鑄鋼件超聲波檢測工藝參數選擇分析

龍會國，胡波濤

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

鑄鋼件超聲波檢測工藝參數選擇分析

龍會國，胡波濤

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

通過調整超聲波檢測參數，研究分析ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件檢測反射回波波幅與超聲波檢測參數變化的關系。試驗結果表明，探頭頻率、直徑對對回波增益產生較大影響，當鑄鋼件壁厚＜75 mm時，宜選用頻率為2.5 MHz;當壁厚≥75 mm時，宜選擇頻率為2.25 MHz，探頭晶片直徑為20 mm較佳。

水電站;馬氏體不銹鋼鑄鋼件;超聲波;回波

水電機組的轉輪、葉片、上冠、下環等大型鑄鋼件的制造、使用質量對于水電機組安全穩定運行具有重要的意義，而無損檢測則成為鑄件缺陷檢測的首選方法，目前比較有效的方法包括超聲波探傷法、X射線透照法和射線層析攝影法。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強、檢測速度快、成本低和對人體無害等優點，可根據缺陷波形特性估判缺陷性質，因而被廣泛地使用于大型鑄鋼部件檢測〔1-4〕。

鑄鋼件存在晶粒粗大、形狀復雜、表面粗糙等問題，給超聲波檢測帶來諸多難題，而工藝參數的選擇則直接影響檢測效果，探頭頻率、晶片尺寸是影響檢測效果最為重要的工藝參數。文中以水電站廣泛使用的新型鑄鋼材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為對象，通過試驗分析超聲波檢測工藝參數中頻率、晶片尺寸的影響因素，提供了選擇超聲波檢測工藝參數的技術思路。

1 試驗材料與方法

試件材質為ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，厚度分別為:25 mm，45 mm，70 mm，95 mm，200 mm。參考ASME標準中A609/A609M的試件加工標準，加工直徑為50 mm，孔徑為7 mm，深度分別為25 mm，50 mm，75 mm的平底孔。

試驗儀器為武漢中科創新科技股份公司生產的漢威HS616型，采用A型脈沖反射式縱波探頭(表1)。試樣表面粗糙度為3.2 μm，耦合劑為機油，表面補償為0 dB。

分別檢測試件不同深度的缺陷，測定其反射回波波幅為80%時儀器的增益值，通過對比分析探頭頻率、直徑對增益值的關系，可得到選擇超聲波檢測鑄鋼件時最佳頻率和探頭直徑的方法。

2 試驗結果與分析

2.1 聲速測量

目前測量固體中的聲速和衰減系數的方法主要有脈沖反射法、直接接觸法、脈沖透射插入法〔5〕。文中以脈沖反射法測量，采用文獻〔3〕中的超聲波檢測儀器測量法，利用單探頭反射測量縱波聲速，測得ZG0Cr13Ni4Mo中的聲速為CL=5 899 m/s。

表1 A型脈沖反射式超聲波探頭型號規格

2.2 探頭頻率選擇分析

探頭頻率是影響超聲波檢測的一個重要因素，頻率越大，其波長越小，則檢測靈敏度越大，但隨著頻率的增加，衰減也會增加，將顯著降低超聲波的穿透能力，同時因晶界反射等影響，使草狀波增加，信噪比下降，從而降低檢測靈敏度。

圖1所示為縱波直探頭檢測馬氏體不銹鋼鑄件時頻率對底面反射回波增益的影響。從圖1可知，直探頭頻率對底面反射回波增益影響較明顯，隨著頻率的增加，增益逐漸減少，增加到一定范圍時，增益最低，隨后，隨著頻率增加，增益逐漸增加;此外，鑄鋼件厚度對底波增益也有影響，厚度越大，增益越大。但對于規格為10P20N探頭，由于近場區的影響，對200 mm及以下厚度試件的增益影響不明顯。

圖1 頻率對工件底面反射回波的影響

圖2所示為直探頭檢測馬氏體不銹鋼鑄件時頻率對缺陷回波增益的影響。從圖2可知，對于同一深度的缺陷而言，探頭頻率對其反射回波有較大的影響，也遵循先減少后增大的趨勢。缺陷深度＜75 mm時，最佳探頭頻率為2.25 MHz;缺陷深度＞75 mm時，最佳探頭頻率為2.5 MHz。

