加氢反应器锻件超声检测中草状波的界定

关云峰

(中国第一重型机械股份公司有限技术质量部,齐齐哈尔 161042)

笔者所在单位制造加氢反应器的低合金钢锻件,在正火、回火后进行超声波探伤时,经常出现信噪比较低的情况,即草状波。草状波湮没或混淆了缺陷回波,干扰了对最小缺陷的检出和判定。正确界定草状波,能确定工件是否需要进行重新正火热处理,因此对调质后的超声波检测具有实际意义。

国内加氢反应器的超声波检测按照JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》标准,因此对草状波的界定同样应依据此标准进行。该标准规定了碳钢和低合金钢锻件的直波束基准灵敏度为最大声程处的φ2 mm 平底孔[1],但未规定信噪比。为了合理界定草状波,笔者引用标准JB/T 5000.15《重型机械通用技术条件锻钢件无损检测》信噪比≥6 dB的规定,以信噪比6 dB 为草状波界定的分界值。

1 草状波界定时检测条件的选择

1.1 探头频率

根据相关理论,草状波的产生与被探工件的晶粒度有关,与入射工件的超声波波长有关,与检测灵敏度有关。工件晶粒度级别越低(晶粒平均弦长越大),超声波长越短,检测灵敏度越高,检测时越容易产生草状波。根据JB/T 4730—2005 的规定,低合金钢锻件选用单晶直探头的公称频率为2～5 M Hz,考虑到工件的厚度及调质后工件组织、晶粒可能的改善,选择使用2 MHz 探头。

1.2 检测仪器

由于检测时需要较为准确地测定声程及其分层深度,同时需要准确读出显示幅度与基准线或规定曲线之间的幅度差值,故宜选择数字仪器[2]。

2 草状波界定方法

2.1 用计算法确定灵敏度时

根据JB/T 4730—2005 的规定,用计算法计算出(适用3 倍近场区以外)最大声程处的底部与φ2 mm平底孔的幅度差值,在工件出现噪声部位进行增益调整,并规定基准波高为满屏高的40%(基准线),对工件进行检测。

当显示出现较高噪声后,采取分层衰减比较法确定噪声与φ2 mm 假想平底孔的幅度差值。由图1 中φ2 mm 假想平底孔理论曲线[2]可以看出,当最大声程S处的φ2 mm 假想平底孔规定在满屏高度的40%(基准线)时, ¾4S处的φ2 mm 假想平底孔幅度在满屏高度的71%,与基准线相差5 dB。½S处的φ2 mm 假想平底孔幅度在满屏高度的159%,与基准线相差12 dB,已经超出满屏视野。 ¼S处的φ2 mm假想平底孔幅度在满屏高度的634%,与基准线相差24 dB,也超出满屏视野。

图1 φ2 mm 假想平底孔理论曲线

确定了φ2 mm 假想平底孔波高在几个不同声程处与基准线的幅度差值后,采取分层比较的办法,用衰减器读出噪声与基准线的幅度差值。当差值＜6 dB或噪声高于基准线时, 工件界定为草状波。具体做法如图2 所示,工件的最大声程为S,用计算出的φ2 mm 灵敏度底/孔幅度差值在工件上进行调节,基准线规定为40%满屏高度,步骤如下:

图2 草状波界定方法示意图

(1)用衰减器读出最大声程S处的基准线与噪声的幅度差值δ1。当δ1＜6 dB 时,界定为草状波。

(2)当δ1≥6 dB 时,调节衰减器降低5 dB,读出3S/4 声程处基准线与噪声的幅度差值δ2。当δ2＜6 dB 时,界定为草状波。

(3)当δ2≥6 dB 时,调节衰减器降低(5+7)=12 dB,读出S/2 声程处基准线与噪声的幅度差值δ3,当δ3＜6 dB 时,界定为草状波。

(4)当δ3≥6 dB 时,调节衰减器降低(5+7+12)=24 dB,读出S/4 声程处基准线与噪声的幅度差值δ4,当δ4＜6 dB 时,界定为草状波。

当δ1,δ2,δ3,δ4均≥6 dB 时,不界定为草状波,工件可以转下道工序。

2.2 用φ2 mm平底孔DAC曲线灵敏度方法

根据JB/T 4730—2005 的规定,用曲线灵敏度对工件进行检测:选用数字仪器,选择覆盖工件最大声程的CS-2(JB/T 4730—1994 规定)试块中一组φ2 mm平底孔试块绘制DAC 曲线,调节仪器,补偿6 dB,如图3。屏幕显示曲线为φ2 mm DAC -6 dB 曲线。实测得出CS-2 试块的衰减系数为零,测试步骤如下:

