鋼板超聲波探傷認識誤區解析

司春杰

（濟南鋼鐵股份有限公司，濟南 250101）

由于鋼板中常常存在分層、夾雜、折疊等缺陷，影響鋼板的力學性能和所制產品的安全性，因此一些專用鋼板強制要求必須經過探傷才能應用。超聲波檢測具有快捷、成本低、非破壞性等優點，是鋼板探傷的主要方式。超聲探傷包括縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。鋼板缺陷大都平行于板面，大批量日常手工中厚鋼板超聲波探傷一般采用縱波直探頭垂直接觸法，主要檢測鋼板內部質量。由于設備、技術原因，縱波探傷無法保證對鋼板全面檢測，上下表面、近表面存在檢測盲區，對鋼板本體探傷也多為抽查方式。若采用A掃描超聲檢測，無法得到缺陷直觀圖像，而缺陷波受各種因素影響，對缺陷定性困難，定量精度不高，檢測結果還不能完全滿足科研人員了解產品內各類缺陷詳細情況的需要。筆者試圖根據日常對中厚板縱波探傷的檢測經驗，解釋合格鋼板中仍然存在內部不連續性或較大缺陷的原因，及缺陷定性、定量存在的不確定問題。

1 表面裂紋檢測難點

采用縱波垂直接觸法探傷鋼板，由于探頭和儀器的信號阻塞和始脈沖占寬原因，其探測范圍受到一定的限制，存在檢測盲區［1］。一般情況下單直探頭的盲區5mm左右，雙晶直探頭約3mm。為了保證鋼板的檢測質量，統一技術規范，JB／T 4730.3—2005標準［2］對探頭選用進行了規定（表1）。使用合適的探頭，可在一定程度上減小盲區的影響，但盲區是自然存在的。無論使用單直探頭或者雙晶直探頭，在靠近檢測面處都會有無法檢測到的區域。

表1 鋼板檢測探頭選用規定

儀器與探頭都有分辨力要求。分辨力是指在示波屏上區分相鄰缺陷的能力，能區分相鄰缺陷的距離愈小，分辨力就愈高［1］。JB／T 4730.3—2005規定，直探頭的遠場分辨力應≥30dB［2］，一般認為直探頭的分辨力應≤6mm［1］，圖1為從背側檢測35和33mm臺階，80%波高情況。從波形圖上看，產生了雙峰現象，兩底面波混在一起。大批量日常檢測時往往容易忽略這種情況。如果掃描比例設置得更大，底面情況更難分辨。所以只有當鋼板下表面的裂紋、劃痕、折疊等缺陷的反射回波形成獨立的缺陷波，并與底波分開時，才能進行判定。從另一方面說，鋼板的折疊、劃痕、裂紋等缺陷深度較小，且缺陷面多數與探傷面不平行，所以缺陷回波要低得多，有時可能不出現缺陷回波，如果缺陷對底面回波的影響又不足以使其下降到50%以下，這些都不能作為判定缺陷的依據。試驗發現，對于一般鋼板檢測，當缺陷與底面高度差＜3mm時，缺陷波與底面回波很容易混淆。另外，目前普遍使用數字探傷儀，其柱狀波遠不如線型波容易分辨；最高波顯示位置方式也不如波前沿顯示位置方式準確可靠。

圖1 35和33mm鋼板臺階底波

縱波探傷主要檢測鋼板的內部質量，采用列線掃查或格子線掃查，都屬于抽查性質。根據不同標準、不同等級，檢測面積約為待測鋼板10%～60%。由于鋼板內部缺陷的形狀、位置千差萬別，有的是線性缺陷，有的呈彌散點狀，在手工探測時，檢測人員必須引起重視。對于表面及近表面的缺陷，應采用其它檢測方法，如目測、磁粉、滲透、渦流等輔助手段進行局部缺陷確認。

