中厚板超聲波測厚失真原因分析及防范措施

王　杰，楊公本，劉德紅，張子義，張明國

（山東鋼鐵集團日照有限公司 爐卷項目部，山東 日照276800）

隨著經濟的發展，各種中厚鋼板在鍋爐、壓力容器、海洋工程、核電、風電、軍工、高層建筑、重型機械、模具制造等重大技術裝備制造領域用量越來越多，并隨著高層建筑、跨海橋梁、深海采油平臺、大型水電站等基礎建設的蓬勃興起，對鋼板的高強韌性、低屈強比、抗層狀撕裂、易焊接、耐候、耐腐蝕等多樣化的性能要求也越來越高。用戶在強調鋼板外觀質量、力學性能的前提下，也十分關注鋼板的內在質量，NDT探傷檢驗和評級已不僅僅限于容器板、鍋爐板、Z向性能等標準規定的鋼板，許多用戶在驗貨時或加工使用前都已采用超聲波測厚對鋼板進行檢測，從而對中厚板的內在質量控制提出了更高的要求。

1　超聲波檢驗與測厚

超聲波無損檢測的原理是探頭發射的超聲波，通過耦合劑在工件中傳播，遇到缺陷時反射回來被探頭接收，根據反射回波在熒光屏上的位置和波幅高低判斷缺陷的位置和大小。

超聲波測厚是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內部傳播的各種材料均可采用此原理測量。由于超聲波測厚儀使用簡便快速，近年來，用戶普遍采用超聲波測厚儀測量鋼板厚度，并以此作為鋼板厚度驗收標準。

反射式超聲波測厚儀測厚時，反射式數字顯示超聲波測厚儀只識別先接收到的第一個反射波，對于衍射后的回波、底波等不再考慮。直讀型測厚儀只要捕捉到一個返回來的足夠強的信號即進行計算，不會確認返回信號是否為真實的底波信號。

2　影響超聲測厚因素分析

在中厚板超聲波測厚失真的質量投訴中，主要表現為超聲波測量數值與鋼板的實際厚度相差較大，甚至僅為實際厚度的1/2。由于相關標準只明確鋼板厚度的測量公差，沒有明確測量工具的類型。通常產品出廠檢驗時使用板厚千分尺，而用戶采用超聲波測厚儀對鋼板進行測厚。超聲波測厚儀測厚會受到測量時工件表面狀態、耦合情況以及鋼板的內在質量狀態等多種因素的影響和干擾。

2.1　影響測厚的外在因素

1）工件表面清理不徹底，會造成探頭與接觸面耦合效果差，反射回波低，甚至無法接收到回波信號。對于表面銹蝕、耦合效果極差的鋼板，可通過砂、磨、挫等方法對表面進行處理，露出金屬光澤，使探頭與被檢鋼板通過耦合劑能達到很好的耦合效果。

2）鋼板加工后的工件曲率半徑太小，尤其是小直徑管狀或呈直角工件時，因常用探頭表面為平面，與曲面接觸為點接觸或線接觸，聲強透射率低（耦合不好）。可選用專用探頭（6 mm)，能較精確地測量管道等曲面材料。

3）被測鋼板因存儲不當，會造成背面出現明顯的腐蝕現象，尤其是鋼板與墊撐物之間會產生大量的腐蝕坑點。由于被測鋼板另一面有銹斑、腐蝕凹坑，造成聲波衰減，導致讀數無規則變化，在極端情況下甚至無讀數。

4）檢測面與底面不平行，聲波遇到底面產生散射，探頭無法接受到底波信號。

5）耦合劑用來排除探頭和被測物體之間的空氣，使超聲波能有效地穿入工件達到檢測目的。如果選擇種類或使用方法不當，將造成誤差或耦合標志閃爍，無法測量。應根據使用情況選擇合適的耦合劑種類。

6）探頭接觸面有一定磨損。常用測厚探頭表面為丙烯樹脂，長期使用會使其表面粗糙度增加，導致靈敏度下降，從而造成顯示不準確。

2.2　影響測厚的內在因素

對厚鋼板而言，影響測厚（探傷）的內在因素主要是鋼板內部的缺陷，如：鋼板的分層、裂紋、氣泡、偏析、夾雜物和嚴重的組織不勻性、晶粒粗大等。超聲波在其中穿過時會產生嚴重的散射衰減，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播，有可能使回波湮沒，造成不顯示。另外，當鋼板冷成型加工后或是軋制后鋼板內部有較大的殘余應力，會對測厚時的聲速有一定的影響，并使聲波的傳播方向產生偏離，由此也會造成測量偏差。

1）鋼中夾雜物，由于鋼液凝固過程中，O、S、N與鋼液之間的平衡隨著溫度降低而移動，導致O、S、N的各種化合物的平衡常數相應增大，從而形成各種非金屬化合物。除了個別情況下利用彌散強化分布的非金屬化合物作為形核點（如AlN），或者釘扎質點（Nb、V、Ti的碳氮化物）以阻止晶粒長大之外，鋼中非金屬夾雜物通常被認為是有害的，如果夾雜物出現富集或呈現大型夾雜顆粒就會影響超聲波的反射。

