郭 智

（勝利石油管理局勝利發(fā)電廠，山東 東營(yíng) 257087）

0 引言

電站設(shè)備中的多數(shù)部件長(zhǎng)期應(yīng)用在高溫高壓的水、蒸氣介質(zhì)中，應(yīng)力、腐蝕、蠕變、氫蝕及疲勞等造成的時(shí)效損傷和劣化問(wèn)題比較嚴(yán)重。對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行檢修、壽命評(píng)估等工作的信號(hào)采集中，最經(jīng)常和廣泛應(yīng)用的是超聲波技術(shù)。超聲波由于廣泛應(yīng)用于薄管到厚管、表面到內(nèi)部的缺陷信息采集，對(duì)缺陷定量評(píng)價(jià)迅速，現(xiàn)場(chǎng)檢查容易、解析方便、自動(dòng)化程度高等許多優(yōu)點(diǎn)使其得到普遍應(yīng)用。

利用超聲波法進(jìn)行微裂紋的檢查，材質(zhì)損傷及劣化診斷時(shí)，超聲波信號(hào)一般比較微弱，變化量小。要準(zhǔn)確捕捉這些微小的信號(hào)，并用其進(jìn)行解析，必須具備高性能的測(cè)量系統(tǒng)。近年來(lái)，高靈敏度、高性能、高可靠性的超聲波發(fā)送接收器已經(jīng)商品化，伴隨著計(jì)算機(jī)的高速、大容量化，信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理等能力增加，圖像化、圖像解析、自動(dòng)化也越來(lái)越容易；此外，雙晶探頭，聚焦探頭，表面SH波探頭，爬波探頭及高溫探頭及電磁超聲波的非接觸探頭等的廣泛應(yīng)用。在這種前提下，使得近期通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室階段解析、積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的進(jìn)行，能在現(xiàn)場(chǎng)廣泛推廣應(yīng)用多種多樣的超聲評(píng)估損傷和劣化診斷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

1 超聲波探傷的檢查方法

1.1 缺陷定量方法

（1）當(dāng)量法(當(dāng)量試塊比較法、當(dāng)量計(jì)算法、當(dāng)量AVG曲線法)；

（2）測(cè)長(zhǎng)法（相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法、絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法、端點(diǎn)峰值法）；

（3）底波高度法。

1.2 裂紋的檢測(cè)方法

（1）表面波波高法；

（2）表面波波時(shí)延法（單探頭法、雙探頭法）；

（3）端部回波峰值法；

（4）橫波端角反射法；

（5）橫波串列式雙探頭法；

（6）相對(duì)靈敏度法（6dB、10dB、20dB）；

（7）散射波法（衍射法）；

（8）損傷、劣化評(píng)價(jià)方法 衰減法（低層回波反射法、透射法、共鳴法）；

（9）音速法（表面波法、容積波法）；

（10）臨界角反射法；

（11）光譜儀法（光譜分布及面積、中心頻率、頻幅、重心頻率）；

（12）頻率解析法；

（13）利用后方散射波的雜波分析法；

（14）其它（δ 法、波松比評(píng)價(jià)法）。

2 裂紋的評(píng)價(jià)和應(yīng)用實(shí)例

2.1 聚焦超聲波

作為在現(xiàn)場(chǎng)可以方便測(cè)量的方法而廣泛應(yīng)用的是相對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng)法。這種方法是通過(guò)探頭前后掃查時(shí)的回波高度超過(guò)距離—波幅曲線（distance amplitude curve,DAC）時(shí)閾值前后的波束路程來(lái)測(cè)量裂紋高度的一種方法。這種方法的測(cè)量精度主要取決于超聲波波束的寬度，通過(guò)使用超聲波波幅較窄的聚焦探頭，可提高裂紋自身高度的測(cè)量精度。

疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋等的缺陷高度測(cè)量經(jīng)常使用端部回波法。這種方法是收集裂紋端部的散射波回波，然后由其波束路程和探頭的折射角來(lái)測(cè)裂紋自身高度。使用45°折射角聚焦探頭時(shí)，散射回波變得容易發(fā)現(xiàn)，而且測(cè)量精度也比常規(guī)探頭增高。在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于鉻鉬鋼產(chǎn)生的裂紋，通過(guò)使用常規(guī)探頭和聚焦探頭的上部回波表現(xiàn)形式的檢測(cè)比較表明，使用聚焦探頭時(shí)精度提高50%。對(duì)奧氏體系列不銹鋼配管發(fā)生的自身高度0.5～17 mm的尖端部位呈復(fù)雜形狀的晶間應(yīng)力腐蝕裂紋，通過(guò)利用聚焦探頭的端部回波法，其裂紋自身高度曾以低于±1 mm的精度進(jìn)行了測(cè)量。

