龍會(huì)國，胡波濤

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

鑄鋼件超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)選擇分析

龍會(huì)國，胡波濤

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

通過調(diào)整超聲波檢測(cè)參數(shù)，研究分析ZG0Cr13Ni4Mo鑄鋼件檢測(cè)反射回波波幅與超聲波檢測(cè)參數(shù)變化的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，探頭頻率、直徑對(duì)對(duì)回波增益產(chǎn)生較大影響，當(dāng)鑄鋼件壁厚＜75 mm時(shí)，宜選用頻率為2.5 MHz;當(dāng)壁厚≥75 mm時(shí)，宜選擇頻率為2.25 MHz，探頭晶片直徑為20 mm較佳。

水電站;馬氏體不銹鋼鑄鋼件;超聲波;回波

水電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、葉片、上冠、下環(huán)等大型鑄鋼件的制造、使用質(zhì)量對(duì)于水電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義，而無損檢測(cè)則成為鑄件缺陷檢測(cè)的首選方法，目前比較有效的方法包括超聲波探傷法、X射線透照法和射線層析攝影法。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、成本低和對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)缺陷波形特性估判缺陷性質(zhì)，因而被廣泛地使用于大型鑄鋼部件檢測(cè)〔1-4〕。

鑄鋼件存在晶粒粗大、形狀復(fù)雜、表面粗糙等問題，給超聲波檢測(cè)帶來諸多難題，而工藝參數(shù)的選擇則直接影響檢測(cè)效果，探頭頻率、晶片尺寸是影響檢測(cè)效果最為重要的工藝參數(shù)。文中以水電站廣泛使用的新型鑄鋼材料ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為對(duì)象，通過試驗(yàn)分析超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)中頻率、晶片尺寸的影響因素，提供了選擇超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)的技術(shù)思路。

1 試驗(yàn)材料與方法

試件材質(zhì)為ZG0Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，厚度分別為:25 mm，45 mm，70 mm，95 mm，200 mm。參考ASME標(biāo)準(zhǔn)中A609/A609M的試件加工標(biāo)準(zhǔn)，加工直徑為50 mm，孔徑為7 mm，深度分別為25 mm，50 mm，75 mm的平底孔。

試驗(yàn)儀器為武漢中科創(chuàng)新科技股份公司生產(chǎn)的漢威HS616型，采用A型脈沖反射式縱波探頭(表1)。試樣表面粗糙度為3.2 μm，耦合劑為機(jī)油，表面補(bǔ)償為0 dB。

分別檢測(cè)試件不同深度的缺陷，測(cè)定其反射回波波幅為80%時(shí)儀器的增益值，通過對(duì)比分析探頭頻率、直徑對(duì)增益值的關(guān)系，可得到選擇超聲波檢測(cè)鑄鋼件時(shí)最佳頻率和探頭直徑的方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聲速測(cè)量

目前測(cè)量固體中的聲速和衰減系數(shù)的方法主要有脈沖反射法、直接接觸法、脈沖透射插入法〔5〕。文中以脈沖反射法測(cè)量，采用文獻(xiàn)〔3〕中的超聲波檢測(cè)儀器測(cè)量法，利用單探頭反射測(cè)量縱波聲速，測(cè)得ZG0Cr13Ni4Mo中的聲速為CL=5 899 m/s。

表1 A型脈沖反射式超聲波探頭型號(hào)規(guī)格

2.2 探頭頻率選擇分析

探頭頻率是影響超聲波檢測(cè)的一個(gè)重要因素，頻率越大，其波長越小，則檢測(cè)靈敏度越大，但隨著頻率的增加，衰減也會(huì)增加，將顯著降低超聲波的穿透能力，同時(shí)因晶界反射等影響，使草狀波增加，信噪比下降，從而降低檢測(cè)靈敏度。

圖1所示為縱波直探頭檢測(cè)馬氏體不銹鋼鑄件時(shí)頻率對(duì)底面反射回波增益的影響。從圖1可知，直探頭頻率對(duì)底面反射回波增益影響較明顯，隨著頻率的增加，增益逐漸減少，增加到一定范圍時(shí)，增益最低，隨后，隨著頻率增加，增益逐漸增加;此外，鑄鋼件厚度對(duì)底波增益也有影響，厚度越大，增益越大。但對(duì)于規(guī)格為10P20N探頭，由于近場(chǎng)區(qū)的影響，對(duì)200 mm及以下厚度試件的增益影響不明顯。