图3 φ2 mm DAC-6 dB屏幕曲线

(1)测出工件的衰减系数,计算出相当于底波显示深度衰减的幅值。

(2)测试工件(注意工件的表面粗糙度与试块表面粗糙度的差异,确定是否需要灵敏度补偿),在曲线灵敏度的基础上,再增益步骤(1)测得的幅值,进行衰减补偿。

(3)将一次底波前的噪声与φ2 mm DAC-6 dB 曲线进行比较。当噪声超过该曲线时,界定工件为草状波,如图4(a)和(b)所示。

2.3 用带DGS 曲线的数字仪确定灵敏度的方法

(1)用铁素体钢锻件平底孔试块校准仪器的DGS 曲线。

(2)在工件出现较高噪声部位,用大平底法调出φ2 mm 平底孔的DGS 曲线。

(3)测出噪声与φ2 mm 平底孔的DGS 曲线最接近部位的幅度差值δ,如图5。当δ＜6 dB 或噪声高于φ2 mm 平底孔的曲线时,界定工件为草状波。

3 草状波与密集缺陷波的鉴别

3.1 草状波的显示情况

(1)遍及整个声程的草状波,如图4(b)表明其工件组织不均,晶粒粗大。

(2)工件中心部位出现草状波,边缘不出现,如图4(a)。表明其中心组织不均匀,晶粒粗大。

(3)工件的部分区域出现草状波,如边缘区域或边缘区域局部组织不均,晶粒粗大。

造成晶粒粗大的原因是工件在热处理过程中产生的欠热、过热等加热缺陷,可能是热处理工艺不合理,工件在加热炉内摆放位置不当,操作不当,或由于测温、控温仪表失灵等造成的[3]。

3.2 草状波与密集缺陷波鉴别的一般原则

(1)用波的反射幅度鉴别。对于钢锻件,通常密集性缺陷波反射幅度比草状波反射幅度高。如果简单地把钢锻件晶粒作为反射体,从表1 可以粗略地看出,晶粒的平均弦长都未达到毫米数量级,其反射当量自然不会太大。而标准规定的缺陷记录线在φ2 mm 当量以上,足见应记录的缺陷尺度远比晶粒尺度大得多,所以缺陷的反射波幅度自然比草状波反射幅度大。加氢锻件的晶粒度一般要求为5 级,其晶粒平均弦长远小于应记录的缺陷尺度。实践证明,即使加氢锻件锻造或热处理没有达到规范要求,其产生的草状波的幅度也远小于密集缺陷的反射幅度。因此,可用标准规定的记录线当量尺寸鉴别。当反射幅度接近φ3 mm 或≥φ3 mm 当量时,即按缺陷记录处理。

表1 弦计算法计算值与晶粒度级别关系[4]

确定当量时必须正确调整检测灵敏度。对于局部草状波的工件,宜选择工件完好部位调整检测灵敏度,确定反射波的当量。对于整个工件均出现草状波的情况,建议使用试块DAC 方法比较确定反射波当量。

(2)用波的反射规律鉴别。通常,从屏幕波形上看,草状波的特征表现为波幅前高后低,随声程的增加波幅有规律地降低,如图4 和5,偶尔也有底波减小或消失的情况;密集缺陷(包括白点)波则通常表现为,在一簇波中,反射波的高点可以出现在任意声程部位,没有规律,伴随有底波的减小或消失,如图6(衰减20 dB 后仪器屏幕显示,最高幅度接近φ3 mm)。

图6 密集缺陷波形

(3)用波的密集程度鉴别。由于草状波为晶粒反射,屏幕波形表现为极度密集,波峰清晰,波的根部紧密相连,无法区分,如图4 和5。密集缺陷(包括白点)反射波相对独立、清晰可辨,伴随底波的降低或消失,如图6,且波峰随探头移动而跳跃。

4 加氢反应器检测实例

4.1 底部短管草状波的界定

被检加氢反应器材质为15CrMo,使用USN60数字探伤仪、B2S E 探头, 用上述φ2 mm 平底孔DAC 曲线灵敏度的方法检测,补偿3 dB(实测值),检测结果如图4(a)所示,噪声超过φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲线,工件界定为草状波。后经重新正火后处理,重新检测时噪声降低到φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲线以下的正常水平。

4.2 顶部人孔大法兰草状波的界定

材质、检测条件及方法同上,检测结果如图4(b)所示,噪声超过φ2 mm 平底孔DAC-6 dB 曲线,工件界定为草状波。后经重新正火后处理后,噪声降低到φ2 mm 平底孔DAC -6 dB 曲线以下的正常水平。

4.3 侧壁卸料口冷氢口接管法兰草状波的界定

材质为21/4C r-1Mo-1/4V Ⅲ,正、回火后检测,检测条件同上,用上述方法界定为草状波,其当量接近φ3 mm,如图6 所示。重新正火处理后检测,情况仍无改观,证明其为密集缺陷。

5 结语

介绍了应用JB/T 4730—2005 标准检测加氢反应器低合金钢锻件,对草状波界定的量化方法及草状波与密集缺陷波的鉴别原则。当工件界定为草状波时,建议重新正火。当工件确定为密集缺陷时,按标准评定给出结论。此为诸多实测数据的经验总结。应用这些方法和原则,足以保证锻件在调质后检测时的灵敏度要求,同时筛选出带有密集性超标缺陷的锻件,使其不再进行不必要的重新正火热处理。笔者所在单位在近年的检测实践中,没有出现对上述方法应修改或补充的案例。由于本单位实践的局限性,所述方法无法囊括所有压力容器锻件,故希望各企业的同行们给予补充案例为盼。

[1] JB/T 4730—2005 承压设备无损检测[S] .

[2] 关云峰.现场超声波探伤实用方法介绍[J] .无损检测,2005, 27(8):440-442.

[3] 上海市机械制造工艺研究所编.金相分析技术[M] .上海:上海科学技术文献出版社, 1987:251.