2 鋼板內部缺陷的性質

超聲檢測所顯示的缺陷回波，主要反映缺陷的位置、波幅大小，要想準確地判定缺陷性質十分困難。鋼板缺陷一般呈扁平型點狀或面積型，影響缺陷波的因素很多，如缺陷的表面狀態、缺陷內部夾雜物、缺陷相對聲束的方向等，反射特性不同，有時缺陷波差異很大。對鋼板缺陷的識別遠不如焊縫檢測，可以通過多探頭、多角度的聲波特性，結合工件結構、材料特征、焊接工藝等進行綜合判定，從而估判缺陷的性質。如果仍然困難，還可以通過射線透照方式進行確認。

理想狀態下，一般認為分層是鋼板中明顯的分離層，聲波幾乎100%反射，分層處無底波出現，只有多次缺陷反射波，波形較單一，見圖2（a）。鋼板中夾雜物反射特性與其性質有關，非金屬夾雜物與鋼聲阻抗差異大，缺陷波較高，缺陷波對底波的影響大，見圖2（b）；而金屬夾雜物的聲阻抗與鋼相當，透射率高，缺陷波對底波的影響通常較小，見圖2（c）。偏析缺陷與非金屬夾雜相似，缺陷對底波的影響也較大，見圖2（d）［3］。

現實情況并非如此簡單，根據波形并不容易區分缺陷性質，如圖3和4。從波形圖上分析，圖3（a）有可能為小型金屬夾雜，圖3（b）有可能是較大夾雜或非金屬缺陷。經過金相分析（圖4），圖3（a）波形實際對應的缺陷是分層，圖3（b）對應的是成分偏析。反之，即使金相分析相同的缺陷，由于缺陷狀況不同，缺陷波高也會不同，而缺陷聲波透射差異及鋼板底面粗糙程度影響底波高度，有時差別很大。目前對于大面積分層、折疊能夠很明確地判定，而其他類型的缺陷只能根據底波和缺陷波反射特性差異，結合缺陷大小、分布等條件進行估判，真實情況必須經過金相分析才能確認。

3 討論

探傷實踐中經常會被問到以下幾個問題：缺陷的實際大小是多少？為什么有些從探傷不合格鋼板上取得的金相樣品未發現嚴重缺陷？探傷合格的鋼板為什么在拉伸試樣斷口存在分層？

這是因為缺陷定量的依據是缺陷反射聲壓的高低。影響缺陷波高最大因素在于缺陷自身：光滑平面缺陷可以形成鏡面反射，缺陷回波高；粗糙表面則產生漫反射和波的干涉現象，缺陷回波低；聲波垂直入射缺陷表面時缺陷回波最高，隨入射角的增大缺陷波急劇下降，傾斜2.5°時，波幅下降1／10，傾斜12°時，下降至1／1000，此時儀器已不能檢出缺陷；同尺寸、同位置、不同形狀的缺陷回波不同，相同條件下球孔回波聲壓比平底孔小λ／4dB。缺陷性質的影響取決于界面兩側介質的聲阻抗，當兩側介質聲阻抗差異較大時，近似地認為是全反射，反射聲波強；當差異較小時，就有一部分聲波透射，反射聲波變弱。另外，缺陷厚度、缺陷位置等對缺陷回波都有很大影響［1］。反之，回波聲壓相同的缺陷實際大小也可能相差很大，目前的檢測技術還難以反映缺陷的真實狀況，故缺陷定量常采用當量評定法。當量評定法是將缺陷的回波與規則形狀人工反射體的回波幅度進行比較，如果兩者的埋深相同、反射波高相等，則稱該人工反射體的反射尺寸為缺陷的當量尺寸。而對于有一定尺寸的缺陷，邊界界定又分為絕對靈敏度法和相對靈敏度法，所以測定的缺陷指示長度、指示面積，并不是缺陷的實際長度和實際面積，當量尺寸與缺陷實際尺寸會存在一定的誤差。