圖1 頻率對(duì)工件底面反射回波的影響

圖2所示為直探頭檢測(cè)馬氏體不銹鋼鑄件時(shí)頻率對(duì)缺陷回波增益的影響。從圖2可知，對(duì)于同一深度的缺陷而言，探頭頻率對(duì)其反射回波有較大的影響，也遵循先減少后增大的趨勢(shì)。缺陷深度＜75 mm時(shí)，最佳探頭頻率為2.25 MHz;缺陷深度＞75 mm時(shí)，最佳探頭頻率為2.5 MHz。

圖2 頻率對(duì)缺陷反射回波的影響

由此可知，探頭頻率對(duì)鑄鋼件超聲波檢測(cè)效果有明顯影響。同厚度工件下，回波增益隨頻率增加遵循先降低后增大的趨勢(shì)，厚度不同，則最優(yōu)化檢測(cè)探頭頻率不同，工件壁厚＜75 mm時(shí)，宜選擇頻率為2.5 MHz;當(dāng)工件壁厚≥75 mm時(shí)，宜選擇頻率為2.25 MHz。馬氏體不銹鋼鑄鋼件超聲波檢測(cè)頻率選擇在2～5 MHz范圍內(nèi)效果較好，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體檢測(cè)工件的厚度選擇適宜的探頭頻率。

2.3 探頭晶片尺寸選擇分析

探頭晶片尺寸對(duì)超聲波檢測(cè)存在影響，主要影響近場(chǎng)區(qū)及波束指向性。圖3所示為探頭晶片尺寸對(duì)鑄鋼件底面反射回波增益的影響，從圖3(a)可知，對(duì)于2.25 MHz縱波直探頭而言，隨著晶片尺寸增加，回波增益遵循先下降后增加的趨勢(shì)，晶片直徑為20 mm左右增益值最低，工件厚度為25 mm時(shí)，因處近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，變化趨勢(shì)不明顯;圖3(b)為5 MHz縱波直探頭晶片尺寸與鑄鋼件底面反射回波增益的關(guān)系曲線，晶片直徑＜20 mm時(shí)，隨晶片尺寸增加，底波增益逐漸減少，但對(duì)于厚度200 mm的鑄鋼件，當(dāng)晶片尺寸≥14 mm時(shí)，隨著晶片尺寸增加，底波反射回波增益幅度變化不明顯。

圖3 探頭晶片尺寸對(duì)反射回波增益的影響

從上可知，探頭晶片尺寸對(duì)鑄鋼件底面反射回波增益有較大影響，隨著晶片尺寸增加，回波增益先降低后增加，最優(yōu)晶片直徑約為20 mm，當(dāng)厚度＞200 mm時(shí)，晶片尺寸＞14 mm后，反射回波增益不明顯。對(duì)于馬氏體不銹鋼鑄件縱波直探頭超聲波檢測(cè)，探頭晶片直徑則宜選用Φ20 mm，當(dāng)鑄鋼件厚度＞200 mm時(shí)，探頭則可以在Φ14～Φ20 mm范圍內(nèi)選用。

3 結(jié)論

探頭頻率在2～5 MHz范圍內(nèi)，對(duì)不同厚度鑄鋼件底波增益均相對(duì)較低，適于檢測(cè);探頭最優(yōu)晶片直徑選擇約為20 mm。

〔1〕黃天佑，劉小剛，康進(jìn)武，等.我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)〔J〕.鑄造，2007，56(9):899-904.

〔2〕徐麗，剛鐵，張明波，等.鑄件缺陷無損檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀〔J〕.鑄造，2002，51(9):535-540.

〔3〕鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)〔M〕.中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008:25-59.

〔4〕高克全.水輪機(jī)不銹鋼葉片超聲波探傷試驗(yàn)研究〔J〕.無損檢測(cè)，2003，25(12):628-630.

〔5〕馮若.超聲手冊(cè)〔M〕.南京大學(xué)出版社，1999:105-107.

Parameters selection analysis of ultrasonic testing technique for casting steel

LONG Hui-guo，HU Bo-tao
(Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper studies and analyses the change relationship between the echo waveforms amplitude and various ultrasonic testing parameters of ZG0Cr13Ni4Mo casting steel testing by adjusting ultrasonic testing parameters.Experiment results show that the variations of frequency or diameter of ultrasonic transducer have great impact on echo waveform amplification.Frequency of 2.5 MHz is suitable for ultrasonic testing when wall thickness is less than 75 mm，and frequency of 2.25 MHz is suitable when wall thickness is more than 75 mm.Diameter of probe wafer is 20 mm better.

hydroelectric plant;martensitic stainless steel;ultrasonic;echo waveform

TG115;TV7

A

1008-0198(2011)03-0050-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.016

2010-09-15

龍會(huì)國(1978— )，男，漢族，碩士研究生，湖南隆回人，工程師，主要從事電站金屬部件檢驗(yàn)、失效分析與焊接工作。