超声波探伤技术的发展及在状态检修中的应用

    摘要：在电站设备的各类检修、寿命评估中，经常和广泛应用的是超声波探伤技术。超声波探伤具有应用方便、适用性强、准确率高、易自动化等许多优点。本文重点介绍了超声波探伤技术中的裂纹检测方法，缺陷定量方法，损伤、劣化评价方法，以及评价和应用实例。
    关键词：超声波探伤  裂纹 缺陷 损伤 劣化 评价 应用
    1.前言
    电站设备中的多数部件长期应用在高温高压的水、蒸气介质中，应力、腐蚀、蠕变、氢蚀及疲劳等造成的时效损伤和劣化问题比较严重。对这些设备进行检修、寿命评估等工作的信号采集中，经常和广泛应用的是超声波技术。超声波由于广泛应用于薄管到厚管、表面到内部的缺陷信息采集，对缺陷定量评价迅速，现场检查容易、解析方便、自动化程度高等许多优点使其得到普遍应用。
    利用超声波法进行微裂纹的检查，材质损伤及劣化诊断时，超声波信号一般比较微弱，变化量小。因此，要准确捕捉这些微小的信号，并用其进行解析，必须具备高性能的测量系统。近年来，高灵敏度、高性能、高可靠性的超声波发送接收器已经商品化，伴随着计算机的高速、大容量化，信号处理、数据处理等能力增加，图像化、图像解析、自动化也越来越容易；此外，双晶探头，聚焦探头，表面SH 波探头，爬波探头及高温探头及电磁超声波的非接触探头等的广泛应用。在这种前提下，使得近期通过在实验室阶段解析、积累基础数据的进行，能在现场广泛推广应用多种多样的超声评估损伤和劣化诊断技术得以实现。
    本文介绍使用超声波法，对材料、焊接部位产生的损伤和劣化进行无损检查时的评价方法、评价精度的现状，以及应用情况和应用时的注意事项等。
    2.超声波探伤的检查方法
    到目前为止，已经应用或者提议应用的利用超声波探伤进行无损检查的方法见下表：
    缺陷定量方法 当量法(当量试块比较法、当量计算法、当量AVG曲线法)
    测长法（相对灵敏度测长法、灵敏度测长法、端点峰值法）
    底波高度法
    裂纹的检测方法 表面波波高法
    表面波波时延法（单探头法、双探头法）
    端部回波峰值法
    横波端角反射法
    横波串列式双探头法
    相对灵敏度法（6dB、10dB、20dB）
    散射波法（衍射法）
    损伤、劣化评价方法 衰减法（低层回波反射法、透射法、共鸣法）
    音速法（表面波法、容积波法）
    临界角反射法
    光谱仪法（光谱分布及面积、中心频率、频幅、重心频率）
    频率解析法
    利用后方散射波的杂波分析法
    其它（δ法、波松比评价法）
    3.裂纹的评价和应用实例
    3.1聚焦超声波
    作为在现场可以方便测量的方法而广泛应用的是相对灵敏度测长法。这种方法是通过探头前后扫查时的回波高度超过距离—波幅曲线（distance amplitude curve, DAC）时阈值前后的波束路程来测量裂纹高度的一种方法。这种方法的测量精度主要取决于超声波波束的宽度，通过使用超声波波幅较窄的聚焦探头，可提高裂纹自身高度的测量精度。
    在实验室应用5MHz，折射角45°的聚焦探头，以直径1mm长横孔DAC为基础，使阈值变化时的焊接裂纹等的缺陷高度的测量精度和常规探头测量结果的比较得出：在使用聚焦探头的情况下，阈值设计的越低，精度越好，如果阈值为DAC的-25dB，误差的平均值及标准偏差都接近零，可见聚焦探头可以高精度的进行测量。之所以通过设计低的阈值能使精度提高，是由于在缺陷的端部产生的散射波也被检测系统作为缺陷的反射波测量出的缘故。
    疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等的缺陷高度测量经常使用端部回波法。这种方法是收集裂纹端部的散射波回波，然后由其波束路程和探头的折射角来测裂纹自身高度。使用45°折射角聚焦探头时，散射回波变得容易发现，而且测量精度也比常规探头增高。在实验室，对于铬钼钢产生的裂纹，通过使用常规探头和聚焦探头的上部回波表现形式的检测比较表明，使用聚焦探头时精度提高50％。对奥氏体系列不锈钢配管发生的自身高度0.5～17mm的**部位呈复杂形状的晶间应力腐蚀裂纹，通过利用聚焦探头的端部回波法，其裂纹自身高度曾以低于±1mm的精度进行了测量。
    端部回波法测量本身简单，但回波的判别方法依赖于检查技术人员的水平和经验，存在客观性差的问题。另外，微裂纹并存、裂纹的形状复杂时，无法得到预期的精度，这一点也需特别留意。
    对发电设备水冷壁管内表面发生的腐蚀疲劳裂纹、不锈钢焊接部位产生的应力腐蚀裂纹及石化设备中的碱蚀脆化裂纹等的缺陷高度测量一般使用散射法（Time Of Flight Diffraoction,TOFD）。    TOFD法是BS7706中规定的方法，将发射探头和接收探头按一定的距离焊缝两侧放置，使发射探头发射出传播纵波，利用裂纹端部的衍射波测量裂纹自身高度。在没有裂纹的地方得到的信号仅是在试验体表面传播的横波和底层反射波的单纯波形，但在有裂纹的情况下，还会接收到来自裂纹上端及下端的衍射波。所以是求损伤图形上的各个信号的到达时间差，并由这些值测量裂纹深度及高度的方法。这些收集到的反射信号经波形数据转换，并由计算机处理后，变换成相位程度带明暗的灰色标度，探伤结果可实时图像显示。在常规方法中，入射角如果偏离10°，其灵敏度约降低25dB，而TOFD法为5dB，相对减小许多。可以说TOFD法具有不易受裂纹斜度影响的良好的裂纹检测性能。
    应用TOFD法可以高精度的测量裂纹自身高度，例如：在水冷壁管腐蚀裂纹中，精度为±0.2mm。对板厚50mm的低合金钢产生的疲劳裂纹，其测量精度达到±5%。另外，对原来检测较困难的碱蚀脆化损伤所造成的裂纹顶端的晶间剥离的定量评价也可以应用TOFD法进行。但是，TOFD法信号微弱，而且根据探头的设定条件，其检测性能、测量精度受到很大的影响，因此，需要进行寻求佳条件的预备实验。
    目前日本正在研究使用大开口角的线聚焦探头，使在试验体表面发生泄漏弹性表面波（LSAW），以定量评价不锈钢晶间腐蚀（IGA）自身高度的方法。实验证明晶间腐蚀自身高度和LSAW回波振幅之间有着良好的相关关系。
    3.2表面SH波
    普通斜探头在工件中产生的横波，振动方向在垂直于工件表面的平面内振动，称SV波；如果横波的振动方向与工件表面平行，称为SH波。压电晶片在逆压电效应作用下产生的振动波通过异质界面上的波形转换在被检介质中产生SH波。
    单晶压电材料可以选择不同的晶体切割方向实现横向振动产生横波，SH波的横波是压电晶片发射的横波在有机玻璃与受检部件界面上发生折射后在受检部件内得到的，SH波的振动方向与工件表面相平行。当楔块角度达到或大于临界角值α1（33.1°）时钢中仅存在SH波，试验证明SH波在折射角度为70°～80°范围时回波声压达到大值，因此工程实践中应用的SH波斜探头主要为大角度SH波斜探头。
    试验证明SH波探头的往复透过率随SH波探头在钢中折射角度的增大而增大，随频率的降低有所升高，低频率探头在不同角度的往复透过率差值比高频率探头在不同折射角度上的往复透过率差值小。将验证结果与理论计算结果相比较，高频率探头的一致性较好，低频率探头的一致性稍差一些，这是由于理论计算所考虑的晶片为无限大平面，实际试验中晶片为有限尺寸。在应用于工程实践时SH波探头主要分为大角度SH波斜探头与表面SH波探头。
