用纵波直探头测量新型耐热钢材料横波声速的方法

张纪周，袁世丽，何顺开

（北京巴布科克·威尔科克斯有限公司，北京 100043）

为了节约能源、提高发电效率、减少污染，超临界、超超临界发电机组已经成为我国火电发展的必然趋势。机组运行参数（温度、压力）和单机容量的增加，促进了更高强度耐热钢的开发与应用。目前在建的多台超临界、超超临界机组的关键部件（高温集箱、主蒸汽管道等）都使用了P91、P92等新型耐热钢材料。

P91、P92钢与普通碳素钢材料的声学特性存在很大差异。由于P91材料与普通碳素钢材料的声速不同，使得同一横波斜探头在两种材料中的折射角度不同。因此，对P91对接焊缝进行超声波检测时，仪器扫描时间的校准和横波斜探头K值的测定，不能只使用CSK－ⅠA标准试块。否则，会造成定位误差，严重时极有可能发生漏检及误判的情况。检测中，为避免上述情况，可以采用以下两种方法：

（1）制作P91材料的CSK－ⅠA、CSK－ⅢA等专用标准试块。

（2）采用普通材质试块调试后，测定P91材料的横波声速，然后计算并修正。

理论上，使用与工件同种材料的标准试块校准更准确，但是生产中却并不适用，无法做到为每一种新材料做一种标准试块，那样也就失去了标准试块的意义。相反，如果能在现有条件下测量出该材料的横波声速，那么用计算后修正的方法反而更适用。

使用数字超声波探伤仪探伤时，声速是影响探伤定位、定性的重要因素。只有准确输入被检材料的横波声速，才能对缺陷的深度、位置进行精确的测量。因此测试P91材料的横波声速cSP91是解决问题的关键所在，必须选择一种可以有效测试横波声速的方法。笔者介绍一种简单、可行同时又适用于大部分钢材料的横波声速测试方法。

1 原理分析

1.1 单晶直探头探伤中的变形横波现象

在使用单晶直探头对上下表面平行的锻件进行检测时，经常会遇到在一次底波B1之前没有任何缺陷回波，而在B1与二次底波B2之间及B2与三次底波B3之间……总存在着幅度很小且位置相对固定的回波。当从锻件的另一面检测时，该回波仍然出现在B1后的相同位置。

很多人将其判断为小缺陷波。当然也有人不认为是缺陷波，而将其解释为侧壁干涉、声波叠加等现象。笔者觉得将其解释为迟到波更合理。

所谓迟到波，即当探头置于细长（或扁长）工件或试块上时，扩散纵波波束在侧壁产生波型转换，转换为横波，此横波在另一侧面又转换为纵波，最后经底面反射回到探头，被探头接收，从而在示波屏上出现一个回波。由于转换的横波声程长，波速小，传播时间比直接从底面反射的纵波长。因此，转换后的波总是出现在第一次底波B1之后，故称迟到波。

可见，产生迟到波的必要条件就是波束扩散。扩散纵波波束倾斜入射侧壁发生波型转换，从而产生变型横波。那么试想扩散纵波波束相对于底面同样也属于倾斜入射，因此必然也会产生变型横波。

1.2 变型横波产生原因分析

直探头所发出的纵波也不是一条直线，而是以一定角度扩散的锥形。那么，既然有扩散，其自身也会产生波型转换。以下以单晶直探头（2.5P14Z）为例说明此问题。半扩散角θ0的公式为：

式中：λ为波长；Ds为晶片直径。

已知探头频率f＝2.5MHz；晶片直径Ds＝14mm；钢中纵波声速cL＝5 900m／s；钢中横波声速cS＝3 230m／s。则，纵波波长λL为：

纵波半扩散角：

同理，横波波长：

横波半扩散角：

那么，可以认为单晶直探头（2.5P14Z）在钢中产生的纵波声束包含着一个同轴的横波声束，其半扩散角约为6.4°，如图1所示。该横波由于能量非常微弱，通常不会被发现。只有在检测需要较高灵敏度的工件（如锻件等）的情况下，才有可能被发现。

图1 半扩散角声束示意

1.3 推导横波声速计算公式

将单晶直探头 （2.5P14Z）置于 RB－Ⅲ 试块40mm厚度位置，将仪器灵敏度调整为80%B1＋30 dB。在一次底波B1和二次底波B2之间出现两个波幅相对较小的回波BLS和BSS，如图2所示。以下逐一分析B1、B2、BLS和BSS四个回波的路径，其对应的深度值分别为 HB1，HB2，HBLS和 HBSS。

图2 标准试块的波形

图3为一次底波B1的回波路径。可见，B1回波是纵波声束在试件中往复形成的，声程是试件厚度H的两倍。超声波探伤仪记录的声程（深度）都是单程。所以，B1的显示深度正好为试件的厚度。用公式可表示为：

推导可得：

图3 B1回波路径

图4为BLS的回波路径图。可见，BLS回波包括纵波与横波，其能量为变型纵波与变型横波之和。由于包含了横波的成分，其回波时间滞后于纵波的一次反射波B1。用公式可表示为：