端部回波法測(cè)量本身簡(jiǎn)單，但回波的判別方法依賴于檢查技術(shù)人員的水平和經(jīng)驗(yàn)，存在客觀性差的問(wèn)題。另外，微裂紋并存、裂紋的形狀復(fù)雜時(shí)，無(wú)法得到預(yù)期的精度，這一點(diǎn)也需特別留意。

對(duì)發(fā)電設(shè)備水冷壁管內(nèi)表面發(fā)生的腐蝕疲勞裂紋、不銹鋼焊接部位產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋及石化設(shè)備中的堿蝕脆化裂紋等的缺陷高度測(cè)量一般使用散射法（Time of Flight Diffraoction,TOFD）。TOFD法是BS7706中規(guī)定的方法，將發(fā)射探頭和接收探頭按一定的距離焊縫兩側(cè)放置，使發(fā)射探頭發(fā)射出傳播縱波，利用裂紋端部的衍射波測(cè)量裂紋自身高度。在沒(méi)有裂紋的地方得到的信號(hào)僅是在試驗(yàn)體表面?zhèn)鞑サ臋M波和底層反射波的單純波形，但在有裂紋的情況下，還會(huì)接收到來(lái)自裂紋上端及下端的衍射波。所以是求損傷圖形上的各個(gè)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，并由這些值測(cè)量裂紋深度及高度的方法。這些收集到的反射信號(hào)經(jīng)波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并由計(jì)算機(jī)處理后，變換成相位程度帶明暗的灰色標(biāo)度，探傷結(jié)果可實(shí)時(shí)圖像顯示。在常規(guī)方法中，入射角如果偏離10°，其靈敏度約降低25 dB，而TOFD法為5 dB，相對(duì)減小許多。可以說(shuō)TOFD法具有不易受裂紋斜度影響的良好的裂紋檢測(cè)性能。

應(yīng)用TOFD法可以高精度的測(cè)量裂紋自身高度，例如：在水冷壁管腐蝕裂紋中，精度為±0.2 mm。對(duì)板厚50 mm的低合金鋼產(chǎn)生的疲勞裂紋，其測(cè)量精度達(dá)到±5%。另外，對(duì)原來(lái)檢測(cè)較困難的堿蝕脆化損傷所造成的裂紋頂端的晶間剝離的定量評(píng)價(jià)也可以應(yīng)用TOFD法進(jìn)行。但是，TOFD法信號(hào)微弱，而且根據(jù)探頭的設(shè)定條件，其檢測(cè)性能、測(cè)量精度受到很大的影響，因此，需要進(jìn)行尋求最佳條件的預(yù)備實(shí)驗(yàn)。

目前日本正在研究使用大開口角的線聚焦探頭，使在試驗(yàn)體表面發(fā)生泄漏彈性表面波（LSAW），以定量評(píng)價(jià)不銹鋼晶間腐蝕（IGA）自身高度的方法。實(shí)驗(yàn)證明晶間腐蝕自身高度和LSAW回波振幅之間有著良好的相關(guān)關(guān)系。

2.2 表面SH波

普通斜探頭在工件中產(chǎn)生的橫波，振動(dòng)方向在垂直于工件表面的平面內(nèi)振動(dòng)，稱SV波；如果橫波的振動(dòng)方向與工件表面平行，稱為SH波。壓電晶片在逆壓電效應(yīng)作用下產(chǎn)生的振動(dòng)波通過(guò)異質(zhì)界面上的波形轉(zhuǎn)換在被檢介質(zhì)中產(chǎn)生SH波。

試驗(yàn)證明SH波探頭的往復(fù)透過(guò)率隨SH波探頭在鋼中折射角度的增大而增大，隨頻率的降低有所升高，低頻率探頭在不同角度的往復(fù)透過(guò)率差值比高頻率探頭在不同折射角度上的往復(fù)透過(guò)率差值小。將驗(yàn)證結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較，高頻率探頭的一致性較好，低頻率探頭的一致性稍差一些，這是由于理論計(jì)算所考慮的晶片為無(wú)限大平面，實(shí)際試驗(yàn)中晶片為有限尺寸。在應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)SH波探頭主要分為大角度SH波斜探頭與表面SH波探頭。

表面SH波對(duì)工件的表面光潔度要求不高，表面SH波一次有效檢驗(yàn)距離更大，可提高檢驗(yàn)效率；應(yīng)用于汽輪機(jī)葉片葉身檢驗(yàn)時(shí)可一次完成末級(jí)葉片全長(zhǎng)度檢驗(yàn)，且不受末級(jí)葉片汽蝕影響。檢驗(yàn)縱樹型葉根時(shí)檢驗(yàn)靈敏度可達(dá)到1 mm。應(yīng)用于管內(nèi)壁疲勞裂紋檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)靈敏度可達(dá)到0.5 mm。

