加氫反應(yīng)器鍛件超聲檢測中草狀波的界定

關(guān)云峰

(中國第一重型機(jī)械股份公司有限技術(shù)質(zhì)量部,齊齊哈爾 161042)

筆者所在單位制造加氫反應(yīng)器的低合金鋼鍛件,在正火、回火后進(jìn)行超聲波探傷時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)信噪比較低的情況,即草狀波。草狀波湮沒或混淆了缺陷回波,干擾了對(duì)最小缺陷的檢出和判定。正確界定草狀波,能確定工件是否需要進(jìn)行重新正火熱處理,因此對(duì)調(diào)質(zhì)后的超聲波檢測具有實(shí)際意義。

國內(nèi)加氫反應(yīng)器的超聲波檢測按照J(rèn)B/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn),因此對(duì)草狀波的界定同樣應(yīng)依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了碳鋼和低合金鋼鍛件的直波束基準(zhǔn)靈敏度為最大聲程處的φ2 mm 平底孔[1],但未規(guī)定信噪比。為了合理界定草狀波,筆者引用標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5000.15《重型機(jī)械通用技術(shù)條件鍛鋼件無損檢測》信噪比≥6 dB的規(guī)定,以信噪比6 dB 為草狀波界定的分界值。

1 草狀波界定時(shí)檢測條件的選擇

1.1 探頭頻率

根據(jù)相關(guān)理論,草狀波的產(chǎn)生與被探工件的晶粒度有關(guān),與入射工件的超聲波波長有關(guān),與檢測靈敏度有關(guān)。工件晶粒度級(jí)別越低(晶粒平均弦長越大),超聲波長越短,檢測靈敏度越高,檢測時(shí)越容易產(chǎn)生草狀波。根據(jù)JB/T 4730—2005 的規(guī)定,低合金鋼鍛件選用單晶直探頭的公稱頻率為2～5 M Hz,考慮到工件的厚度及調(diào)質(zhì)后工件組織、晶粒可能的改善,選擇使用2 MHz 探頭。

1.2 檢測儀器

由于檢測時(shí)需要較為準(zhǔn)確地測定聲程及其分層深度,同時(shí)需要準(zhǔn)確讀出顯示幅度與基準(zhǔn)線或規(guī)定曲線之間的幅度差值,故宜選擇數(shù)字儀器[2]。

2 草狀波界定方法

2.1 用計(jì)算法確定靈敏度時(shí)

根據(jù)JB/T 4730—2005 的規(guī)定,用計(jì)算法計(jì)算出(適用3 倍近場區(qū)以外)最大聲程處的底部與φ2 mm平底孔的幅度差值,在工件出現(xiàn)噪聲部位進(jìn)行增益調(diào)整,并規(guī)定基準(zhǔn)波高為滿屏高的40%(基準(zhǔn)線),對(duì)工件進(jìn)行檢測。

當(dāng)顯示出現(xiàn)較高噪聲后,采取分層衰減比較法確定噪聲與φ2 mm 假想平底孔的幅度差值。由圖1 中φ2 mm 假想平底孔理論曲線[2]可以看出,當(dāng)最大聲程S處的φ2 mm 假想平底孔規(guī)定在滿屏高度的40%(基準(zhǔn)線)時(shí), ?4S處的φ2 mm 假想平底孔幅度在滿屏高度的71%,與基準(zhǔn)線相差5 dB。?S處的φ2 mm 假想平底孔幅度在滿屏高度的159%,與基準(zhǔn)線相差12 dB,已經(jīng)超出滿屏視野。 ?S處的φ2 mm假想平底孔幅度在滿屏高度的634%,與基準(zhǔn)線相差24 dB,也超出滿屏視野。

圖1 φ2 mm 假想平底孔理論曲線

確定了φ2 mm 假想平底孔波高在幾個(gè)不同聲程處與基準(zhǔn)線的幅度差值后,采取分層比較的辦法,用衰減器讀出噪聲與基準(zhǔn)線的幅度差值。當(dāng)差值＜6 dB或噪聲高于基準(zhǔn)線時(shí), 工件界定為草狀波。具體做法如圖2 所示,工件的最大聲程為S,用計(jì)算出的φ2 mm 靈敏度底/孔幅度差值在工件上進(jìn)行調(diào)節(jié),基準(zhǔn)線規(guī)定為40%滿屏高度,步驟如下:

圖2 草狀波界定方法示意圖

(1)用衰減器讀出最大聲程S處的基準(zhǔn)線與噪聲的幅度差值δ1。當(dāng)δ1＜6 dB 時(shí),界定為草狀波。

(2)當(dāng)δ1≥6 dB 時(shí),調(diào)節(jié)衰減器降低5 dB,讀出3S/4 聲程處基準(zhǔn)線與噪聲的幅度差值δ2。當(dāng)δ2＜6 dB 時(shí),界定為草狀波。

