超高壓水晶釜釜體螺紋的小角度縱波斜探頭超聲檢測(cè)

張興南

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院三明分院，三明 365000）

在役超高壓水晶釜設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度很高，釜體材質(zhì)為炮鋼，主體壁厚大于90 mm，由整體鍛造而成，上下端車(chē)有螺紋（以下稱(chēng)為釜體螺紋）用以裝配堵頭等密封件。

釜體底部螺紋末端密封環(huán)處有一退刀槽，此處存在幾何不連續(xù)，有較大的應(yīng)力集中。此處雖不存在介質(zhì)內(nèi)壓力，但承受很大的拉應(yīng)力，屬于危險(xiǎn)斷面，如圖1所示。從一些在役超高壓水晶釜斷裂事例發(fā)現(xiàn)，釜體斷裂多發(fā)生在退刀槽附近的螺紋根部，裂紋源沿螺紋根部方向發(fā)展，沿周向擴(kuò)展致使釜體斷裂。

此類(lèi)設(shè)備因內(nèi)孔小而在定期檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法進(jìn)行內(nèi)部檢查，只能在外表面用超聲波檢測(cè)的方法對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行檢測(cè)。特別對(duì)于釜體螺紋部位，因螺紋和內(nèi)部結(jié)晶物的干擾，難以識(shí)別螺紋根部的細(xì)小缺陷；且在螺紋根部形成了缺陷與螺紋的組合波，導(dǎo)致檢測(cè)困難且難以比較缺陷當(dāng)量的大小。

圖1 釜體底部?jī)?nèi)螺紋剖面圖

為了解決實(shí)際檢測(cè)問(wèn)題，進(jìn)行了各種檢測(cè)方法的比較，設(shè)計(jì)制作了相應(yīng)的試塊，進(jìn)行了試塊調(diào)試和實(shí)物檢測(cè)，證明使用小角度縱波斜探頭的超聲波檢測(cè)，是簡(jiǎn)單而可靠的方法［1］。

1 檢測(cè)方案的選擇

在常規(guī)超聲檢測(cè)方法中，要檢測(cè)釜體底部?jī)?nèi)螺紋（釜體頂部螺紋檢測(cè)方法相類(lèi)似），有三種方案：一是用橫波探頭從筒體外表面進(jìn)行掃查，如圖2（c）所示；二是用縱波直探頭從釜體端部進(jìn)行掃查，如圖2（b）所示；三是用縱波斜探頭從釜體端部進(jìn)行掃查，如圖2（a）所示。

這三種方案比較如下：

（1）在圖2（c）的外壁橫波檢測(cè)方法中，當(dāng)超聲波掃查到螺紋時(shí)，因紋牙形狀復(fù)雜，螺紋頂部、側(cè)面和根部的反射波都很強(qiáng)，且各種變形波與非變形波互相疊加，各波之間的間距很小幾乎重疊，導(dǎo)致螺紋根部缺陷波（指裂紋）被很強(qiáng)的反射波淹沒(méi)。操作人員難以分析和評(píng)判缺陷波的情況，這種方法實(shí)際難以實(shí)施。

（2）在圖2（b）的縱波直探頭檢測(cè)方法中，縱波聲束雖有一定擴(kuò)散角，其擴(kuò)散聲束掃查得到螺紋反射波。但因縱波聲束離螺紋太近，超聲場(chǎng)易受螺紋干涉；且主波束將會(huì)被最接近探頭的缺陷阻擋，導(dǎo)致不易發(fā)現(xiàn)軸線上多個(gè)缺陷；調(diào)試儀器時(shí)也不便于利用平行的線槽來(lái)制作距離曲線，缺陷定位困難。此方法不能用做主要檢測(cè)方法，但可以作為輔助方法使用。

（3）在圖2（c）的縱波斜探頭（小角度縱波斜探頭）檢測(cè)方法中，既具有斜探頭的方向性，又是縱波檢測(cè)，檢測(cè)深度大。而且，因縱波聲速大，可以先反射到達(dá)探頭，不容易受變形橫波的干擾。再則，小角度縱波斜探頭因折射角度小，聲束與裂紋面所成的夾角接近垂直，因而裂紋的反射強(qiáng)度大。由于機(jī)械加工的刀痕或介質(zhì)結(jié)晶物的反射強(qiáng)度低，從而偽缺陷對(duì)缺陷的判定影響較小，有利于檢測(cè)出裂紋類(lèi)危險(xiǎn)缺陷。