SH波探頭檢驗(yàn)靈敏度受耦合效果影響較大。造成這種差異的主要原因是由于SH波探頭發(fā)射的橫波屬于剪切波，僅能在固體介質(zhì)中傳播。而目前橫波專用耦合劑在不同溫度下，其透聲效果有較大差異，既橫波在界面的往復(fù)透過(guò)率有較大差異，導(dǎo)致介質(zhì)中的橫波聲場(chǎng)強(qiáng)度有較大改變，造成檢驗(yàn)靈敏度上的差異。因此目前實(shí)踐應(yīng)用中，一般用在環(huán)境溫度差別不大的情況下，如果環(huán)境溫度差別較大時(shí)，應(yīng)對(duì)檢驗(yàn)儀器的檢驗(yàn)靈敏度重新校準(zhǔn)。大角度SH波斜探頭由于聲場(chǎng)強(qiáng)度在表面及表面下0-10 mm左右范圍，聲場(chǎng)強(qiáng)度基本一致，因此在應(yīng)用于較薄工件檢驗(yàn)時(shí)，其在缺陷定位（深度方向）上難以作到準(zhǔn)確定位。

由于表面SH波具有以上所述的種種優(yōu)點(diǎn)，所以期望能在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的無(wú)損檢查方面得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于火力發(fā)電設(shè)備等使用的配管焊接部位發(fā)生的裂紋的探傷，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了面向現(xiàn)場(chǎng)的電子掃描系統(tǒng)，并且已經(jīng)開始應(yīng)用。例如使用電弧陣列探頭，進(jìn)行電子的超聲波波束的扇形掃描，試驗(yàn)體的斷面圖像為可以實(shí)時(shí)顯示的移動(dòng)式圖像系統(tǒng)。

3 損傷、劣化評(píng)價(jià)和應(yīng)用實(shí)例

3.1 蠕變損傷評(píng)價(jià)

蠕變損傷是高溫環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載一定負(fù)荷時(shí)，在晶間產(chǎn)生孔穴等的現(xiàn)象。對(duì)其應(yīng)用的超聲波評(píng)價(jià)方法有波速法、衰減法、光譜法、頻率解析法及雜波分析法等，理論解析也多種多樣。其中雜波分析法從精度和適用性看較為有效。該方法是將來(lái)自金屬組織變化的后方組織散射波作為雜波處理，然后用某頻率范圍的積分值定量評(píng)價(jià)其振幅的一種方法。

在汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子中，葉輪鍵槽部的蠕變損傷在評(píng)價(jià)剩余壽命方面非常重要。但其評(píng)價(jià)方法建議使用使橫波傾斜入射葉輪鍵槽，然后用垂直探頭接收來(lái)自損傷部的波形變換后的縱波的δ法。有資料證明，根據(jù)這個(gè)方法可以得出蠕變的損傷程度和回波高度之間的直線的良好相關(guān)關(guān)系。

3.2 氫蝕的損傷評(píng)價(jià)

氫損傷是在高溫(>220℃)高壓條件下，當(dāng)爐水pH<5、凝汽器泄漏、無(wú)機(jī)酸或樹脂污染給水時(shí)，垢下反應(yīng)3Fe+4H2O→Fe3O4+8［H］生成的氫原子受垢層阻擋不能被工質(zhì)帶走，遂與晶界碳化物反應(yīng)Fe3C+4［H］→3Fe+CH4↑，生成的甲烷氣體使晶界開裂，在管子內(nèi)壁形成裂紋或鼓包，使鋼的性能下降的一種脆性破壞。氫損傷具有破壞速度快，損傷面積大、損傷不可恢復(fù)、不易早期發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)。

高頻超聲射頻回波可應(yīng)用于氫損傷μm級(jí)微裂紋的檢測(cè)，檢測(cè)前用粗砂紙除去管外表渣點(diǎn)，耦合劑采用28號(hào)軋鋼油。超聲縱波沿管壁垂直傳播到金屬基體/晶間微裂紋界面時(shí)將會(huì)產(chǎn)生超聲波的反射和透射現(xiàn)象（通常由于晶間微裂紋的取向是隨機(jī)的，這種反射稱之為散射），氫損傷降低了超聲波在其中的傳播速度，檢測(cè)儀器就可能檢測(cè)到并分辨金屬基體/晶間微裂紋界面和管壁內(nèi)表面的回波。因此通過(guò)檢測(cè)這種反射回波就可以了解內(nèi)部氫損傷微裂紋的情況。通常認(rèn)為超聲波可以發(fā)現(xiàn)的最小缺陷尺寸為波長(zhǎng)的1/2。近年來(lái)的理論研究證明，若對(duì)回波高度沒(méi)有規(guī)定，并配合高頻率的數(shù)字化示波器，儀器的靈敏度和信噪比會(huì)很高，不連續(xù)性檢出的靈敏度能達(dá)到波長(zhǎng)的1/5～1/10。如探頭頻率采用15 MHz時(shí)，則可檢出的單個(gè)不連續(xù)性可小至 40 μm～75 μm。