(3)當(dāng)δ2≥6 dB 時(shí),調(diào)節(jié)衰減器降低(5+7)=12 dB,讀出S/2 聲程處基準(zhǔn)線與噪聲的幅度差值δ3,當(dāng)δ3＜6 dB 時(shí),界定為草狀波。

(4)當(dāng)δ3≥6 dB 時(shí),調(diào)節(jié)衰減器降低(5+7+12)=24 dB,讀出S/4 聲程處基準(zhǔn)線與噪聲的幅度差值δ4,當(dāng)δ4＜6 dB 時(shí),界定為草狀波。

當(dāng)δ1,δ2,δ3,δ4均≥6 dB 時(shí),不界定為草狀波,工件可以轉(zhuǎn)下道工序。

2.2 用φ2 mm平底孔DAC曲線靈敏度方法

根據(jù)JB/T 4730—2005 的規(guī)定,用曲線靈敏度對(duì)工件進(jìn)行檢測:選用數(shù)字儀器,選擇覆蓋工件最大聲程的CS-2(JB/T 4730—1994 規(guī)定)試塊中一組φ2 mm平底孔試塊繪制DAC 曲線,調(diào)節(jié)儀器,補(bǔ)償6 dB,如圖3。屏幕顯示曲線為φ2 mm DAC -6 dB 曲線。實(shí)測得出CS-2 試塊的衰減系數(shù)為零,測試步驟如下:

圖3 φ2 mm DAC-6 dB屏幕曲線

(1)測出工件的衰減系數(shù),計(jì)算出相當(dāng)于底波顯示深度衰減的幅值。

(2)測試工件(注意工件的表面粗糙度與試塊表面粗糙度的差異,確定是否需要靈敏度補(bǔ)償),在曲線靈敏度的基礎(chǔ)上,再增益步驟(1)測得的幅值,進(jìn)行衰減補(bǔ)償。

(3)將一次底波前的噪聲與φ2 mm DAC-6 dB 曲線進(jìn)行比較。當(dāng)噪聲超過該曲線時(shí),界定工件為草狀波,如圖4(a)和(b)所示。

2.3 用帶DGS 曲線的數(shù)字儀確定靈敏度的方法

(1)用鐵素體鋼鍛件平底孔試塊校準(zhǔn)儀器的DGS 曲線。

(2)在工件出現(xiàn)較高噪聲部位,用大平底法調(diào)出φ2 mm 平底孔的DGS 曲線。

(3)測出噪聲與φ2 mm 平底孔的DGS 曲線最接近部位的幅度差值δ,如圖5。當(dāng)δ＜6 dB 或噪聲高于φ2 mm 平底孔的曲線時(shí),界定工件為草狀波。

3 草狀波與密集缺陷波的鑒別

3.1 草狀波的顯示情況

(1)遍及整個(gè)聲程的草狀波,如圖4(b)表明其工件組織不均,晶粒粗大。

(2)工件中心部位出現(xiàn)草狀波,邊緣不出現(xiàn),如圖4(a)。表明其中心組織不均勻,晶粒粗大。

(3)工件的部分區(qū)域出現(xiàn)草狀波,如邊緣區(qū)域或邊緣區(qū)域局部組織不均,晶粒粗大。

造成晶粒粗大的原因是工件在熱處理過程中產(chǎn)生的欠熱、過熱等加熱缺陷,可能是熱處理工藝不合理,工件在加熱爐內(nèi)擺放位置不當(dāng),操作不當(dāng),或由于測溫、控溫儀表失靈等造成的[3]。

3.2 草狀波與密集缺陷波鑒別的一般原則

(1)用波的反射幅度鑒別。對(duì)于鋼鍛件,通常密集性缺陷波反射幅度比草狀波反射幅度高。如果簡單地把鋼鍛件晶粒作為反射體,從表1 可以粗略地看出,晶粒的平均弦長都未達(dá)到毫米數(shù)量級(jí),其反射當(dāng)量自然不會(huì)太大。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的缺陷記錄線在φ2 mm 當(dāng)量以上,足見應(yīng)記錄的缺陷尺度遠(yuǎn)比晶粒尺度大得多,所以缺陷的反射波幅度自然比草狀波反射幅度大。加氫鍛件的晶粒度一般要求為5 級(jí),其晶粒平均弦長遠(yuǎn)小于應(yīng)記錄的缺陷尺度。實(shí)踐證明,即使加氫鍛件鍛造或熱處理沒有達(dá)到規(guī)范要求,其產(chǎn)生的草狀波的幅度也遠(yuǎn)小于密集缺陷的反射幅度。因此,可用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的記錄線當(dāng)量尺寸鑒別。當(dāng)反射幅度接近φ3 mm 或≥φ3 mm 當(dāng)量時(shí),即按缺陷記錄處理。

