鑄鐵烘缸的超聲測厚工藝優化

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(衢州市特種設備檢驗中心，衢州 324000)

根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的規定，鑄鐵烘缸作為一種造紙用壓力容器，應按照要求進行定期檢驗。由于缸體內部承受蒸汽壓力，需要具有足夠的厚度才能保證烘缸的安全運行，因此在定期檢驗中，缸體厚度的測量顯得尤為重要。筆者通過對不同超聲波探頭的對比試驗，得出不同頻率、不同晶片尺寸探頭的優缺點，有助于提高鑄鐵烘缸測厚的精確度。

1 鑄鐵超聲測厚的難點

當前比較常用的測厚設備多為超聲測厚設備，對于碳鋼、低合金鋼等材料，超聲測厚技術較為成熟，例如用型號DC1000B的普通超聲測厚儀測量Q345R鋼和S30408鋼，精度可以到達±0.1 mm，檢測結果可靠，成本較低，但由于鑄鐵材料的特殊性，鑄鐵的超聲測厚存在以下難點。

(1) 組織不均勻。由于鑄鐵表面與中心具有不同的組織，表面冷卻速度快，晶粒細，聲速大；中心冷卻速度慢，晶粒粗大，聲速小。

(2) 組織不致密。鑄鐵中石墨的質量分數和尺寸對聲速也有影響，隨著石墨的質量分數和尺寸的增加，聲速減小。

(3) 晶粒粗大。散射衰減與材料晶粒的粗細密切相關，當材料晶粒粗大時，散射衰減嚴重，并且被散射的超聲波沿著復雜的路徑回到探頭，在示波屏上引起草狀回波。

(4) 聲耦合性差。鑄鐵的表面較為粗糙，檢測靈敏度降低。

由于普通測厚儀的聲發射強度低，散射衰減較大，工件底部的反射回波太小，所以無法觸發測厚儀顯示厚度或者假厚度，給鑄鐵測厚帶來很大的不穩定性。

2 鑄鐵聲速的校準

普通碳鋼的縱波聲速為5 920 m·s-1，不銹鋼為5 740 m·s-1，鑄鐵為3 500～5 820 m·s-1[1]，可見由于鑄鐵材料的特殊性，其聲速范圍很大，所以對于每一只鑄鐵烘缸來說，雖然鑄鐵牌號一致，但其聲速往往不一樣。為了得到鑄鐵的準確厚度，在測厚前必須校準該鑄鐵烘缸的聲速。可以利用缸體與缸蓋結合的凸緣部位作為校準試塊，測量出該鑄鐵的聲速(見圖1)。

圖1 校準聲速所用凸緣示意

但凸緣與實際被測缸體的厚度、應力、溫度、硬度等的差異可能會導致聲速的變化。為了驗證凸緣處的聲速是否與缸體聲速一致，設計了HT250鑄鐵階梯試塊(見圖2)。各階梯厚度分別為40，35，30，25 mm，在每個階梯上做如下比對。

(1) 金相檢測。根據標準GB 7216-2009《灰口鑄鐵金相分析》的要求，在拋光狀態下檢驗各階梯鑄鐵的石墨形態和石墨長度，觀察各個階梯的受檢面，發現不同厚度受檢面的石墨分布形態、石墨長度區別不大。

圖2 HT250鑄鐵階梯試塊示意

(2) 硬度測試。測試儀器為里氏硬度計，型號為HL-80。沿階梯分3次測試不同厚度處的硬度，再取平均值，測試結果見表1。可見鑄鐵內部硬度稍低于表面硬度，主要原因是鑄鐵材料內部組織不均勻，這是由鑄鐵在冷卻凝固時的特性決定的，但總體來說，各階梯硬度區別不大，且都在標準QBT 2556-2008《造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定》的合格范圍內。

表1 各階梯厚度下測量的硬度

(3) 聲速測量。采用HS620數字式超聲波探傷儀，以及頻率為1.5 Hz的縱波直探頭進行檢測。在不同厚度、不同溫度下采用平均值法測量聲速。測量階梯上3點的聲速，取其平均值，然后利用求得的聲速隨機抽取該階梯其他3點的測量厚度，求得測量的誤差。誤差在±(0.5%+0.05) mm以內即代表測得的聲速準確。各階梯在溫度為25 ℃和50 ℃測量的聲速如表2所示。

表2 各階梯在溫度為25 ℃和50 ℃時測量的聲速

從表2可以看出，各個厚度的階梯處聲速基本一致，最高聲速(4 031 m·s-1)與最低聲速(4 014 m·s-1)僅相差0.42%。

(4) 不同應力下的區別。在已知缸體厚度的情況下，分別在烘缸停機時(壓力為0 MPa)和烘缸正常運行時(壓力約為0.5 MPa)分別測量聲速。結果表明，內部是否存在壓力對聲速的影響很微小。固體介質的應力狀況對聲速有一定的影響，一般隨著應力的增加，聲速增加緩慢。對于26 ℃下的純鐵，應力為1 000 Pa時，縱波聲速為3 219 m·s-1；應力為9 000 Pa時，縱波聲速為3 252 m·s-1。