圖2 釜體底部?jī)?nèi)螺紋超聲檢測(cè)方案對(duì)比示意圖

綜上分析，在釜體端部使用小角度縱波斜探頭檢測(cè)超高壓水晶釜釜體螺紋是首選方案。

2 小角度縱波斜探頭參數(shù)選擇

2.1 探頭頻率的選擇

探頭頻率越高，則波長(zhǎng)越短，能量集中，分辨力高，越有利于發(fā)現(xiàn)小缺陷。但隨著頻率的增高，超聲波的衰減也增大，不利于檢測(cè)遠(yuǎn)距離缺陷。而且隨著頻率的提高，超聲波指向角變小，不利于檢測(cè)面狀（裂紋）類(lèi)缺陷。頻率過(guò)高時(shí)要求晶片厚度小，這將會(huì)使大晶片探頭制作困難。超高壓水晶釜螺紋根部主要為裂紋類(lèi)缺陷，裂紋的產(chǎn)生部位主要發(fā)生在退刀槽附近的螺紋根部，要求檢測(cè)深度大，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知探頭的頻率一般選擇2.5～5MHz之間較為合適。

2.2 探頭角度的選擇

超聲波探頭縱波折射角βL 大小的確定與掃查面的范圍、檢測(cè)深度、探頭前沿長(zhǎng)度及缺陷方向有關(guān)。如圖3所示，根據(jù)釜體實(shí)物可知，要掃查深度將近400mm 的范圍，而探頭的移動(dòng)寬度（包括前沿長(zhǎng)度）只有77 mm，這時(shí)探頭的折射角βL 不宜太大。從缺陷（裂紋）的方向考慮，此類(lèi)裂紋常沿著徑向擴(kuò)展，與筒體軸線接近垂直，這時(shí)也要求探頭的折射角βL越小越好，但當(dāng)探頭折射角βL 小到一定時(shí)，會(huì)造成探頭制作困難；探頭斜楔內(nèi)的波相互干擾嚴(yán)重導(dǎo)致雜波多，不利于檢測(cè)。試驗(yàn)證明βL 不大于5°時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的干涉波。由作圖法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到，探頭折射角βL 在7°～9°之間較合適。

圖3 不同主聲束折射角比較

2.3 探頭晶片尺寸的選擇

探頭的晶片尺寸越大，聲束越集中，發(fā)射能量也大，有利于檢測(cè)遠(yuǎn)距離缺陷，但過(guò)大的晶片會(huì)帶來(lái)較大的前沿長(zhǎng)度和近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，檢測(cè)范圍將縮小。綜合以上因素，將探頭設(shè)計(jì)成側(cè)寬型，晶片尺寸為22mm×20mm，18 mm×20 mm，16 mm×18mm，16mm×14mm 較合適。通常采用二個(gè)不同晶片尺寸的探頭按深度分區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。

3 試塊設(shè)計(jì)

3.1 試塊總體要求

試塊的要求主要有：①試塊材質(zhì)的聲速和衰減系數(shù)應(yīng)與實(shí)物相當(dāng)。②便于數(shù)字超聲波儀在試塊上調(diào)校掃描比例。③應(yīng)能測(cè)試小角度縱波探頭角度（K值）。④應(yīng)能比較標(biāo)準(zhǔn)反射體的當(dāng)量。⑤能制作距離－波幅曲線。⑥有不同深度、不同寬度的模擬裂紋缺陷。⑦對(duì)比試塊的形狀應(yīng)與實(shí)物相同。

3.2 自制試塊調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)

為了調(diào)節(jié)小角度縱波斜探頭與儀器組合的掃描比例，用CSK－IA 試塊十分不方便，故設(shè)計(jì)半圓階梯試塊。在半圓階梯試塊上加工不同深度的φ2橫通孔，可以用于測(cè)試探頭的前沿長(zhǎng)度和折射角度（K值），試塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，φ2 橫通孔也可用于比較缺陷當(dāng)量。試塊材質(zhì)為鍛鋼，尺寸誤差不大于±0.05mm，表面粗糙度不大于6.3μm，有7個(gè)φ2的通孔。