推导可得：

代入式（2）得：

图4 BLS回波路径

图5为BSS的回波路径图。可见，BSS为横波产生的回波，不包含纵波的成分。因此，其往复时间要长于包含纵波的BLS，回波的位置也滞后于BLS。用公式可表示为：

推导可得：

代入（1）式得：

图6为二次底波B2的回波路径图。可见，B2回波是纵波声束在试件中往复两次形成的，声程是

图5 BSS回波路径

图6 B2回波路径图

试件厚度H的四倍。其显示深度为试件厚度的两倍。用公式可表示为：

推导可得：

2 试验验证

2.1 试验设备

仪器选用HS610，HS610eA型脉冲反射式数字超声波探伤仪。探头为单晶直探头2.5P14Z。试块为CSK－ⅠA标准试块；CSK－ⅠB标准试块。试件为 φ447.5mm×65mm 的 P91钢 管；φ773.5mm×146.5mm的P92钢管。辅助工具为游标卡尺。

2.2 验证过程

（1）将探头置于普通 CSK－ⅠA 标准试块100mm处，采用自动调校的方式调整扫描时间为1：1，从而得到该探头的零偏值L0。所谓探头零偏值，即超声波在探头内从晶片至接触面的传播时间。

（2）用游标卡尺精确测量P91试件的厚度H。

（3）将探头放置于P91试件的表面并调整扫描范围至能够显示出二次底波B2。

（4）将L0输入仪器参数，用闸门圈住一次回波B1，调整仪器的声速值，当仪器显示B1的深度值HB1与P91试件的实际厚度H相吻合时，此时的声速即为P91钢实际的纵波声速cLP91。

（5）提高仪器增益30dB以上，使得B1与B2之间出现回波BLS和BSS。用闸门圈住BLS或BSS，记下仪器显示深度HBLS或HBSS。

（6）利用公式（3）或（4）来计算P91钢的横波声速，得：

通常BSS的波幅远低于BLS，甚至由于试件表面粗糙度或晶粒度的原因而没有明显的BSS。因此大多数的情况下要以式（3）来计算横波声速。值得注意的是，在读取回波B1，BLS及BSS的显示深度时，必须使得其波高达到相同的波幅（通常选择80%），以尽可能地减小误差。

以CSK－ⅠA标准试块为例进行验证：

（1）用游标卡尺测量CSK－ⅠA标准试块实际厚度H＝25mm。

（2）如图7（a）所示，用闸门圈住一次回波B1，调整仪器的声速值，使得B1的显示深度HB1＝H＝25mm，读取此时的纵波声速cL＝5 956m／s。

（3）如图7（b）所示，用闸门圈住回波BLS，自动增益到与B1同一幅度，读取回波BLS的深度HBLS＝35.4mm。代入式（3）求得试块中的横波声速cS：

同理对 CSK－ⅠB标准试块、P91钢管φ447.5mm×65mm、P92 钢管φ773.5mm×146.5mm试件的验证结果如表1。

2.3 结果分析

由上述结果可知：

（1）标准试块为普通碳钢的横波声速为3 251m／s，与已知的碳钢、低合金钢横波声速实际横波声速3240m／s相差不大；同种材料的两种标准试块，所测的横波声速也不相同。（2）P91钢横波声速为3308m／s；P92钢横波声速为3284m／s。试验误差会对声速的测量有一定的影响。产生的原因有：

（1）仪器的水平线性存在误差，例如仪器的水平线性误差为小于0.1%。

图7 CSK－ⅠA标准试块回波

表1 验证横波声速结果

（2）试块加工时存在误差，试块允许存在0.05%的加工误差。

（3）不同仪器之间数／模转换方式不同引起的误差。

（4）仪器产生超声波时触发和振铃时间的不同造成的差异，都可能引起测试误差。

3 应用实例

检测人员在对材质为P91的集箱管座角焊缝进行超声波检测时，选用K2横波斜探头（实测K＝1.97）检测集箱管座角焊缝（规格为φ325mm×64mm）。在管座上大约3点的位置，检测到一个超标缺陷（显示深度为62mm，指示长度为40mm）。通过笔者阐述的测试方法测出P91材料的横波声速cS913 313m／s，而钢中横波声速cs钢＝3 237m／s。两种声速下计算所得折射角分别为β钢＝63.1°，βP91＝65.9°。

对于仪器指示深度H＝62mm处的缺陷，则仪器指示的声程为：

仪器指示的水平位置为：

而缺陷在P91材料中的实际声程为：

缺陷在P91材料中实际深度为：

缺陷在P91中的实际水平位置：

可见缺陷的实际位置与仪器指示位置相比深度差：ΔH＝57.2－62＝－4.8mm；水平差ΔL＝128－122.2＝5.8mm。

即，缺陷的实际深度比显示深度浅了4.8mm，缺陷的实际水平距离比显示水平距离远了5.8mm。

4 结语

综上所述，采用推荐的横波声速测量方法与其它方法相比，操作简单、方便，最大限度地排除了人为误差，可以快速准确地测量出超声波检测中所需要的不同钢种的横波声速，能保证超声波检测缺陷定位的准确性，尤其对较厚部件根部缺陷进行定位时，减少误判。此方法的优点归纳为：

（1）针对不同材料的工件无需制作不同的试块，无需对材料进行取样加工。

（2）检测结果不受材料的批次及环境温度对声速影响的限制。

（3）对于薄板的检测，考虑近场区的影响，可以适当延长扫描时间，以提高测量的准确性。

（4）对于现场无法测量工件厚度的情况，可按工件公称厚度计算。

（5）由于材料不同引起的衰减问题可以按JB／T 4730－2005标准［2］所提出的方法来测试并加以修正。

［1］ 郑晖，林树青.超声检测（第二版）［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

［2］ JB／T 4730－2005 承压设备无损检测［S］.