超高壓水晶釜超聲波檢測試驗

寇　威，鄭朋剛，凈曉春

(陜西省鍋爐壓力容器檢驗所, 西安 710048)

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超高壓水晶釜超聲波檢測試驗

寇威，鄭朋剛，凈曉春

(陜西省鍋爐壓力容器檢驗所, 西安 710048)

摘要：介紹了超高壓水晶釜的超聲波橫波檢測技術。通過試驗得出聲程-深度-水平距離的關系，分析了超聲波橫波檢測檢出缺陷位置的方法；該方法具有較高的可靠性，可為超高壓容器的超聲波檢測工作提供參考。

關鍵詞：超聲波檢測；超高壓水晶釜；缺陷位置

超高壓水晶釜是在高溫、高壓環境下進行人工合成水晶的一種超高壓容器。通常超高壓水晶釜主體材料為PCrNi3MoVA鍛鋼(注：內外壁經機械加工，底部用堵底螺絲封堵，上端用卡箍和堵塞進行密封)。其設計壓力為151 MPa，設計溫度為400 ℃。

超高壓水晶釜容器特點為：

(1) 內徑小、壁厚大、應力復雜(三向應力)，且應力分布不均勻。內外壁承受周向應力，內壁最大，外壁最小；內外壁承受軸向應力相等，而承受的徑向應力，內壁最大，外壁最小。例如：內蒙二機廠生產的超高壓水晶釜，內外壁周向應力相差達98%,如圖1所示。

圖1 　超高壓水晶釜的受力示意

(2) 外部電加熱時,溫度達到380 ℃左右,使內壁受到更大的拉應力。

(3) 超高壓水晶釜運行時，進出物料及水晶種掛架、鏟料等工序易使內壁產生缺陷，特別是縱向裂紋、劃傷等。

1裂紋類缺陷的超聲檢測

結合超高壓水晶釜的特點可知，超高壓水晶釜的內壁表面及其近表面容易出現缺陷。這是超高壓容器制造和檢驗驗收時，內壁比外壁嚴格的主要原因，也是定期檢驗的重點。

由于超高壓水晶釜的內徑小、長徑比大，內表面檢測非常困難，所以首選超聲波檢測。國家質監總局TSG R0002—2005《超高壓容器安全監察規程》第58條(四)款規定：定期檢驗中超聲波檢測及驗收標準仍然按照該規程第34條制造要求規定。

超高壓水晶釜制造及定期檢驗的各階段超聲波檢測部位應各有側重。制造期間，超高壓水晶釜的超聲波檢測，以檢測原材料及制造過程中產生的缺陷為主；而在役超高壓水晶釜的超聲波檢測，應以檢測是否存在應力腐蝕裂紋、疲勞裂紋等裂紋類缺陷為主。檢測該裂紋類缺陷最有效的方法是超聲波橫波檢測。

2超聲檢測缺陷定位試驗

超高壓水晶釜的超聲檢測中,JB/T 4740.3-2005已不再適用[1],因此需要重新制作檢測工藝。

2.1超聲波檢測工藝條件

2.1.1探頭選擇

根據文獻[2],探討了超高壓水晶釜可選用探頭：厚度Tm為93 mm，外徑D為436 mm，折射角sinβ=1-2Tm/D，有機玻璃中CL1為2 730 m·s-1，鋼中CS2為3 230 m·s-1；所以，入射角α不大于sin-1(sinβ×CL1/ CS2),即探頭入射角α應小于28.988°，橫波才能掃查到水晶釜體內壁。有機玻璃/鋼界面第一臨界角α1=27.6°，第二臨界角α2=57.6°；當入射角在27.6°～57.6°范圍時，工件內只存在折射橫波，不存在折射縱波。為了保證釜體中純橫波探傷，故選擇入射角α=28.5°的探頭；此時，能夠用橫波一次聲程掃查到水晶釜體內壁。探頭耦合面與水晶釜外徑相同,有利于入射點與釜體周向耦合。

2.1.2對比試塊

材料及尺寸應與超高壓水晶釜釜體相同。制作與超高壓水晶釜釜體相同的試塊，材料為鍛鋼，主體材料PCrNi3MoVA，內徑250 mm，釜體厚度93 mm。

圖2　2.5P13×13K0.68探頭周向掃查示意

2.1.3檢驗方法

圖3　2.5P 13×13 K1探頭軸向掃查示意

用2.5P 13×13 K0.68(入射角α=28.5°)的斜探頭沿著釜體做周向掃查,用2.5P 13×13 K1探頭沿著釜體做軸向掃查(見圖2,3)，檢查徑向缺陷及周向缺陷。以下就2.5P 13×13 K0.68(入射角α=28.5°)的斜探頭沿著釜體做周向掃查進一步探討。