圖4 半圓階梯試塊尺寸結(jié)構(gòu)圖

3.3 對(duì)比試塊

對(duì)比試塊主要用于模擬缺陷當(dāng)量的對(duì)比，考慮的因素主要是探頭聲束的擴(kuò)散、實(shí)際缺陷的形狀以及不同規(guī)則反射體的波形區(qū)別。選擇通用的平底孔、橫通孔比較容易加工，但這些規(guī)則反射體與實(shí)際裂紋缺陷有很大差別，因此應(yīng)加工模擬裂紋缺陷進(jìn)行對(duì)比。參考TSG R0002－2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第三十四條第（三）款規(guī)定［2］，φ2mm平底孔當(dāng)量是調(diào)校檢測(cè)靈敏度和缺陷評(píng)定的參考當(dāng)量。但在檢測(cè)螺紋根部時(shí)，因螺紋側(cè)面的反射波較高，螺紋根部缺陷的反射波高實(shí)際上是螺紋側(cè)面波與根部缺陷波的疊加，其反射當(dāng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了缺陷本身的當(dāng)量，無(wú)法將實(shí)際缺陷與單個(gè)平底孔試塊進(jìn)行比較。于是將對(duì)比試塊在螺紋根部加工深1.0mm×弧長(zhǎng)（L）mm（以下簡(jiǎn)寫(xiě)為1.0mm×Lmm，其他類(lèi)似）的環(huán)形模擬裂紋面。為了便于比較，按不同的L值將試塊分類(lèi)?？紤]到檢測(cè)靈敏度φ2 mm 平底孔因素，根據(jù)超聲波能量反射等面積原理［2］，將φ2mm平底孔面積等效轉(zhuǎn)換成環(huán)形裂紋面的面積，于是L值為3.1mm 時(shí)等同于φ2 mm 平底孔，L值 為7.1mm、12.6mm、19.6mm 的模擬裂紋面分別等同于φ3mm 平底孔、φ4mm 平底孔、φ5mm平底孔，如圖5中所示。底部φ2平底孔用于檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度。對(duì)比試塊材質(zhì)為鍛鋼，尺寸誤差不大于±0.05mm，表面粗糙度不大于6.3μm，在A，B，C，D，E 五處加工切槽，五處切槽位置分別在第5，10，15，18螺紋和退刀槽根部。切槽長(zhǎng)度沿螺紋方向長(zhǎng)Lmm，同一試塊中切槽深度A，B，C，D，E五個(gè)槽深相同。切槽長(zhǎng)度L分別為3.1，7.1，12.6，19.6mm 各一塊。

圖5 螺紋根部缺陷對(duì)比試塊

4 實(shí)踐應(yīng)用

4.1 檢測(cè)靈敏度的選擇

參照φ2 mm 平底孔當(dāng)量，調(diào)試儀器時(shí)，用1.0mm×3.1mm的環(huán)形切槽面試塊制作波幅曲線作為基準(zhǔn)曲線，然后用同一探頭測(cè)試1.0mm×7.1mm、1.0mm×19.6mm 環(huán)形切槽面的波高，所得到的與基準(zhǔn)曲線的分貝差值為Δ1和Δ2；分別將基準(zhǔn)曲線向上偏移Δ1和Δ2dB 就得到另兩條曲線，此兩條曲線相當(dāng)于φ3和φ5平底孔曲線，用于缺陷定量時(shí)參考。

另一種方法是考慮到螺紋加工的誤差，實(shí)物上正常螺紋波高與試塊上正常螺紋波高有差異。用1.0mm×3.1mm 的環(huán)形切槽面試塊制作波幅曲線作為基準(zhǔn)曲線，在同一試塊上測(cè)試正常螺紋最高波與模擬缺陷處的分貝差Δ；在實(shí)物檢測(cè)時(shí)，用被檢測(cè)工件的正常螺紋最高波制作波幅曲線，將此曲線向上平移ΔdB作為缺陷評(píng)定參考曲線。

4.2 無(wú)缺陷螺紋波形

檢測(cè)時(shí)，先將探頭聲束對(duì)準(zhǔn)螺紋，將探頭沿釜體端部直徑方向在內(nèi)外壁之間來(lái)回作鋸齒掃查，在探頭盲區(qū)以外，可以看到螺紋的波形先從低到高，再?gòu)母叩降团帕?，呈?duì)稱(chēng)式的包絡(luò)線，每一個(gè)波即為一個(gè)單獨(dú)的螺紋側(cè)面反射波，圖6所示為無(wú)缺陷處的螺紋波形圖。