3.3 敏感化程度的評(píng)價(jià)

如果不銹鋼在高溫下使用，因敏感化而生成貧鉻區(qū)域是為誘發(fā)晶間腐蝕的原因，超聲波評(píng)價(jià)關(guān)鍵在于確認(rèn)由敏感化程度和超聲波的縱波和橫波決定的泊松比之間的相關(guān)關(guān)系，目前正在研究以泊松比為指標(biāo)的評(píng)價(jià)敏感化程度的方法。

敏感化的晶?？煽醋魇窃谥醒氩课缓途чg部位固溶元素的濃度不同的殼狀構(gòu)造，使用有關(guān)殼狀構(gòu)造的散射體的散射理論，計(jì)算超聲波音速和衰減的頻率依存性，隨頻率增加衰減的增加、音速的降低傾向及敏感化的發(fā)展而造成的音速的增加傾向等與試驗(yàn)值吻合。

3.4 二相不銹鋼的熱時(shí)效評(píng)價(jià)

如果二相不銹鋼長(zhǎng)時(shí)間保持在300～450℃時(shí)，會(huì)在α相中產(chǎn)生偏聚分解引起的熱時(shí)效 （脆化）。關(guān)于隨這個(gè)熱時(shí)效而進(jìn)行的音速變化，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究表明，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)良好。但是，關(guān)于二相不銹鋼鑄鋼的熱時(shí)效，受到含有粗大粒子的鑄造組織的影響，其SH波的音速和時(shí)效時(shí)間之間雖然有某種程度的相關(guān)，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與縱波的相關(guān)性。另外，有研究證明，如果利用使用線聚焦探頭的相位干擾法，對(duì)小區(qū)域的泄漏彈性表面波的音速進(jìn)行的測(cè)量，那么音速與熱時(shí)效一起增加，與破壞韌性值有相關(guān)關(guān)系。

3.5 疲勞的評(píng)價(jià)

疲勞壽命評(píng)價(jià)應(yīng)用使用軸對(duì)稱SH波的電磁超聲波傳感器的方法，通過(guò)檢測(cè)衰減系數(shù)，可以進(jìn)行非接觸評(píng)價(jià)，研究認(rèn)為在斷裂壽命的90.6%的階段，存在衰減系數(shù)的峰值。對(duì)于低合金鋼的疲勞，刃型位錯(cuò)為直線模型，螺旋型位錯(cuò)為彎曲模型，數(shù)值解析結(jié)果與電磁場(chǎng)超聲波測(cè)量的衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)良好，并證明使衰減系數(shù)變動(dòng)的主要原因是位錯(cuò)。

另外，應(yīng)用脈沖串波入射低周疲勞材料的共鳴衰減，由于隨著殘余應(yīng)變的增加，共鳴頻率中的衰減系數(shù)增加，認(rèn)為由此可以預(yù)測(cè)疲勞損傷程度。經(jīng)研究對(duì)于0Cr19Ni19不銹鋼，使用由于應(yīng)變控制和負(fù)荷控制而造成疲勞損傷的試驗(yàn)體測(cè)量音速時(shí)，在應(yīng)變控制疲勞中，隨著疲勞的增加，音速單純減少，在負(fù)荷控制疲勞中，反而增加。這種現(xiàn)象被解釋為是基于位錯(cuò)的活動(dòng)不同的一種現(xiàn)象，在利用音速評(píng)價(jià)疲勞損傷時(shí)，需要留意。

現(xiàn)在，正在研究的強(qiáng)力縱波超聲波入射到材料中時(shí)內(nèi)部摩擦的超聲波振幅依存性。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量3次高諧波開始變顯著時(shí)的振動(dòng)的振幅，來(lái)判斷是否產(chǎn)生高周疲勞的可能性。

4 結(jié)語(yǔ)

使用超聲波進(jìn)行損傷、劣化診斷時(shí)，需要能夠確實(shí)了解所欲期結(jié)論；要充分利用各種評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并使結(jié)論能從理論上得到證明,為此，高靈敏度超聲波測(cè)量系統(tǒng)，信號(hào)處理及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)展，理論解析及利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬等的發(fā)展都是必不可少的。同時(shí)，也需要實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)積累和反饋。

［1］ 全國(guó)鍋爐壓力容器無(wú)損檢測(cè)人員資格考核委員會(huì).在役壓力容器超聲波檢測(cè)［J］.超聲波探傷，1995，3.

［2］ 尚志遠(yuǎn).檢測(cè)聲學(xué)原理及應(yīng)用［M］.西北大學(xué)出版社，1996，5.