超高壓水晶釜釜體螺紋的小角度縱波斜探頭超聲檢測

張興南

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院三明分院，三明 365000）

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

釜體底部螺紋末端密封環處有一退刀槽，此處存在幾何不連續，有較大的應力集中。此處雖不存在介質內壓力，但承受很大的拉應力，屬于危險斷面，如圖1所示。從一些在役超高壓水晶釜斷裂事例發現，釜體斷裂多發生在退刀槽附近的螺紋根部，裂紋源沿螺紋根部方向發展，沿周向擴展致使釜體斷裂。

此類設備因內孔小而在定期檢驗時無法進行內部檢查，只能在外表面用超聲波檢測的方法對內表面進行檢測。特別對于釜體螺紋部位，因螺紋和內部結晶物的干擾，難以識別螺紋根部的細小缺陷；且在螺紋根部形成了缺陷與螺紋的組合波，導致檢測困難且難以比較缺陷當量的大小。

圖1 釜體底部內螺紋剖面圖

為了解決實際檢測問題，進行了各種檢測方法的比較，設計制作了相應的試塊，進行了試塊調試和實物檢測，證明使用小角度縱波斜探頭的超聲波檢測，是簡單而可靠的方法［1］。

1 檢測方案的選擇

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

這三種方案比較如下：

（1）在圖2（c）的外壁橫波檢測方法中，當超聲波掃查到螺紋時，因紋牙形狀復雜，螺紋頂部、側面和根部的反射波都很強，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，導致螺紋根部缺陷波（指裂紋）被很強的反射波淹沒。操作人員難以分析和評判缺陷波的情況，這種方法實際難以實施。

（2）在圖2（b）的縱波直探頭檢測方法中，縱波聲束雖有一定擴散角，其擴散聲束掃查得到螺紋反射波。但因縱波聲束離螺紋太近，超聲場易受螺紋干涉；且主波束將會被最接近探頭的缺陷阻擋，導致不易發現軸線上多個缺陷；調試儀器時也不便于利用平行的線槽來制作距離曲線，缺陷定位困難。此方法不能用做主要檢測方法，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）檢測方法中，既具有斜探頭的方向性，又是縱波檢測，檢測深度大。而且，因縱波聲速大，可以先反射到達探頭，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，因而裂紋的反射強度大。由于機械加工的刀痕或介質結晶物的反射強度低，從而偽缺陷對缺陷的判定影響較小，有利于檢測出裂紋類危險缺陷。

圖2 釜體底部內螺紋超聲檢測方案對比示意圖

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選擇

2.1 探頭頻率的選擇

探頭頻率越高，則波長越短，能量集中，分辨力高，越有利于發現小缺陷。但隨著頻率的增高，超聲波的衰減也增大，不利于檢測遠距離缺陷。而且隨著頻率的提高，超聲波指向角變小，不利于檢測面狀（裂紋）類缺陷。頻率過高時要求晶片厚度小，這將會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缺陷，裂紋的產生部位主要發生在退刀槽附近的螺紋根部，要求檢測深度大，經過試驗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、檢測深度、探頭前沿長度及缺陷方向有關。如圖3所示，根據釜體實物可知，要掃查深度將近400mm 的范圍，而探頭的移動寬度（包括前沿長度）只有77 mm，這時探頭的折射角βL 不宜太大。從缺陷（裂紋）的方向考慮，此類裂紋常沿著徑向擴展，與筒體軸線接近垂直，這時也要求探頭的折射角βL越小越好，但當探頭折射角βL 小到一定時，會造成探頭制作困難；探頭斜楔內的波相互干擾嚴重導致雜波多，不利于檢測。試驗證明βL 不大于5°時會出現明顯的干涉波。由作圖法和現場試驗得到，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，發射能量也大，有利于檢測遠距離缺陷，但過大的晶片會帶來較大的前沿長度和近場區長度，檢測范圍將縮小。綜合以上因素，將探頭設計成側寬型，晶片尺寸為22mm×20mm，18 mm×20 mm，16 mm×18mm，16mm×14mm 較合適。通常采用二個不同晶片尺寸的探頭按深度分區進行檢測。

3 試塊設計

3.1 試塊總體要求

試塊的要求主要有：①試塊材質的聲速和衰減系數應與實物相當。②便于數字超聲波儀在試塊上調校掃描比例。③應能測試小角度縱波探頭角度（K值）。④應能比較標準反射體的當量。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對比試塊的形狀應與實物相同。

3.2 自制試塊調節檢測參數

為了調節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，故設計半圓階梯試塊。在半圓階梯試塊上加工不同深度的φ2橫通孔，可以用于測試探頭的前沿長度和折射角度（K值），試塊結構如圖4所示，φ2 橫通孔也可用于比較缺陷當量。試塊材質為鍛鋼，尺寸誤差不大于±0.05mm，表面粗糙度不大于6.3μm，有7個φ2的通孔。