表1 弦計(jì)算法計(jì)算值與晶粒度級(jí)別關(guān)系[4]

確定當(dāng)量時(shí)必須正確調(diào)整檢測靈敏度。對(duì)于局部草狀波的工件,宜選擇工件完好部位調(diào)整檢測靈敏度,確定反射波的當(dāng)量。對(duì)于整個(gè)工件均出現(xiàn)草狀波的情況,建議使用試塊DAC 方法比較確定反射波當(dāng)量。

(2)用波的反射規(guī)律鑒別。通常,從屏幕波形上看,草狀波的特征表現(xiàn)為波幅前高后低,隨聲程的增加波幅有規(guī)律地降低,如圖4 和5,偶爾也有底波減小或消失的情況;密集缺陷(包括白點(diǎn))波則通常表現(xiàn)為,在一簇波中,反射波的高點(diǎn)可以出現(xiàn)在任意聲程部位,沒有規(guī)律,伴隨有底波的減小或消失,如圖6(衰減20 dB 后儀器屏幕顯示,最高幅度接近φ3 mm)。

圖6 密集缺陷波形

(3)用波的密集程度鑒別。由于草狀波為晶粒反射,屏幕波形表現(xiàn)為極度密集,波峰清晰,波的根部緊密相連,無法區(qū)分,如圖4 和5。密集缺陷(包括白點(diǎn))反射波相對(duì)獨(dú)立、清晰可辨,伴隨底波的降低或消失,如圖6,且波峰隨探頭移動(dòng)而跳躍。

4 加氫反應(yīng)器檢測實(shí)例

4.1 底部短管草狀波的界定

被檢加氫反應(yīng)器材質(zhì)為15CrMo,使用USN60數(shù)字探傷儀、B2S E 探頭, 用上述φ2 mm 平底孔DAC 曲線靈敏度的方法檢測,補(bǔ)償3 dB(實(shí)測值),檢測結(jié)果如圖4(a)所示,噪聲超過φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲線,工件界定為草狀波。后經(jīng)重新正火后處理,重新檢測時(shí)噪聲降低到φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲線以下的正常水平。

4.2 頂部人孔大法蘭草狀波的界定

材質(zhì)、檢測條件及方法同上,檢測結(jié)果如圖4(b)所示,噪聲超過φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲線,工件界定為草狀波。后經(jīng)重新正火后處理后,噪聲降低到φ2 mm 平底孔DAC -6 dB 曲線以下的正常水平。

4.3 側(cè)壁卸料口冷氫口接管法蘭草狀波的界定

材質(zhì)為21/4C r-1Mo-1/4V Ⅲ,正、回火后檢測,檢測條件同上,用上述方法界定為草狀波,其當(dāng)量接近φ3 mm,如圖6 所示。重新正火處理后檢測,情況仍無改觀,證明其為密集缺陷。

5 結(jié)語

介紹了應(yīng)用JB/T 4730—2005 標(biāo)準(zhǔn)檢測加氫反應(yīng)器低合金鋼鍛件,對(duì)草狀波界定的量化方法及草狀波與密集缺陷波的鑒別原則。當(dāng)工件界定為草狀波時(shí),建議重新正火。當(dāng)工件確定為密集缺陷時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定給出結(jié)論。此為諸多實(shí)測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。應(yīng)用這些方法和原則,足以保證鍛件在調(diào)質(zhì)后檢測時(shí)的靈敏度要求,同時(shí)篩選出帶有密集性超標(biāo)缺陷的鍛件,使其不再進(jìn)行不必要的重新正火熱處理。筆者所在單位在近年的檢測實(shí)踐中,沒有出現(xiàn)對(duì)上述方法應(yīng)修改或補(bǔ)充的案例。由于本單位實(shí)踐的局限性,所述方法無法囊括所有壓力容器鍛件,故希望各企業(yè)的同行們給予補(bǔ)充案例為盼。

[1] JB/T 4730—2005 承壓設(shè)備無損檢測[S] .

[2] 關(guān)云峰.現(xiàn)場超聲波探傷實(shí)用方法介紹[J] .無損檢測,2005, 27(8):440-442.

[3] 上海市機(jī)械制造工藝研究所編.金相分析技術(shù)[M] .上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1987:251.