綜上所述，利用缸體與缸蓋結合部位的凸緣作為校準試塊，在不同溫度、應力、厚度下得到的凸緣聲速與缸體聲速也幾乎沒有區別，所以凸緣的聲速可以用來作為測量缸體的聲速。

3 超聲波探頭的選取

選用帶A掃信號的超聲波檢測儀顯示時間-幅度信號，輸入凸緣處測得的鑄鐵聲速，將超聲波檢測儀置于被測處，讀出初始脈沖和第一次底波之間的距離即是鑄鐵的厚度，0.5Z20N型和2.5Z20N型兩種探頭的回波如圖3，4所示。

圖3 0.5Z20N型探頭的回波

圖4 2.5Z20N型探頭的回波

首先選用發射強度大、靈敏度余量高的超聲波檢測儀器作為主機，利用階梯試塊校準零位。特制了型號分別為0.5Z20N,1Z20N,1.0Z13N,1.5Z13N,2.0Z13N,0.5Z28,2.5Z20的7種縱波探頭，對這些探頭進行對比試驗。由于一般鑄鐵烘缸的厚度都在40 mm以下，所以將以上6種探頭置于試塊的最大厚度(40 mm)階梯上，考慮到不同探頭的始脈沖不同，所以轉動旋鈕將所有探頭的第一個底面最高回波增益都調節為80%左右，主要觀測二次底波的幅度和波形。不同探頭的試驗結果見表3。

表3 不同探頭的試驗結果

3.1 頻率對波形的影響

超聲波在鑄鐵材料中的衰減很大，通常所說的衰減是指吸收衰減頻率，根據衰減方程

PX=P0exp(-ax)

(1)

式中：PX為至波源距離為X處的聲壓；P0為波源的起始聲壓;a為介質衰減系數。

由式(1)得知，吸收衰減與超聲波頻率成正比，頻率越高衰減越大。故通過表3可知，在相同晶片尺寸、相同第一次底波的情況下，頻率越低，得到的二次底波越大；頻率越高，脈沖寬度越小，回波波形越窄，分辨力也就越高；頻率越高，波長越短，半擴散角就越小，能量越集中，聲速指向性越好。

3.2 晶片尺寸對波形的影響

晶片尺寸越大，輻射的超聲波能量也越大；晶片尺寸越大，半擴散角就越小，能量越集中，聲速指向性越好，對深度范圍內的缺陷定位更為準確。

需要注意的是晶片尺寸越大，近場區的長度也就越大，例如探頭205Z20，其近場區長度超過了被測物體的厚度，對檢測不利。

4 與傳統鑄鐵測厚方式的對比

選取了當地某造紙企業的10只HT250鑄鐵烘缸進行試驗對比。一組數據為采用文中推薦的工藝進行測厚的結果，設備為HS620數字式超聲波探傷儀，配備頻率為2.0 Hz，探頭直徑為20 mm的直接接觸式單晶縱波直探頭；另一組數據為采用傳統測厚儀測厚的結果。兩種測厚方式的具體對比數據如表4所示。

表4 兩種測厚方式的測厚數據對比

從表4可以看出，文中提出的測厚工藝的準確度較傳統測厚儀測厚的準確度有了較大提高。其中文中提出的測厚工藝的最低準確度為98.7%，能夠滿足實際檢測需求。

5 結論

(1) 通過階梯試塊對比試驗，得知即使在不同溫度和壓力下，凸緣的聲速與被測缸體的聲速相差很小，所以凸緣可以作為校準缸體聲速的試塊。

(2) 鑄鐵中聲波衰減較大。低頻率探頭雖然在散射衰減方面有一定的優勢，但在厚度為40 mm時，超聲波探傷儀采用0.5 MHz～2.5 MHz頻率的探頭均能夠捕捉到明顯的回波信號，并且厚度的測量僅需找到厚度最大處的底波，底波幅度的大小并不重要，所以衰減并不是決定測厚精度的首要因素；同時隨著頻率的降低，超聲波脈沖寬度變大，如0.5 MHz探頭發出的脈沖寬度大、波形寬，導致分辨力降低，無法準確判斷哪點是最大厚度處的回波；反之，較高頻率、較大晶片尺寸的探頭可以得到較高分辨力、較為細窄的底面回波，這對準確發現鑄鐵的最大厚度有很大幫助。但需要注意的是不能采用過高頻率的探頭，因為造成的衰減較大，同時考慮到近場區的原因，頻率越高，晶片尺寸越大，近場區長度越大，對檢測結果影響越大。

參考文獻:

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