一种检测金属部件母材内壁裂纹及腐蚀缺陷的新方法

摘要

本发明提供的一种检测金属部件母材内壁裂纹及腐蚀缺陷的新方法，将TOFD检测技术用于平面或曲率半径大于136mm的凸面、厚度为12-50mm的低碳钢或低合金钢母材内壁垂直深度大于1mm的裂纹、腐蚀缺陷的检测；选择60°角度的中心频率为2-10MHz、Ф6mm尺寸的探头；探头主声束对曲面工件聚焦深度为两探头主声束入射点连线的中心点到工件内表面间的垂直距离；对平面工件聚焦深度为工件的壁厚值；PCS值计算：PCS=2*T*tan60°，式中T为聚焦深度；沿平面扫查，灵敏度设定为直通波的波高为满屏的60-80%；沿曲面扫查，灵敏度设定为直通波的波高为满屏的40-60%；设定有效范围，计算扫查有效范围的L=PCS—2T*tanγP下；确定扫查次数的N=L总/L。本方法以衍射波相位和显示特征区分出缺陷的类别，是脉冲反射法超声检测无法实现的。

说明书

技术领域

本发明涉及金属部件的检测，即TOFD检测技术的广泛应用，可检测到壁厚12mm以上，其部件母材内壁垂直深度大于1mm的裂纹和腐蚀坑，拓宽了目前TOFD检测的应用领域，弥补了其他检测技术在部件母材内壁裂纹及腐蚀检测方面的不足。

背景技术

目前我国利用国外引进的TOFD检测技术，应用领域非常的宽泛，尤其是对生产设备的维修、养护领域发展势头在不断地增长，正如文献检索所披露：①江苏太湖锅炉股份有限公司李衍在无损探伤,NONDESTRUCTIVE INSPECTION 2004, 28 (3)发表的“超声TOFD法在电站锅炉检测上的应用”的论文介绍，用超声TOFD(衍射时差)法检测在用电站锅炉低合金钢炉壁管中的腐蚀疲劳裂纹、主蒸汽管和再热蒸汽管等高温管道中的蠕变损伤裂纹以及节流阀热疲劳裂纹的国外最新动态.该法能快速、有效地对材料、焊缝和热影响区的表面开口裂纹和内部裂纹进行测深定高,从而对锅炉受压元件及本体进行剩余寿命诊断和安全评价。②大庆炼化公司设计所;江苏省工程物理勘察院;中国地质大学(武汉) 李智泉,李国华,刘崧等在油气田地面工程,OIL-GASFIELD SURFACE ENGINEERING 2008, 27 (9)上发表的“埋地金属管道腐损状况的检测与安全性评估”论文对于埋地金属管道来说,发生腐蚀后通常表现为管道的管壁变薄,或者是出现凹坑与麻点.国外在没有开挖的情况下进行的管道内腐蚀检测技术有漏磁通法、超声波法、涡流检测法、激光检测法以及电视测量法等；国内引进了超声波法及漏磁通法检测设备数套,并自行研制成功了漏磁通法检测仪。③国家电力公司热工研究院曹杰玉,张明嘉,宋敬霞等2003的研究成果“锅炉管腐蚀在线监测装置及其应用”披露该监测装置，可以快速(两分钟内)准确地测量运行机组凝汽器管的实际腐蚀速率和腐蚀状态，可以解决以下问题：及时发现凝汽器管的腐蚀问题；指导设备的状态检修；检验凝汽器管防腐措施的有效性，并指导调整防腐措施，直到凝汽器管腐蚀问题得到有效地解决；该技术已在浙江钱清发电有限责任公司得到实际应用，取得了明显的经济效益，可以用于全国火力发电厂凝汽器管和热交换器管的腐蚀在线监测，也可以用于其他行业用水作为冷却介质的热交换器管的腐蚀在线监测。

本发明构思的TOFD检测技术，应用在焊缝内壁质量的检测方面，恰好是TOFD检测的盲区，而提出将TOFD技术用于检测设备母材的内壁腐蚀及裂纹检测，由于母材内壁为平面，不存在底面中心的盲区，所以，采用本项目所制定的工艺参数，可以检测出内壁的腐蚀及裂纹缺陷，通过对缺陷显示的相位和特征可以区分腐蚀及裂纹缺陷的类别，有重要的实践价值与科学意义。

发明内容

本发明的目在于：开拓了目前TOFD检测技术的应用领域，对压力管道、压力容器管道与球罐母材内壁的检测，具有灵敏度高、精度高、检测数据全等特点。

本发明的目的是这样实现的：一种检测金属部件母材内壁裂纹及腐蚀缺陷的新方法，将TOFD检测技术用于平面或曲率半径大于136mm的凸面、厚度为12-50mm的低碳钢或低合金钢母材内壁垂直深度大于1mm的裂纹、腐蚀缺陷的检测，包括探头选择、聚焦深度、PCS值计算、检测灵敏度、有效范围的设定以及精准的辨读； 