有時從不合格鋼板上切取的金相試樣未發現嚴重缺陷，而有時有些鋼板缺陷較小但檢測人員認定鋼板存在危害性缺陷，例如裂紋或鋼板邊緣存在的點狀缺陷呈線性分布；有些則可能是取樣部位偏離嚴重區域或制備的金相樣觀測面偏離了缺陷位置。真正分析缺陷性質、解決工藝問題，應由探傷人員標定，切取缺陷嚴重部位，選擇有代表性的缺陷進行分析總結。

檢測鋼板前以一定的靈敏度調節儀器，我國標準多采用φ5mm平底孔當量作為基準靈敏度。在檢測過程中，發現下列情況之一即作為缺陷，① 缺陷回波幅度≥50%。② 底波幅度＜100%，而缺陷回波／底波回波≥50%。③ 底波幅度＜50%［2］。反射特性必須滿足上述條件才進行缺陷長度、面積的測定。反射回波高度達不到上述判定條件，只能認定鋼板內部存在不連續性，檢測結果可以不計（除非操作人員認為缺陷具有很大危害性）。對于有一定長度和面積型的缺陷，只要單個線型缺陷＜80mm（板邊或剖口位置≤50mm），面積型缺陷＜25cm2，1m2內缺陷面積百分比≤3%，就可以評定為Ⅰ級鋼板。JB／T 4730.3—2005對鋼板的質量分級見表2。所以合格鋼板不但可以存在內部不連續性，也可以存在一定尺寸的缺陷。在鋼板切割面或拉伸試樣斷口發現缺陷，如分層、夾雜等，并不能證明探傷人員出現漏檢。只要鋼板內部缺陷尺寸未超過相應級別的要求，鋼板就是合格的。拉伸試樣普遍使用P5試樣，其寬度只有30mm，斷口發現缺陷并非不可能，內部不連續性也會造成試樣脆性斷裂。

表2 鋼板質量分級

4 結論

（1）縱波探傷主要是檢測鋼板內部質量。由于縱波探傷方式存在檢測盲區，鋼板檢測面及近表面的缺陷無法檢測到；由于分辨力問題，鋼板下表面及近表面的缺陷波與底波無法區分，或缺陷未引起底波下降到足夠程度，缺陷都不易被發現。對于大批量鋼板表面檢查，直觀而有效的方法就是目測，磁粉、滲透等探傷方式只能作為輔助確認手段。

（2）鋼板檢測受檢測面、檢測方式、儀器設備等條件制約，單單根據缺陷波、底波對缺陷性質進行估判，存在一定的不確定性，必須結合生產工藝和解剖試驗比對分析，經過長時間經驗積累，才有可能掌握一定的規律。如果需要詳細了解缺陷性質，應由探傷人員標定，選擇具有代表性、缺陷嚴重部位切取試樣，進行金相和頻譜分析，對缺陷性質的判定才是最準確可靠的。

（3）缺陷波高受諸如缺陷性質、形狀、方向、表面粗糙度、位置等因素的影響，目前的檢測技術還不能反映缺陷真實原貌，回波聲壓相同的缺陷實際尺寸可能不同；尺寸相同的缺陷回波聲壓也不一定相同。對缺陷的定量采用的是當量尺寸，當量尺寸并非實際尺寸，通常情況下缺陷的實際尺寸要大于當量尺寸。

（4）探傷鋼板前以一定靈敏度調節儀器，我國標準多以φ5mm平底孔作為基準靈敏度。只有當缺陷波上升的高度或底部降低的高度達到技術標準規定時，才進行缺陷測長。鋼板級別是根據缺陷大小評定，只要單個缺陷長度、單個缺陷面積、多缺陷面積百分比，三個條件都符合相應級別要求，鋼板就是合格的，所以并非評定合格的鋼板不存在缺陷。

［1］全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.超聲波探傷［M］.北京：勞動人事出版社，1995：107－109，146－148.

［2］JB／T 4730.3—2005 承壓設備無損檢測（第3部分：超聲波檢測）［S］.

［3］熊曉偉.鋼板探傷缺陷的分析［J］.寬厚板，1999，5（1）：22－24.