基于声速和衰减系数的快速检测直缝钢焊接接头缺陷的超声探伤工艺

基于声速和衰减系数的快速检测直缝钢焊接接头缺陷的超声探伤工艺

作为一种改进的9tr1mo钢，9mm处的热胀系数小，导热性好，长期强度高，允许使用能力强。它是中国众多新建和近视席位锅炉（集箱和主蒸汽管道等）的最重要部件。为提高大型机组锅炉的安全运行,研究大厚壁P91钢管焊接接头的超声检测方法,尤其是适合在用机组现场检测的超声检测方法,具有重要的实际意义和应用价值。1被试块及本块的设计对P91钢焊接接头进行超声检测,P91钢的声学特性是对P91钢焊接接头中缺陷进行准确定位、定量及定性的至关重要的因素。文中对P91钢的声学特性进行准确的测定,主要包括超声波横波在P91钢中的传播速度和衰减两部分。为了对不同批次的P91钢的声学特性进行准确的研究和测定,设计下面一组声学特性试块:(1)试块A:选用P91钢管的规格为∅368mm×42mm×483mm。(2)试块B:选用P91钢管的规格为∅490mm×56mm×205mm。1.1双接头测压法选用汉威HS510数字超声检测仪进行测量,该超声检测仪是便携式、小型的无损检测设备,显示器采用场致发光显示屏,其优点是高对比度、高分辨率。该仪器中所显示的S声程,是根据检验开始之前所设定的声速与实际测得的t时间相乘所得到的,也就是说声程是随着声速的设定而改变的,但无论这两种数据如何变化,实际测得的超声波在材料中通过所用的时间都是准确的,这个原理为利用双探头测量横波声速提供了有利的依据,见图1。考虑到声束的偏移,测量过程中采用有较好的声束指向性并且K值为1的相同规格的两个探头,在标准试块上准确地测出两个探头的探头前沿l0;用游标卡尺精确测量试样的厚度H(不能进行壁厚测量的工件,根据厂家所给出的钢管尺寸数据确定厚度H);任意输入声速,然后进行测量,将两个探头相对放置到双探头夹中,然后手把握柄,将双探头放置在试样的平滑处,前后移动左边的探头,同时观察示波器屏幕,找到波峰最高时,固定探头;仔细读取标尺上的数据,准确测量两个探头之间的距离l。t=S机/CS2(1)式中CS2——随机输入的横波声速,m/sS机——探伤仪中显示距离,m则声速计算如下:CS3=(l+2l02)2+H2√t(2)CS3=(l+2l02)2+Η2t(2)式中CS3——横波声速,m/sl——探头间的距离,ml0——探头前沿距离,mH——试样厚度,m为了验证该方法测量横波声速的准确性,在碳素钢CSK-1A试块上进行测量验证,将探头对准试块的圆弧,准确测量试块中的横波声速,测量得CS1=3218.8m/s。然后采用上述方法进行测量:H=100mm,l=100mm,l0=10mm。由计算可知,测量所得横波声速的最大相对误差为0.72%,平均相对误差为0.65%,均小于1%,具有很高的准确性,并且该方法简单方便,因此可以用于对P91钢中横波声速的测量。运用双探头法测量A、B试块中的横波声速,测得数据见表1。从表1中的数据可知,A试块中横波声速为3254.96m/s,B试块中横波声速为3237.96m/s,与理论的P91钢中横波声速有少量误差,这是由于试块的表面有一层凹凸不平的氧化层,对声速产生了一定的影响,但这也恰好证实了该P91钢试块中横波声速测量的准确性,完全可以准确地应用到火电站现场的P91钢焊接接头的超声检测中。1.2被试和检测方法超声波在介质中传播时,随着传播距离的增加其能量逐渐减弱,这种现象称为超声波的衰减。超声衰减的机理非常复杂,从理论上分析,主要有三个原因导致了超声衰减,即:(1)由声束扩散引起的超声衰减;(2)由散射引起的衰减;(3)由介质吸收引起的衰减。不同批次的P91钢的组织与晶粒度都不同,其衰减系数也不同,准确地测定其衰减系数,对P91钢焊接接头中缺陷的准确定位、定量及定性,具有非常重要的意义。根据JB4730—2005中的方法,对P91钢的横波衰减系数进行测定。本次测量中所选用的是2.5MHz、10mm×12mm方晶片K1.0的横波斜探头,对该探头在第二介质中的3倍近场区进行计算,得:3N=3abπλS2cosβcosα−L1tgαtgβ(3)3Ν=3abπλS2cosβcosα-L1tgαtgβ(3)式中a——探头晶片宽度,mmb——探头晶片长度,mmL1——入射点至晶片的距离,mmsinαLCL1=sinβSCS2(4)sinαLCL1=sinβSCS2(4)式中αL——纵波入射角CL1——探头楔块中纵波声速,m/sCS2——P91钢中横波声速,m/sβS——P91钢中横波折射角,°L1=L−L0sinαL=6.67mmL1=L-L0sinαL=6.67mm3N=73.09mm文中检验的P91钢管的厚度分别为44.1mm和57.1mm,进行直射法时,声程均大于73.09mm,因此可以应用公式进行计算。