探头选择：选择60°角度的中心频率为2-10MHz、Ф6mm尺寸的探头；

聚焦深度：探头主声束对曲面工件聚焦深度为两探头主声束入射点连线的中心点到工件内表面间的垂直距离；对平面工件聚焦深度为工件的壁厚值；

PCS值计算：PCS=2*T*tan60°，式中T为聚焦深度；

灵敏度设定：沿平面扫查，灵敏度设定为直通波的波高为满屏的60-80%；沿曲面扫查，灵敏度设定为直通波的波高为满屏的40-60%；

有效范围的设定：计算扫查有效范围的L=PCS—2T*tanγ_P下；确定扫查次数的N=L_总/L。

本发明方法的检测，指衍射时差法（Time of Flight Diffraction），简称TOFD检测技术，是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角” 和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法；其原理是指波在传输过程中与界面作用而发生的不同于反射的另一种物理现象，当超声波作用于一条长裂纹缺陷，在裂纹表面产生超声波发射的同时，还将从裂纹尖端产生衍射波，衍射波信号比反射波信号弱得多，且向各个方向传播，没有明显的指向性，缺陷端点的形状对衍射有影响，端点越尖锐，衍射特性越明显，端点越圆滑，衍射特性越不明显，当端点园半径大于波长时，主要体现的是反射特性，对裂纹缺陷来说，其端点为尖锐形状，衍射波较明显。

其原理是：当超声波的线性不连续（如遇到诸如裂纹等缺陷）出现传播障碍时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，衍射能量在很大的角度范围内放射出并且假定此能量起源于裂纹末端，计算机软件处理系统将会计算评估这些衍射信号，对应射频信号的相位变换，生成有黑白梯度的D 扫描或B 扫描图像（收集数据方式），依据探测到的衍射信号和相位变化及衍射波图像特征，判定出缺陷的情况部位等。

本发明将TOFD检测技术应用于母材内壁的裂纹及腐蚀的检测方面，拓宽了TOFD检测技术的应用领域，解决了管道母材内壁裂纹及腐蚀缺陷难以检测及缺陷类型无法判断的难题，弥补了现有检测技术的不足；依据内壁缺陷衍射波相位变化和图像特征检测设备内壁裂纹和腐蚀坑缺陷的方法切实可行，彰显技术进步。

 

附图说明

本发明结合附图作进一步的说明。

附图1、2为常规超声波检测，即人工刻槽（模仿裂纹）反射波；盲孔（模仿腐蚀）边缘反射波：

如图所示：从图1、2中可以看出有缺陷的反射波，但从所显示的缺陷的波幅和波形方面无法区分缺陷的类型；

附图3、4为TOFD检测，缺陷相位和显示特征进行辨读：

如图所示：从图3、4中可以看出缺陷的衍射波显示，图3中的缺陷显示特点为：刻槽缺陷衍射波相位与底面反射波相同，两端与底面反射波不相连，底面波下沉或断开；图4中盲孔缺陷衍射波相位与底面反射波相同，而两端与底面反射波相连，底面波下沉或断开；均匀腐蚀减薄时，底面波与直通波间的距离减小；因此能够区分出缺陷的类型。

 

具体实施方式

本发明结合实施例作进一步的说明。

本发明的技术路线：

检测范围：工件母材材料为低碳钢或低合金钢； 检出内壁深度为1mm以上的裂纹和腐蚀缺陷；

制定检测工艺参数： 

1、探头的选择

探头：选择60°角度的5MHz、Ф6mm尺寸的探头。

2、聚焦深度：

探头主声束的聚焦在被检工件的内表面处（对曲面工件聚焦深度为两探头主声束入射点连线的中心点到工件内表面间的垂直距离；对平面工件聚焦深度即为工件的壁厚值）

3、PCS值设定

计算PCS值（两探头声束入射点之间的距离）PCS=2*T*tan60°（式中T为聚焦深度）；                               

4、扫查灵敏度设置

平面向移动探头扫查时，扫查灵敏度调节为直通波的波幅在70%波高处；

曲面轴向移动探头扫查时，扫查灵敏度调节为直通波的波幅在50%波高处。

5、扫查有效范围的设定

5.1首先计算纵波斜探头发出的超声纵波经探头楔块后到达钢中时的声束扩散下边界角度γ_L下；

计算的已知条件有：探头频率（f）、探头角度（钢中纵波折射角θ_L）、探头晶片直径（D）、扩散因子(F)、工件中纵波声速（C_L）、楔块中纵波声速（C_P）；

其中探头频率、探头角度及探头晶片直径由所选择的探头参数决定；扩散因子(F)一般取值为声压下降12dB时的声束边界扩散因子0.8；工件中纵波声速（C_L）对钢材而言其值为5.95mm/μs、楔块中纵波声速（C_P）对有机玻璃而言为2.4mm/μs。