圖6 無(wú)缺陷處螺紋側(cè)面反射波形圖

4.3 缺陷波形的判定

在檢測(cè)掃查過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)正常螺紋波形異常時(shí)，例如不能形成類(lèi)似對(duì)稱(chēng)的包絡(luò)線或有突然升高的波出現(xiàn)，應(yīng)前后來(lái)回移動(dòng)探頭，將異常波反復(fù)與正常螺紋波的間距和峰值進(jìn)行比較，從而對(duì)異常波進(jìn)行判定，以下幾種情況判定為缺陷波。

（1）在檢測(cè)掃查過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)反射的螺紋波形從低到高排列，而在最高波后的螺紋波突然降低，與次高波明顯不對(duì)稱(chēng)，這是因?yàn)橛幸粋€(gè)缺陷位于最高波螺紋根部，阻擋了下一個(gè)螺紋側(cè)面的反射波（減少了聲能），如圖7所示，這時(shí)可判定為缺陷波。

圖7 螺紋根部缺陷波形I

（2）在檢測(cè)掃查過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)有一個(gè)波高超出了靈敏度曲線，如圖8 所示，大缺陷波，圖中為3.0mm 寬切槽波，可判定為缺陷波，缺陷波越高則缺陷越大。

圖8 螺紋根部缺陷波形Ⅱ

（3）在檢測(cè)掃查過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)單獨(dú)較高的波比螺紋波高，難以發(fā)現(xiàn)螺紋波的規(guī)律性，且波與波之間的距離與正常螺紋波的距離不一致，則可以判定為多個(gè)單獨(dú)缺陷波分別位于不同深度的螺紋，單獨(dú)波的個(gè)數(shù)即為缺陷數(shù)。如圖9所示，多個(gè)缺陷波，圖中為五個(gè)1.0mm 寬切槽波。

4.4 偽缺陷波形

在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意區(qū)別偽缺陷，偽缺陷波形主要有二種。

（1）如圖10所示，當(dāng)探頭折射角較小時(shí)，二個(gè)螺紋反射波之間出現(xiàn)一個(gè)較小的波，此波穎似波束相互干涉而產(chǎn)生的，是偽缺陷波。

圖10 偽缺陷波形（5°折射角探頭掃查時(shí)的干涉波）

（2）如圖11所示，當(dāng)掃查到螺紋末端的退刀槽附近時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比螺紋波更高的反射波，而此波之后未見(jiàn)螺紋波，出現(xiàn)這種情況有二種可能：①此波是缺陷波。原因是在退刀槽處產(chǎn)生了裂紋面，導(dǎo)致波高異常。②此波是偽缺陷波。原因是由于機(jī)加工時(shí)將退刀槽加工得太深，退刀槽B 處直徑大于螺紋根部A 處直徑，如圖12，導(dǎo)致退刀槽處的反射當(dāng)量大于螺紋側(cè)面的反射當(dāng)量。

圖11 偽缺陷波形（退刀槽波）

圖12 退刀槽部位掃查方法示意圖

判斷此波是缺陷波還是退刀槽臺(tái)階反射波的方法是：當(dāng)發(fā)現(xiàn)此波形特征時(shí)，先確定此波位于退刀槽的位置，然后用K1橫波斜探頭，如圖12所示，在釜體側(cè)面對(duì)著螺紋方向沿軸向掃查退刀槽，如果此處有裂紋缺陷，則K1探頭在該處能檢測(cè)到反射波（注意反射波的位置）；如果此位置檢測(cè)不到反射波，則可以判定為此波形為偽缺陷波。必要時(shí)可以沿釜體周向進(jìn)行掃查和分析。

5 結(jié)論

制作了大量的對(duì)比試塊和探頭，經(jīng)過(guò)試塊上的系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了以上分析的正確性。用實(shí)物檢測(cè)和模擬裂紋試塊檢測(cè)，此方法不易受螺紋和內(nèi)部結(jié)晶物干擾，有效地實(shí)現(xiàn)了平底孔與螺紋－缺陷組合波的比較，檢測(cè)方便可靠。

采用一定角度的小角度縱波斜探頭，能在釜體端部對(duì)釜體螺紋缺陷情況進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)螺紋根部面狀（裂紋類(lèi)）缺陷的評(píng)判十分方便，其檢測(cè)靈敏度能滿(mǎn)足TSG R0002－2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，且能很好地排除螺紋和內(nèi)部結(jié)晶物的干擾，具有很好的實(shí)用性。

［1］鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社會(huì)，2008.

［2］TSG R0002－2005 超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.