2）中心偏析，連鑄坯的中心偏析是指鋼液在凝固過程中，由于溶質元素在固液相中的再分配形成了鑄坯化學成分的不均勻性，中心部位C、S、P含量明顯高于其他部位［1］。中心偏析往往與中心疏松和縮孔相伴存在。鋼中錳質量分數較高（1.2%以上）時，偏析和疏松會加劇，特別是Q345系列鋼板，錳質量分數一般在1.30%～1.50%之間，形成偏析的趨勢更明顯。連鑄坯在后續軋制過程中由于加熱、變形及熱處理等工藝手段運用不充分，未能使其缺陷得到較好的改變，而繼續殘留在鋼板內部。

3）鋼板的內裂紋，由于是在鋼液凝固過程中產生的裂紋，也叫凝固裂紋。從結晶器下口拉出帶液芯的鑄坯，在彎曲、矯直和夾輥的壓力作用下，于凝固前沿薄弱的固液界面上沿一次樹枝晶或等軸晶界裂開，富集溶質元素的母液流入縫隙中，因此這種裂紋往往伴有偏析線，也稱“偏析條紋”。產生原因是由于鋼中S、P等元素含量高以及鑄坯鼓肚等原因而形成的沿晶裂紋。這種裂紋在熱加工過程中是不能被徹底消除。

4）鋼板的帶狀組織，是指鋼板內部中兩種組織組分呈條帶狀沿熱變形方向大致平行交替排列的組織。帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻。

5）混晶，是指鋼材中存在的大小相差懸殊、粗細晶粒共存的組織形態，表現為金屬基體內晶粒大小混雜，粗晶細晶混雜，細晶粒夾在粗晶粒之間，或表面為粗晶中心為細晶，也可能相反。異常粗大組織的聲阻抗與鋼板基體差異較大，會產生不同的反射和透射。

6）鋼板的分層，一是在軋制過程中由于壓下量不大疏松和縮孔沒有焊合，或者是由于其內部被氧化而不能夠被焊合而形成分層［2］；二是由于中心偏析和中心疏松明顯的鑄坯，氫氣可被偏析和疏松捕集，夾雜物中也能存儲一定的氫，當軋制時，缺陷部位被壓縮，使缺陷部位飽和的氫對基體施加壓力而產生局部應力，在冷卻過程中相變的同時，H的溶解度下降，使得鋼中其過飽和度不斷增加，當壓力大于基體強度時，會產生氫致裂紋，軋制成品后表現為內部分層。

3　測厚失真防范措施

避免鋼板測厚通不過的措施主要從影響測厚的外部、內部和用戶實際使用要求3方面著手，外部影響解決起來比較容易，只要在測試前對器材進行校驗，處理好鋼板的上下表面、保持探頭的表面平滑，根據鋼板所處的狀態合理選用耦合劑或探頭，確保探頭與測試面實現無氣隙的耦合，就能避免影響。而內在的影響因素則關系到鋼板的冶金、軋制、熱處理及加工制造時的諸多因素，也是影響鋼板測厚（探傷）的最為重要的方面。

3.1　外部措施

1）對懷疑內部有組織嚴重不均勻或晶粒異常粗大的鋼板測試，可選用頻率較低的粗晶專用探頭（2.5 MHz）。

2）當鋼板內部存在缺陷（如夾雜、夾層等）時，顯示值約為公稱厚度的70%，此時可用超聲波探傷儀進一步進行缺陷檢測。

3）測厚探頭接觸面經常會有一定的滑動，長期使用會使其表面粗糙度增加。可選用500#砂紙打磨，使其平滑并保證平行度。如仍不穩定，則考慮更換探頭。

4）當鋼板加工成型后，成型鋼板內側有沉積物，當沉積物與鋼板聲阻抗相差不大時，測厚儀顯示值為鋼板厚度加沉積物厚度，這時需要清理內側沉積物。

5）測量鋼板前準確識別材料，選擇合適聲速。

3.2　改進鋼板內部質量

3.2.1優化冶煉工藝

1）嚴格控制鋼中夾雜物的含量、形態和分布以及裂紋、偏析、疏松等缺陷的程度。選擇合適的精煉方式，采用全程保護澆注，降低鋼中夾雜物含量。改變目前夾雜物單純依靠后處理的控制策略，采用全流程控氧工藝實現超低氧冶煉：采用鐵水“三脫”預處理工藝，實現高碳脫磷；用轉爐高碳出鋼工藝，降低轉爐終點鋼水氧含量；采用擋渣出鋼、爐渣改質和沸騰出鋼工藝，控制下渣量≤3 kg/t，渣中FeO+MnO≤5%；開發RH平衡脫碳工藝，控制加鋁前CaO≤200×10-6；嚴格控制脫氧劑加入量和鋼水成分，實現對夾雜物成分和形態的有效控制。