采用2.5MHz的横波斜探头测定A、B、RB-2试块中的横波衰减系数,结果见表2。2在实际试验过程中的修改和调整2.1加标使用前后和使用期间、使用次数的测定斜探头的标称K值为斜探头声束在钢中折射角的正切值。K值与入射点等参数的准确性对缺陷定位精度影响很大,其标称值也因制造、磨损等原因与实际值往往存在差异,因此需在使用前和使用中经常测定。由于在P91钢中的横波声速与在标准试块中的横波声速不同,因此必须对其K值进行校正,校正如下:sinαLCL1=sinβSCS2(5)K=tanβS(6)sinαLCL1=sinβSCS2(5)Κ=tanβS(6)校正结果见表3。2.2进行时基线扫描调节根据规定,探伤面曲率半径R大于W2/4时,可在平面对比试块上或与探伤面曲率相近的曲面对比试块上,进行时基线扫描调节。文中所检测的焊接接头为环缝,则W为探头宽度,即:W1=18mm,W12/4=81mm并且R1=226mm,R2=301mm,则:R1=226mm>81mm,R2=301mm>81mm。因此,可在平面对比试块上进行时基线扫描调节。由于在P91钢中的横波声速与在标准试块中的横波声速不同,利用CSK-I试块进行时间基线的调整,必须对其输入数据进行校正,校正如下:S=S1CS1CS2(7)S=S1CS1CS2(7)式中S——输入的距离,mS1——实际距离,mCS1——CSK-I试块中横波声速,m/sCS2——P91钢中横波声速,m/s校正结果见表4。用CSK-I试块上R50和R100两个圆弧面的反射进行调整,将斜探头对准R50、R100,调整仪器使回波B1、B2分别对准基线刻度数据(见表4)即可。2.3补偿测定中的dbp采用对比试块RB-2(∅3×40横通孔试块)绘制DAC曲线,在本次检测中,输入P91钢中的横波声速,应用标准对比试块RB-2进行DAC曲线的绘制。由于P91钢工件的材质衰减与标准对比试块RB-2的材质衰减不同,因此将该曲线应用到P91钢工件的检测中,必须进行一定的补偿校正,校正如下:在2.2节中,通过测试得到标准对比试块RB-2中的横波衰减系数为0.0027dB/mm,A试块P91钢中的横波衰减系数为0.0152dB/mm,Δ=0.0125dB/mm,B试块P91钢中的横波衰减系数为0.0083dB/mm,Δ=0.0056dB/mm。S=H/cosβs(8)补偿dB数为:dB=2SΔ对A试块各个点补偿的dB数见表5。“汉威”HS510数字超声波探伤仪对DAC曲线具有强大的调校功能,进入调校界面以后,根据表5中给出的数据,分别对各个点进行校正。3缺陷的波形分析及初步判定对探头进行优化选择,选用K值为1,1.5,2.0、晶片尺寸为10mm×12mm、频率为2.5MHz的横波斜探头进行超声检测。对现场工件进行探伤,对焊接接头的根部、层间以及表面都具有很好的检验效果,能够准确地对缺陷进行定位、定量。对图2所示缺陷进行检测,将探头左右平移,波形较为稳定,分别用探头在焊接接头的两侧对其检测,两侧缺陷反射的波幅高度基本不变。分别用直尺顶住探头前沿,向前测量33.6mm,缺陷的位置基本上在焊接接头中心的位置,由屏幕显示数据可知,该缺陷的深度在43.6mm,缺陷当量为∅3×40-10+13.2=∅3×40+3.2,在Ⅲ区,母材厚度为44.1mm,基于以上波形的分析以及缺陷位置的计算,初步判定该缺陷为根部未焊透。该缺陷反射波幅位于第Ⅲ区,无论其指示长度如何,均评定为Ⅳ级。对图3所示缺陷进行检测,缺陷回波高度低,波形较为稳定,从各个方向对其探测,反射波高大致相同,但稍一移动探头时,缺陷的反射波就会消失。用直尺顶住探头前沿,向前测量43.4mm,缺陷的位置基本上在焊接接头中,由屏幕显示数据可知,该缺陷的深度在25.3mm,缺陷当量为∅3×40-10+5.0=∅3×40-5.0,在Ⅱ区,母材厚度为44.1mm。基于以上波形的分析以及缺陷位置的计算,初步判定缺陷为单个气孔。对图4所示缺陷进行检测,将探头左右平移,反射波连续出现,并且伴随着波幅的变动,将探头转动检验时,波峰有上下错动现象。用直尺顶住探头前沿,向前测量79.5mm,缺陷的位置在焊接接头上,由屏幕显示数据可知,缺陷的深度为89.5mm,缺陷当量为∅3×40-10-2.0=∅3×40-12,缺陷在Ⅱ区,母材厚度为44.1mm。基于以上波形的分析以及缺陷位置的计算,初步判定缺陷为表面裂纹。根据JB/T4730—2005的规定,评定为Ⅳ级。4试验块的带动性验证用双探头测量