    表面SH波对工件的表面光洁度要求不高，表面SH波一次有效检验距离更大，可提高检验效率；应用于汽轮机叶片叶身检验时可一次完成末级叶片全长度检验，且不受末级叶片汽蚀影响。检验纵树型叶根时检验灵敏度可达到1mm。应用于管内壁疲劳裂纹检验时，检验灵敏度可达到0.5mm。
    表面SH波在长距离传播过程中传播声能损失小于表面波。采用不同频率的表面SH波探头检验钢板对接焊缝，在距焊缝1m与距焊缝5m、检验长度为20mm的焊缝缺陷，其回波幅度仅相差30dB。
    SH波探头检验灵敏度受耦合效果影响较大。造成这种差异的主要原因是由于SH波探头发射的横波属于剪切波，仅能在固体介质中传播。而目前横波专用耦合剂在不同温度下，其透声效果有较大差异，既横波在界面的往复透过率有较大差异，导致介质中的横波声场强度有较大改变，造成检验灵敏度上的差异。因此目前实践应用中，一般用在环境温度差别不大的情况下，如果环境温度差别较大时，应对检验仪器的检验灵敏度重新校准。大角度SH波斜探头由于声场强度在表面及表面下0-10mm左右范围，声场强度基本一致，因此在应用于较薄工件检验时，其在缺陷定位（深度方向）上难以作到准确定位。
    由于表面SH波具有以上所述的种种优点，所以期望能在结构构件的无损检查方面得到广泛的应用。对于火力发电设备等使用的配管焊接部位发生的裂纹的探伤，国外已经开发了面向现场的电子扫描系统，并且已经开始应用。例如使用电弧阵列探头，进行电子的超声波波束的扇形扫描，试验体的断面图像为可以实时显示的移动式图像系统。
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    4.损伤、劣化评价和应用实例
    4.1 蠕变损伤评价
    蠕变损伤是高温环境下，长时间负载一定负荷时，在晶间产生孔穴等的现象。对其应用的超声波评价方法有波速法、衰减法、光谱法、频率解析法及杂波分析法等，理论解析也多种多样。其中杂波分析法从精度和适用性看较为有效。该方法是将来自金属组织变化的后方组织散射波作为杂波处理，然后用某频率范围的积分值定量评价其振幅的一种方法。
    有文献研究表明微波变换底层回波波形是解析每个频率的音速、衰减系数结果的有效手段。另外，也有文献正在研究使用频率解析法，求相位光谱，然后从相位光谱的斜度测量音速，以评价蠕变损伤过程的方法。对于叶片0Cr18Ni11Ti不锈钢的蠕变损伤材料，有文献研究表明，如果利用线聚焦大开口角的探针，使泄漏弹性表面波传播，那么表面波的传播方向是蠕变孔穴的分布方向和直角方向，振幅及频率特性将受到很大的影响。
    在汽轮机高中压转子中，叶轮键槽部的蠕变损伤在评价剩余寿命方面非常重要。但其评价方法建议使用使横波倾斜入射叶轮键槽，然后用垂直探头接收来自损伤部的波形变换后的纵波的δ法。有资料证明，根据这个方法可以得出蠕变的损伤程度和回波高度之间的直线的良好相关关系。
    4.2 氢蚀的损伤评价
    氢损伤是在高温(>220℃)高压条件下，当炉水PH<5、凝汽器泄漏、无机酸或树脂污染给水时，垢下反应3Fe+4H2O→Fe3O4+8[H]生成的氢原子受垢层阻挡不能被工质带走，遂与晶界碳化物反应Fe3C+4[H]→3Fe+CH4↑，生成的甲烷气体使晶界开裂，在管子内壁形成裂纹或鼓包，使钢的性能下降的一种脆性破坏。氢损伤具有破坏速度快，损伤面积大、损伤不可恢复、不易早期发现的特点。
