=0.94,ε=1.027,然后由图8查得缺陷深度H=16.92mm及⌢L/Κ=εd=18.48mm,再由图12查得弧长⌢L=36.97mm。(6)二次波探测,发现缺陷显示平板工件深度d=30mm,则d′=d2-d=43.15-30=13.15mm,R/d′=600/13.15=45.6,利用图9查得K2探头在R/d′=45.6时对应的ξ=0.995,ε=1.02,利用图8查得缺陷深度H=12.56mm及⌢L/Κ=εd′=13.4mm,再利用图12查得弧长⌢CE=⌢L1=26.8mm,再由图9查得d1=21.5mm时与K2探头对应的ε=1.033,最后由图12查得全跨距长⌢AE=2⌢L=88.44mm,则缺陷水平弧长⌢AC=⌢AE⌢CE=88.44-26.8=61.6mm。5.3内圆周勘探和应用步骤5.3.1工件t值的计算在检测前根据工件情况预先求出下列数据:(1)确定r/T值:根据工件计算,或由图6查得。(2)求出λT:利用图10,根据R/T值查出λT值。(3)求d′1和d′2,:利用图8查出与λT和T对应的d1和d2。5.3.2计算缺陷深度的r/d值(1)确定r/d值:根据缺陷显示的平板工件深度d,在满足d<d′1,时,计算出r/d值。(2)求出λ和μ:利用图11查出与K值和r/d对应的λ和μ值。(3)确定缺陷深度h和⌢l2/Κ值:利用图8查出与λ和μ相对应的d值时缺陷深度h和⌢l2/Κ值。(4)确定弧长⌢L:利用图12查出内圆面弧长⌢AC=⌢L5.3.3检查d1、32值(1)确定d″值和r/d″值:根据缺陷波显示的平板工件深度d值,并满足d′1<d<d′2,时,求出d″=d′2-d值,再计算出r/d″值。(2)查出与d″对应的λ和μ值:利用图11查出所用探头K值对应的λ和μ值。(3)查出缺陷深度h和⌢l1/Κ值:利用图8查出缺陷深度h和⌢CE/Κ=⌢l1/Κ值,再利用图12查出弧长⌢CE=⌢L1。(4)查出μd′1值:利用图10根据r/T查出所用探头K值对应的μd′1值。然后由图11查出T和μd′1对应的⌢l2/Κ值。(5)确定弧长⌢AC:利用图12查出⌢AE=2⌢l2,则缺陷弧长⌢AC=⌢AE⌢CE=2⌢l2⌢l1。5.3.4次波探测