2.1.4靈敏度調節

將探頭曲面楔塊置于專用試塊上。前后移動探頭，找到棱角反射波最高時的試塊棱角與探頭曲面楔塊的接觸點即為探頭的入射點，在探頭相應位置作出標記，如圖4所示。

圖4　2.5P 13×13 K0.68探頭入射點測定示意

儀器橫波掃描速度調節：采用聲程調節法，調節方法見圖5。

圖5　掃描速度即聲程調節法示意

一次聲程：S1/sinθ=r/sinβ；S1=r·sinθ/sinβ=150 mm。二次聲程：S2= 2S1=300 mm。

2.1.5距離-波幅曲線制作方法

將探頭移動至一次聲程位置，使超聲波檢測儀上波幅曲線達到最高波，記錄為第1點。再將探頭繼續移動至二次聲程位置，使曲線達到最高波，記錄為第2點，即完成距離-波幅曲線，如圖6所示。

圖6　距離-波幅曲線制作探頭位置示意

2.2缺陷定位

超高壓水晶釜因其結構的特殊性，使用 2.5P13×13K0.68(入射角α=28.5°)的斜探頭沿著釜體做周向掃查，檢查與軸線平行缺陷。此類缺陷無法用常規方法定位，數字超聲波探傷儀無法讀出缺陷的數據。因此對超高壓水晶釜超聲波檢測的檢出缺陷定位作進一步試驗研究。對于發現的缺陷波，應確定其埋藏深度和外圓弧面上的位置，如圖7所示。

圖7　水晶釜缺陷位置示意

圖中:缺陷深度H為DB;R為水晶釜外半徑;r為內半徑;β為探頭折射角;S為缺陷一次波聲程;缺陷距離探頭入射點弧長L為AD;θ為中心夾角。

2.2.1缺陷深度的確定

(1)

OD=OA=R,R即為水晶釜的外半徑，那么深度為:

(2)

2.2.2缺陷到探頭入射點的表面距離的確定

利用公式推導可計算出不同深度的聲程及水平距離，計算結果如下：

深度H為10 mm時，代入式(2)，聲程S=12.0 mm；水平距離L=Rπθ/180=7 mm。

深度H為20 mm時，聲程S=24.5 mm；水平距離L=Rπθ/180=15 mm。

深度H=90 mm時，聲程S=150.0 mm；水平距離L=Rπθ/180=159 mm。

將不同深度的聲程及水平距離匯總計算后，可得缺陷深度-聲程-水平距離的相互關系，見表1。

表1　缺陷深度-聲程-水平距離的

2.3試驗驗證

2.3.1試塊

在試驗前制作了一個超高壓水晶釜專用試塊，用于超高壓水晶釜超聲檢測。內徑為250 mm，壁厚為93 mm，沿深度方向每隔10 mm加工1個長20 mm的φ1 mm橫孔(共8個)，在內外壁各加工1個深度1 mm的V型槽，V型槽角度為60°，見圖8。

圖8　水晶釜專用試塊尺寸示意

2.3.2超聲波檢測儀的調節

選取2臺HS-610e超聲波檢測儀，編號為SXGJ-Y0157，SXGJ-Y0160，用入射角α為28.5°的2.5P 13×13斜探頭，儀器橫波掃描速度采用聲程1∶1調節，按橫波斜探頭方法制作距離-波幅曲線。

2.3.3曲線定位試驗

使用2臺超聲波探傷儀分別對10～80 mm的φ1 mm橫孔及內壁1 mm V型槽進行探傷，記錄3次數據,數據結果見表2，3。

從驗證試驗的結果可以看出，實際結果與測量及推導值誤差很小，這是由探傷過程中各種因素造成的,例如耦合、探頭角度等,實際結果比推導值略大一些，深度越大，誤差也就越大。盡管如此，在最大深度處的誤差也小于1 mm，可以滿足超聲波對缺陷定位的精度要求，可見以聲程值來測算缺陷的水平距離及深度是可行的。

表2　編號SXGJ-Y0157超聲波探傷儀

表3　編號SXGJ-Y0160超聲波探傷儀

3結語

對超高壓水晶釜等厚壁的超高壓容器，當壁厚不適用于純橫波檢測時，采取小角度2.5P13×13K0.68(入射角α為28.5°)的斜探頭沿著釜體做周向掃查是可行的。

通過制作聲程-深度-水平距離關系的圖表，檢測人員可以用超聲波探傷儀顯示的聲程直觀地得出缺陷的深度及水平位置，以準確地定位缺陷。

參考文獻:

[1]JB/T 4740.3-2005承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測[S].

[2]辛義山,高少峰,寇威.厚壁超高壓釜超聲波檢測初探[C].西安:西北大學出版社,2009:278-282.

Experiment on the Ultrasonic Detection of Defects of Ultra High Pressure Crystal Kettle

KOU Wei, ZHENG Peng-gang, JING Xiao-chun

(Shaanxi Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Xi′an 710048, China)

Abstract：The ultrasonic wave detection technology of ultra high pressure crystal vessel is introduced in this paper. And through field test data, the relationship among acoustic path, depth and horizon range is found, the localization method of ultrasonic detection of defects is researched. The method has high reliability and provides a new way of defect detection for the ultra high pressure crystal kettle, and it can also provide a reference for the ultrasonic inspection of the ultra high pressure vessel.

Key words:Ultrasonic inspecting；Super-high pressure crystal kettle；Localization of defect

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0010-03

DOI:10.11973/wsjc201601003

作者簡介：寇威(1982-),男,碩士,工程師,主要從事承壓特種設備的檢驗檢測工作。

收稿日期：2015-06-26