    高频超声射频回波可应用于氢损伤μm级微裂纹的检测，检测前用粗砂纸除去管外表渣点，耦合剂采用28号轧钢油。超声纵波沿管壁垂直传播到金属基体/晶间微裂纹界面时将会产生超声波的反射和透射现象（通常由于晶间微裂纹的取向是随机的，这种反射称之为散射），氢损伤降低了超声波在其中的传播速度，检测仪器就可能检测到并分辨金属基体/晶间微裂纹界面和管壁内表面的回波。因此通过检测这种反射回波就可以了解内部氢损伤微裂纹的情况。通常认为超声波可以发现的小缺陷尺寸为波长的1/2。近年来的理论研究证明，若对回波高度没有规定，并配合高频率的数字化示波器，仪器的灵敏度和信噪比会很高，不连续性检出的灵敏度能达到波长的1/5～1/10。如探头频率采用15MHz时，则可检出的单个不连续性可小至40μm～75μm。对于锅炉“四管”来说，单个晶粒的小尺寸一般为6μm左右，因而，不论是氢损伤、蠕变损伤，还是疲劳损伤，从理论上来说，只要损伤面积达8～12个晶粒，采用高频超声射频回波技术就能够检出。
    4.3 敏感化程度的评价
    如果不锈钢在高温下使用，因敏感化而生成贫铬区域是为诱发晶间腐蚀的原因，超声波评价关键在于确认由敏感化程度和超声波的纵波和横波决定的泊松比之间的相关关系，目前正在研究以泊松比为指标的评价敏感化程度的方法。
    对于敏感化0Cr19Ni9不锈钢，对于晶间浸蚀的（IGA）试验体，如果使用直接接触型的宽频带表面波探头来测定透射脉冲，那么浸蚀程度越增加，振幅越降低，特别是高周波成分明显衰减。
    敏感化的晶粒可看作是在中央部位和晶间部位固溶元素的浓度不同的壳状构造，使用有关壳状构造的散射体的散射理论，计算超声波音速和衰减的频率依存性，随频率增加衰减的增加、音速的降低倾向及敏感化的发展而造成的音速的增加倾向等与试验值吻合。
    4.4 二相不锈钢的热时效评价
    如果二相不锈钢长时间保持在300～450℃时，会在α相中产生偏聚分解引起的热时效（脆化）。关于随这个热时效而进行的音速变化，从理论和实验两个方面研究表明，数值模拟结果和实验值对应良好。但是，关于二相不锈钢铸钢的热时效，受到含有粗大粒子的铸造组织的影响，其SH波的音速和时效时间之间虽然有某种程度的相关，但没有发现与纵波的相关性。另外，有研究证明，如果利用使用线聚焦探头的相位干扰法，对小区域的泄漏弹性表面波的音速进行的测量，那么音速与热时效一起增加，与破坏韧性值有相关关系。
    4.5 疲劳的评价
    疲劳寿命评价应用使用轴对称SH波的电磁超声波传感器的方法，通过检测衰减系数，可以进行非接触评价，研究认为在断裂寿命的90.6%的阶段，存在衰减系数的峰值。对于低合金钢的疲劳，刃型位错为直线模型，螺旋型位错为弯曲模型，数值解析结果与电磁场超声波测量的衰减系数对应良好，并证明使衰减系数变动的主要原因是位错。
    另外，应用脉冲串波入射低周疲劳材料的共鸣衰减，由于随着残余应变的增加，共鸣频率中的衰减系数增加，认为由此可以预测疲劳损伤程度。经研究对于0Cr19Ni19不锈钢，使用由于应变控制和负荷控制而造成疲劳损伤的试验体测量音速时，在应变控制疲劳中，随着疲劳的增加，音速单纯减少，在负荷控制疲劳中，反而增加。这种现象被解释为是基于位错的活动不同的一种现象，在利用音速评价疲劳损伤时，需要留意。
    现在，正在研究的强力纵波超声波入射到材料中时内部摩擦的超声波振幅依存性。研究发现，通过测量3次高谐波开始变显著时的振动的振幅，来判断是否产生高周疲劳的可能性。
    5.结论
    使用超声波进行损伤、劣化诊断时，需要能够确实了解所欲期结论；要充分利用各种评价方法，进行定量评价，并使结论能从理论上得到证明,为此，高灵敏度超声波测量系统，信号处理及数据处理系统的发展，理论解析及利用计算机的数值模拟等的发展都是必不可少的。同时，也需要实验室及现场的数据积累和反馈。
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    [5]韩传高 水冷壁管氢损伤及其微裂纹的无损检测技术  电力系统第九界无损检测年会论文集
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