圖4 半圓階梯試塊尺寸結構圖

3.3 對比試塊

對比試塊主要用于模擬缺陷當量的對比，考慮的因素主要是探頭聲束的擴散、實際缺陷的形狀以及不同規則反射體的波形區別。選擇通用的平底孔、橫通孔比較容易加工，但這些規則反射體與實際裂紋缺陷有很大差別，因此應加工模擬裂紋缺陷進行對比。參考TSG R0002－2005《超高壓容器安全技術監察規程》第三十四條第（三）款規定［2］，φ2mm平底孔當量是調校檢測靈敏度和缺陷評定的參考當量。但在檢測螺紋根部時，因螺紋側面的反射波較高，螺紋根部缺陷的反射波高實際上是螺紋側面波與根部缺陷波的疊加，其反射當量遠遠超過了缺陷本身的當量，無法將實際缺陷與單個平底孔試塊進行比較。于是將對比試塊在螺紋根部加工深1.0mm×弧長（L）mm（以下簡寫為1.0mm×Lmm，其他類似）的環形模擬裂紋面。為了便于比較，按不同的L值將試塊分類。考慮到檢測靈敏度φ2 mm 平底孔因素，根據超聲波能量反射等面積原理［2］，將φ2mm平底孔面積等效轉換成環形裂紋面的面積，于是L值為3.1mm 時等同于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平底孔用于檢測系統靈敏度。對比試塊材質為鍛鋼，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。切槽長度沿螺紋方向長Lmm，同一試塊中切槽深度A，B，C，D，E五個槽深相同。切槽長度L分別為3.1，7.1，12.6，19.6mm 各一塊。

圖5 螺紋根部缺陷對比試塊

4 實踐應用

4.1 檢測靈敏度的選擇

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

另一種方法是考慮到螺紋加工的誤差，實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 的環形切槽面試塊制作波幅曲線作為基準曲線，在同一試塊上測試正常螺紋最高波與模擬缺陷處的分貝差Δ；在實物檢測時，用被檢測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作為缺陷評定參考曲線。

4.2 無缺陷螺紋波形

檢測時，先將探頭聲束對準螺紋，將探頭沿釜體端部直徑方向在內外壁之間來回作鋸齒掃查，在探頭盲區以外，可以看到螺紋的波形先從低到高，再從高到低排列，呈對稱式的包絡線，每一個波即為一個單獨的螺紋側面反射波，圖6所示為無缺陷處的螺紋波形圖。

圖6 無缺陷處螺紋側面反射波形圖

4.3 缺陷波形的判定

在檢測掃查過程中，當發現正常螺紋波形異常時，例如不能形成類似對稱的包絡線或有突然升高的波出現，應前后來回移動探頭，將異常波反復與正常螺紋波的間距和峰值進行比較，從而對異常波進行判定，以下幾種情況判定為缺陷波。

（1）在檢測掃查過程中，若發現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，與次高波明顯不對稱，這是因為有一個缺陷位于最高波螺紋根部，阻擋了下一個螺紋側面的反射波（減少了聲能），如圖7所示，這時可判定為缺陷波。

圖7 螺紋根部缺陷波形I

（2）在檢測掃查過程中，若發現有一個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）在檢測掃查過程中，若發現有幾個單獨較高的波比螺紋波高，難以發現螺紋波的規律性，且波與波之間的距離與正常螺紋波的距離不一致，則可以判定為多個單獨缺陷波分別位于不同深度的螺紋，單獨波的個數即為缺陷數。如圖9所示，多個缺陷波，圖中為五個1.0mm 寬切槽波。

4.4 偽缺陷波形

在檢測過程中應注意區別偽缺陷，偽缺陷波形主要有二種。

（1）如圖10所示，當探頭折射角較小時，二個螺紋反射波之間出現一個較小的波，此波穎似波束相互干涉而產生的，是偽缺陷波。

圖10 偽缺陷波形（5°折射角探頭掃查時的干涉波）

（2）如圖11所示，當掃查到螺紋末端的退刀槽附近時，有時會出現一個比螺紋波更高的反射波，而此波之后未見螺紋波，出現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生了裂紋面，導致波高異常。②此波是偽缺陷波。原因是由于機加工時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，導致退刀槽處的反射當量大于螺紋側面的反射當量。

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階反射波的方法是：當發現此波形特征時，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，在釜體側面對著螺紋方向沿軸向掃查退刀槽，如果此處有裂紋缺陷，則K1探頭在該處能檢測到反射波（注意反射波的位置）；如果此位置檢測不到反射波，則可以判定為此波形為偽缺陷波。必要時可以沿釜體周向進行掃查和分析。

5 結論

制作了大量的對比試塊和探頭，經過試塊上的系統調試，驗證了以上分析的正確性。用實物檢測和模擬裂紋試塊檢測，此方法不易受螺紋和內部結晶物干擾，有效地實現了平底孔與螺紋－缺陷組合波的比較，檢測方便可靠。

采用一定角度的小角度縱波斜探頭，能在釜體端部對釜體螺紋缺陷情況進行超聲波檢測，對螺紋根部面狀（裂紋類）缺陷的評判十分方便，其檢測靈敏度能滿足TSG R0002－2005《超高壓容器安全技術監察規程》的要求，且能很好地排除螺紋和內部結晶物的干擾，具有很好的實用性。

［1］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社會，2008.

［2］TSG R0002－2005 超高壓容器安全技術監察規程［S］.