圖2 頻率對缺陷反射回波的影響

由此可知，探頭頻率對鑄鋼件超聲波檢測效果有明顯影響。同厚度工件下，回波增益隨頻率增加遵循先降低后增大的趨勢，厚度不同，則最優化檢測探頭頻率不同，工件壁厚＜75 mm時，宜選擇頻率為2.5 MHz;當工件壁厚≥75 mm時，宜選擇頻率為2.25 MHz。馬氏體不銹鋼鑄鋼件超聲波檢測頻率選擇在2～5 MHz范圍內效果較好，現場檢測時應根據具體檢測工件的厚度選擇適宜的探頭頻率。

2.3 探頭晶片尺寸選擇分析

探頭晶片尺寸對超聲波檢測存在影響，主要影響近場區及波束指向性。圖3所示為探頭晶片尺寸對鑄鋼件底面反射回波增益的影響，從圖3(a)可知，對于2.25 MHz縱波直探頭而言，隨著晶片尺寸增加，回波增益遵循先下降后增加的趨勢，晶片直徑為20 mm左右增益值最低，工件厚度為25 mm時，因處近場區內，變化趨勢不明顯;圖3(b)為5 MHz縱波直探頭晶片尺寸與鑄鋼件底面反射回波增益的關系曲線，晶片直徑＜20 mm時，隨晶片尺寸增加，底波增益逐漸減少，但對于厚度200 mm的鑄鋼件，當晶片尺寸≥14 mm時，隨著晶片尺寸增加，底波反射回波增益幅度變化不明顯。

圖3 探頭晶片尺寸對反射回波增益的影響

從上可知，探頭晶片尺寸對鑄鋼件底面反射回波增益有較大影響，隨著晶片尺寸增加，回波增益先降低后增加，最優晶片直徑約為20 mm，當厚度＞200 mm時，晶片尺寸＞14 mm后，反射回波增益不明顯。對于馬氏體不銹鋼鑄件縱波直探頭超聲波檢測，探頭晶片直徑則宜選用Φ20 mm，當鑄鋼件厚度＞200 mm時，探頭則可以在Φ14～Φ20 mm范圍內選用。

3 結論

探頭頻率在2～5 MHz范圍內，對不同厚度鑄鋼件底波增益均相對較低，適于檢測;探頭最優晶片直徑選擇約為20 mm。

〔1〕黃天佑，劉小剛，康進武，等.我國大型鑄鋼件生產的現狀與關鍵技術〔J〕.鑄造，2007，56(9):899-904.

〔2〕徐麗，剛鐵，張明波，等.鑄件缺陷無損檢測方法的研究現狀〔J〕.鑄造，2002，51(9):535-540.

〔3〕鄭暉，林樹青.超聲檢測〔M〕.中國勞動社會保障出版社，2008:25-59.

〔4〕高克全.水輪機不銹鋼葉片超聲波探傷試驗研究〔J〕.無損檢測，2003，25(12):628-630.

〔5〕馮若.超聲手冊〔M〕.南京大學出版社，1999:105-107.

Parameters selection analysis of ultrasonic testing technique for casting steel

LONG Hui-guo，HU Bo-tao
(Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper studies and analyses the change relationship between the echo waveforms amplitude and various ultrasonic testing parameters of ZG0Cr13Ni4Mo casting steel testing by adjusting ultrasonic testing parameters.Experiment results show that the variations of frequency or diameter of ultrasonic transducer have great impact on echo waveform amplification.Frequency of 2.5 MHz is suitable for ultrasonic testing when wall thickness is less than 75 mm，and frequency of 2.25 MHz is suitable when wall thickness is more than 75 mm.Diameter of probe wafer is 20 mm better.

hydroelectric plant;martensitic stainless steel;ultrasonic;echo waveform

TG115;TV7

A

1008-0198(2011)03-0050-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.016

2010-09-15

龍會國(1978— )，男，漢族，碩士研究生，湖南隆回人，工程師，主要從事電站金屬部件檢驗、失效分析與焊接工作。