计算过程包括以下步骤：

计算楔块中纵波入射角度θ_P：

根据折射角公式（SNELL公式）：

sinγ₁/ C₁ = sinγ₂/ C₂   

          sinθ_P=sinθ_L C_L/ C_P

计算楔块中纵波的声束扩散角γ_P：

根据声束半扩散角公式：sinγ₁=Fλ/D

          sinγ_P=F C_P/( D f )

计算楔块中纵波的声束下边界角γ_P下：

          γ_P下=θ_P－γ_P

计算钢中纵波的声束下边界角γ_L下：

          sinγ_L下=sinγ_P下C_L/ C_P

5.2 计算扫查的有效范围L=PCS—2T*tanγ_P下；计算扫查的次数 N=L_总/L（其中L_总为需要检测的范围）。

实施例

（1）制定检测参数：选用60度的5 MHz、Ф6mm探头；壁厚T=32mm的平面设备，将主声束聚焦在内表面处（即聚焦深度为32mm），计算PCS值（两探头声束入射点之间的距离）PCS=2*32*tan60°≈110mm；扫查灵敏度调节为直通波的波幅在70%波高处；因探头角度为60°、频率为5 MHz，其声束在被检部件中的纵波的声束下边界角为45.7°，PCS值为110mm，计算一次扫查有效范围L：L=PCS—T*tan45.7°=110-32* tan45.7°=77.2mm；用被检设备内壁需要检测的范围L_总除以一次扫查有效范围计算出检测所需的最少扫查次数N=L_总/L。

（2）检测结果的辨读：加工带有1mm深人工刻槽和盲孔的试块，对比分析人工缺陷的衍射波显示特征，找出显示的异同处，加以分析，区分两类不同的缺陷；

1）图像中的信号来源

TOFD 扫描图像中包括有A扫描信号、直通波信号、缺陷信号、底面纵波信号、波型转换信号、底面反射波型转换信号：

直通波：在被检设备的表面以下，沿两个探头之间的最短路径以纵波速度进行传播，不同于沿金属表面传播的表面波，是纵波声束边缘的体积波；

缺陷信号波：如果在金属材料中存在一个裂纹缺陷，则超声波在缺陷顶部尖端将产生衍射信号，出现在直通波之后，底面反射波之前，这些信号比底面反射波要弱得多，但比直通波信号强，由于衍射信号比较弱，在A-scan中往往难以看清，但由于仪器检测系统应用了“信号平均”处理方法使B-scan中信号显示比较清晰；底面反射波信号是探头发射的波束到金属部件的底面所产生的反射波信号，比衍射波型号要强。

2）信号的相位变化

在超声波检测时，当波束从高阻抗介质中入射到一个低阻抗介质（从钢入射到钢/空气界面）时，在界面反射的信号相位改变180o，当TOFD检测到有缺陷的部件时，缺陷上尖端信号就像底面反射波信号一样，相位改变180o，其相位与直通波信号相反，与底面反射波信号相同；

对带有1mm深人工刻槽和盲孔的试块进行检测，得到人工刻槽和盲孔缺陷的衍射波信号显示，经对比分析，刻槽信号的相位与底面波相同，并与底面波不相连；而盲孔的衍射波相位与底面波相同但与底面波相连，底面波下沉或断开，均匀腐蚀减薄时，底面波与直通波间的距离减小，据此区分缺陷是腐蚀还是裂纹。

（3）根据所制定的工艺，对实物设备进行检测以验证工艺参数是否合理及缺陷判定是否准确；采用现有的TOFD检测仪器，将探头固定到仪器的扫查架上，采用上述（1）方法确定的工艺分别在带有裂纹和腐蚀的管段上检测，能够发现缺陷衍射波，并用（2）中的判断方法进行缺陷的判别，验证了工艺参数和图像判断方法的正确性。

（4）用不同方法检测内壁裂纹及腐蚀的对比，见下表。

由上表数据得知：国内现有的内窥镜检测不能检测到深部管道内壁、涡流检测不能检测壁厚大于12.7mm的部件内壁缺陷、脉冲反射法超声检测无法区分内壁缺陷类型。

从国外引进的焊缝质量检测技术TOFD技术，具有缺陷检出率高、缺陷高度尺寸测量精度高等特点，通常应用于核电，建筑，化工，石化，长输管道等工业的厚壁容器和管道的焊缝质量检测方面；国内现有的TOFD检测标准GB/T 4730.10，其应用范围为焊接接头。

本发明中应用TOFD检测技术来检测部件母材内壁的裂纹及腐蚀缺陷，不同于应用在常规的焊缝检测方面；在焊缝检测中由于焊缝内表面有余高，是TOFD检测的下表面中心盲区，其中的缺陷无法检出；而本发明将TOFD检测用于检测部件母材的内壁，由于内壁为平面，不存在下表面中心盲区，因此能够检测出内壁的缺陷；此外，通过对缺陷衍射波相位和显示特征的分析判断，可以区分出缺陷的类别，这是脉冲反射法超声检测无法实现的。

本发明拓宽了TOFD检测技术的应用领域，弥补了其他检测方法的不足。