在用法蘭頸部非金屬夾渣的超聲檢測

謝寶奎，王　凡，閆世春，孫遠東，邵玉萍,黎　鑫，王文華

(1.中國兵器工業集團第五二研究所， 包頭 014034；2.內蒙古第一電力建設工程有限公司， 包頭 014030)

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在用法蘭頸部非金屬夾渣的超聲檢測

謝寶奎1，王凡1，閆世春1，孫遠東1，邵玉萍1,黎鑫1，王文華2

(1.中國兵器工業集團第五二研究所， 包頭 014034；2.內蒙古第一電力建設工程有限公司， 包頭 014030)

摘要：針對在用法蘭頸部非金屬夾渣物的組織特點，設計并自制了專業對比試塊及非常規斜探頭對法蘭頸部進行檢測，制定了檢測方案，快速、準確及有效地完成了對法蘭頸部非金屬夾渣物的超聲波檢測。檢測精度滿足要求，檢測結果誤差在允許范圍內。

關鍵詞：法蘭；超聲波檢測；非金屬夾渣

某公司生產線上的法蘭在使用中法蘭頸部開裂(如圖1所示)。通過分析,其失效原因為：基體金屬中存在尺寸較大的非金屬夾渣物——冶金缺陷，該缺陷與鍛件流線方向平行，缺陷組織存在整體不均勻性(如圖2所示)。非金屬夾渣物的存在使得法蘭在應力集中程度較大的部位發生脆性開裂。為了保證生產線上其他法蘭的可靠性，筆者對生產線上所有法蘭頸部進行了超聲波檢測,制定了檢測方案,快速、準確及有效地完成了對法蘭頸部非金屬夾渣的檢測。

圖1　法蘭裂紋示意

圖2　非金屬夾渣物金相照片

1法蘭的超聲波檢測原理

法蘭是鍛件。鍛件中的缺陷具有一定的方向性，超聲波檢測時一般選用縱波直探頭。

現法蘭鍛件中缺陷的相變和鍛件的組織應力流線平行，即鍛件主要缺陷和A面平行(如圖3所示)，因此檢測方向應和相變應力流線垂直。由圖3可看出直探頭檢測時，超聲聲束與流線方向成一定角度，檢測人員不能準確定位缺陷。因此，為了準確定位缺陷，綜合各方面情況采用橫波斜探頭進行檢測(如圖4所示)。

圖3　直探頭檢測示意

圖4　斜探頭檢測示意

圖5　對比試塊實物及CAD圖

2檢測方案

2.1對比試塊

為了保證檢測結果的準確性、可重復性和可比性，采用與法蘭相同形狀、熱處理狀態、表面狀態的材料,加工帶有不同孔徑平底孔的對比試塊(共2塊，如圖5(a)所示)。

α為法蘭頸部與法蘭盤上表面夾角(如圖5(b)所示)，α=145°。人工缺陷尺寸見表1(φ1,φ2,φ3為平底孔孔徑)。

表1　人工缺陷尺寸

2.2探頭的選擇

采用常規的CST-9009便攜式超聲波探傷儀，超聲波橫波接觸法進行檢測，選擇斜探頭(如圖6所示)。由于超聲的衰減隨探頭頻率的增加而快速增加，而較低頻率探頭的發射功率也較小，同時考慮工件檢測位置及近場區的影響。近場區的計算公式為[1]：

(1)

(2)

式中：N為近場區長度，mm；a為晶片長度，mm；b為晶片寬度，mm；λ為波長，mm；α為縱波入射角，(°)；β為橫波折射角，(°)；c為聲速，鋼中為3 230 m·s-1；f為頻率，MHz。

根據式(1)和(2),并綜合以上分析，選擇探頭頻率為2.5 MHz。

圖6　斜探頭結構

圖7　橫波檢測缺陷位置的判定方法

圖7為橫波檢測缺陷位置的判定方法，選取斜探頭的折射角β為35°，斜探頭k為0.7。

晶片尺寸主要依據近場區來確定，由式(1)可知，在其他參數一定的情況下，晶片尺寸越大近場區越大。在近場區檢測容易引起誤判甚至漏檢，因此應盡可能避免在近場區檢測。所以，以頸部的中線為分界線(如圖5所示)，在中部以上選用斜探頭的晶片尺寸為8 mm×12 mm，在中部以下選用斜探頭的晶片尺寸為8 mm×9 mm。

2.3探頭的制作

現在常用斜探頭的k值為1,1.5,2,2.5,3；k為0.7的斜探頭很少用甚至不用，在市場上也很難買到。采用2.5 MHz,8 mm×12 mm,與2.5 MHz,8 mm×9 mm,k為1的斜探頭組合自制k為0.7的斜探頭。通過打磨探頭的有機玻璃來制作k為0.7的斜探頭，打磨流程如圖8所示。

圖8探頭打磨流程

制作過程中，用標準的CSK-IA試塊來測量斜探頭的k值，經過檢測人員的打磨并反復測量，通過一天的時間兩種探頭各制作了五個，并用對比試塊進行檢驗，所制探頭完全滿足檢測要求。

3檢測結果

按照已經確定的檢測方案對24個在役鍛造法蘭進行了檢測，發現1,3,4,5,8,10～15,17～19,22～23號法蘭未見超標缺陷波形顯示,是可用的;2,6～7,9,16,20,21,24號法蘭存在超標缺陷波形顯示,需要更換。

對更換的8個法蘭，按同一檢測工藝進行檢測，未見超標缺陷波形顯示，可以使用。采用該檢測方案，完成了對所有在役鍛造法蘭頸部的超聲波檢測。

4結論

(1) 在理論結合實際的基礎上,采用自制的非常規斜探頭快速、準確、有效地完成了對法蘭頸部的檢測。

(2) 用常規的儀器輔以特殊的探頭解決了實際生產中問題，制定的檢測方案花費少，耗時短，成本低，效益高。對同類問題的解決具有指導意義。

參考文獻：

Ultrasonic Testing of Nonmetal Slag Inclusion Property in Flange Neck in Use

XIE Bao-kui1, WANG Fan1, YAN Shi-chun1, SUN Yuan-dong1, SHAO Yu-ping1, LI Xin1, WANG Wen-hua2

(1.No.52 Institute of China Ordnance Industry, Baotou 014034, China;2.Inner Mongolia No.1 Power Construction Engineering Co., Ltd., Baotou 014030, China)

Abstract：Aiming at the streamline direction and the organization characteristic of nonmetal slag inclusion in the flange neck in use, the ultrasonic testing of nonmetal slag inclusion in the flange neck was performed by using homemade professional comparison test block and unconventional oblique probe, enabling the special detecting scheme to be completed quickly, accurately and effectively. The detection precision meets the requirements, the detection results of the error is in the allowable range. Testing has a guiding significance to the similar problem.

Key words:Flange; Ultrasonic testing; Nonmetal slag

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：B

文章編號：1000-6656(2016)01-0066-03

DOI:10.11973/wsjc201601018

作者簡介：謝寶奎(1980-)，男，碩士，工程師,主要從事壓力容器與鋼結構無損檢測工藝與無損評價研究。

收稿日期：2015-05-28