2）控制好澆注溫度、拉坯速度、各段冷卻溫度，確保對弧精度和開口度，選用合適的保護渣，穩定結晶器液面；控制好鑄坯的表面質量，連鑄坯表面不得存在裂紋、夾渣及皮下氣泡等缺陷。

3）控制好結晶器內腔尺寸和表面狀態及冷卻均勻性，連鑄坯的外觀形狀、尺寸偏差應符合規定要求。

4）采用結晶器電磁制動及電磁攪拌技術，減弱鑄流沖擊，提高質量。

3.2.2優化軋制工藝

1）改善鋼板內部缺陷：提高軋制溫度，增加原子擴散能力；降低軋制速度，增加擴散時間；增大道次變形量，獲得更強的壓應力；加大輥徑，增加接觸弧長和壓應力作用區。

2）確保變形滲透軋制的道次在軋制規程中合理安排。連鑄坯中心區附近存在的氣孔、微裂紋等鑄造缺陷，在足夠的壓縮變形率和壓應力條件下，有些缺陷可被壓合，反之，在拉應力作用下裂紋會擴展而導致探傷不合格。研究表明［3］，在板材軋制過程中，如果動態幾何參數滿足L/hm＞0.518（其中L為接觸弧，hm為變形區平均高度），則軋制中心缺陷將區域壓合。針對厚規格鋼板經常遇到的探傷不合格問題，要把L/hm＞0.518作為優化軋制規程的判據，如果參數L/hm＞0.518，則該道次軋制將使坯料中心氣孔等缺陷趨于壓合，否則將使上述缺陷形成的中心裂紋擴展［3］。

3）確保鋼板尤其是厚鋼板軋制壓縮比的要求。生產統計表明,采用同樣厚度的鑄坯原料生產不同厚度的鋼板時,隨著鋼板厚度的增加,壓縮比減小,探傷合格率也明顯下降。不同鋼種、不同用途的產品對壓縮比的要求不一樣，一般結構鋼中厚板的壓縮比要＞3～5。

4）對一些成分復雜、合金含量高的厚鋼板軋后必須進行緩冷處理，主要是防止鋼板表面和中心的溫度差引起裂紋，使軋制組織均勻化，脫除鋼板中的氫，防止針狀鐵素體的存在影響探傷檢查等。

5）要針對鋼板的用途和交貨狀態合理制定后續熱處理工藝，提高鋼板組織的“連續性、均勻性、一致性”，消除鋼板的內應力，減弱帶狀組織等不良組織形態的影響。

3.3　用戶訂貨時要明確技術要求

統計某鋼廠近年發生的Q345R容器板超聲波測厚數據異常的質量投訴，發現投訴用戶訂購的鋼板均為非探傷要求板。而用戶訂購的保探傷Q345R板訂單中，則沒有出現超聲波測厚異常的質量投訴。大量統計數據表明，用戶若訂購保探傷鋼板，基本可以避免超聲波測厚異常的情況，而部分客戶為了降低采購成本，不訂購保探傷鋼板，導致鋼板超聲波測厚異常的質量投訴頻發，既影響了用戶對鋼板的使用和工程工期，也給雙方帶來不必要的經濟損失。

4　測厚通不過鋼板的超聲探傷確認

標準JB/T 4730.3—2005和GB/T 2970—2004規定了各級別鋼板允許存在的缺陷指示長度、指示面積和缺陷面積比例，還規定了單個缺陷指示面積不計的情況。由于標準中允許鋼板存在上述缺陷，使用測厚儀檢測厚度時，難免產生測量不準現象。當出現超聲波測厚不透時，不能作為判斷鋼板缺陷超標的依據，應增加測定點，擴大檢測面積，有疑問時用超聲波探傷儀查明鋼板內部缺陷分布情況和尺寸及母材表面的傾斜度。重點放在兩個方面：

1）傾斜度，特別是靠近焊縫附近的傾斜度。與母材表面的夾角超過10°時，會危及使用安全（美國ASME中作了此規定）。當夾層處于坡口處，焊接時會產生裂紋，危害也會更大，國內已有此類事例教訓。

2）靠近坡口兩側50 mm范圍內應重點進行超聲波探傷，長形夾層應嚴加控制。

5　結　論

超聲波測厚儀由于使用簡便、快捷，已成為用戶測量鋼板厚度的主要工具，然而超聲測厚是一種透射式測厚，雖能快速測量厚度，卻易受測定條件、鋼板內在質量以及其他因素綜合影響的干擾，并不能作為評價鋼板內在質量的規范手段。鋼廠一方面應強化生產流程控制，提高鋼板內在質量；另一方面應加強與用戶溝通，消除用戶在超聲波測厚方面的誤解，同時充分辨識用戶真實需求，制定合理的質量控制和工藝規程，滿足用戶對鋼板內在質量的特殊需求。