火电厂环向对接接头超声检测曲面耦合补偿修正系数

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(1.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，长沙 410004；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙 410007)

在火电厂承压部件环向对接接头的超声检测过程中，根据NB/T47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准附录K中K.4规定，对半径为80～250 mm承压部件的环向对接接头进行超声检测时，应在RB-C试块或CSK-ⅡA试块上制作距离-波幅(DAC)曲线，再利用RB-C试块进行灵敏度修正。火电厂承压部件，即外径范围为160～500 mm的环向对接接头，其母材壁厚范围通常为16～120 mm[1]，根据标准NB/T 47013.3—2015附录K中K2.5和K2.6的规定，工件检测面的曲率应在对比试块曲率半径的0.9～1.5倍范围内，试块厚度与工件厚度相差不超过工件厚度的20%。因此需在不少于10种规格的RB-C试块上制作或修正DAC曲线。笔者研究了不同规格的RB-C试块所对应的DAC曲线修正系数，为环向对接接头超声检测的曲面耦合补偿修正系数提供指导。

1 曲面工件超声检测灵敏度分析

斜探头在曲面工件外壁扫查时，探头楔块平面与凸曲面以线型接触，其他区域被耦合剂填充，耦合剂的厚度在曲面工件径向随探头中心的距离增大而变厚，且探头边缘处的厚度最大。由于曲面接触的耦合层厚度比平面接触的大，声波往复透射率减小[2]；另外，声束经过工件内壁反射后，声束扩散角在径向上变大，声能进一步分散，从而大大降低了二次波的超声检测灵敏度[3]。

对于相同仪器和同一型号的探头，由于等效电容没有变化，晶片振动面上的平均声压一致，即穿透宽度为a的耦合层，声波进入金属表面的初始声压应相等[4]。在相同的检测条件下，声束入射到CSK-ⅡA试块或RB-C试块相同深度的横孔时，横孔到检测面的距离、横孔直径以及工件材料衰减系数相同。因此，探头的有效接触面积是影响探头晶片接收到同深度横孔反射波的dB差的主要因素。

对平面工件进行超声检测时，电脉冲激励晶片产生超声纵波进入一定角度的楔块，当楔块角度介于第一临界角和第二临界角之间时，超声波在工件的接触面上发生波型转换，纵波转换成横波入射到工件内部[5]，此时探头晶片的有效尺寸发生改变。超声波波束的传播路径示意如图1所示，根据图1中的几何关系可以导出探头晶片的有效面积FS如式(1)所示。

(1)

式中：AS为晶片实际尺寸(矩形晶片实际面积AS=b×c，b为探头长边的长度，c为探头短边的长度)；γ为声束入射角度；β为声束折射角度。

对金属材料的超声检测，根据Snell折射定律可知，声束折射角β大于入射角γ。因此，探头晶片的有效尺寸FS小于实际尺寸AS，且探头K值越大，晶片的有效尺寸越小。

图1 超声波波束的传播路径示意

文献[6]指出，临界半径是指相对于某一固定的晶片直径，当工件曲率足够小而半径足够大时，晶片在柱面上的接触面积与平面接触面积无差别，或者二者的差别在误差2.5 dB以内。此时的接触面积称为“探头晶片在工件上的有效接触面积”，在有效接触面积边缘处存在最大的油层(耦合剂层)厚度lmax。

(2)

式中：Z1，Z2，Z3分别为探头楔块、耦合剂、工件材料的声阻抗；k2=2πfcosθ2/V2为穿透声压在油层中的波矢量。

从式(2)可以看出，最大的油层厚度与探头晶片尺寸、工件曲率半径无关，而与多层界面的声阻抗和超声波传播的频率、方向有关。对于相同仪器、探头和耦合剂，有效接触面积边缘处油层的最大厚度是一个固定值。

探头晶片在工件上的有效接触面积的最大油层厚度lmax在工件半径R≫a的条件下，探头平面与凸曲面接触示意如图2所示，根据图2的几何关系，可以导出斜探头的矩形晶片在工件上的有效接触面积S。

(3)

式中：b′为探头矩形晶片在工件轴线上的有效长度。R为工件半径。

图2 探头平面与凸曲面接触示意

结合式(1)，(2)可得出，探头平面与曲面工件接触时，存在最大油层厚度，最大的油层厚度与多层界面的声阻抗、频率和K值有关。工件曲率半径和最大油层厚度共同影响有效接触面积，且探头晶片尺寸与工件表面接触有效面积的比值越大，缺陷反射声压的dB差越大。因此，进行CSK-ⅡA试块与RB-C试块的灵敏度修正试验时，应综合考虑探头的频率、晶片尺寸、楔块材料、耦合剂的声阻抗等，以及被检工件的曲率半径和材料声学性能等因素，从而选用不同型号的探头和不同规格的试块进行试验。

2 修正试验过程

2.1 试验器材

试验选用汉威HS610e型数字式超声波探伤仪。为了研究探头尺寸、K值、曲率半径等因素对修正系数的影响，选用6种不同型号的探头进行试验，即2.5P13×13K1/K2/K2.5和2.5P8×12K1/K2/K2.5。同时为了探讨探头的新旧程度和不同的生产厂家对试验结果的影响，分别选用同一型号3个型号相同而生产厂家和新旧程度不同的探头，采用机油作为耦合剂。

2.2 试块规格

标准试块选用CSK-IA试块，对比试块选用CSK-ⅡA-1试块、CSK-ⅡA-2试块和RB-C试块。选用以下10种火电厂承压设备超声检测常用的RB-C试块，RB-C试块适用范围如表1所示。

表1 RB-C试块适用范围 mm

2.3 试验步骤

(1) 对于工件厚度不大于40 mm的6个RB-C试块，先分别选用型号为2.5P13×13K2/K2.5和2.5P8×12K2/K2.5的斜探头在CSK-ⅡA-1试块上制作DAC曲线，然后在对应规格的RB-C试块上分别比较横孔深度为T/4，T/2和3T/4时回波与制作的DAC曲线之间的dB差。

(2) 对于工件厚度大于40 mm采用4个RB-C试块，先分别选用型号为2.5P13×13K1/K2和2.5P8×12K1/K2的斜探头在CSK-ⅡA-2试块上制作DAC曲线，然后在对应规格的RB-C试块上分别比较横孔深度为T/4，T/2和3T/4时回波与DAC曲线之间的dB差。

3 试验结果与分析

为了减少人为操作等客观因素引起的误差，试验由3个熟悉仪器且取得承压设备超声检测II级资质的人员操作，每种型号的探头均测量3次。经过分析试验数据，发现3人测量数据的误差小于1 dB，由此可见，探头的新旧程度和不同的生产厂家对试验结果影响较小，试验结论具有普遍性和可靠性。最后整理试验数据，并将3人测量的数据求平均值，得出表2，3中的dB差。

表2 工件厚度不大于40 mm的RB-C试块与CSK-ⅡA-1试块的dB差

从表2，3中的试验数据可以看出，修正系数与试块曲率半径、探头K值、晶片尺寸、以及检测深度均存在一定的关系。当探头晶片尺寸和工件曲率半径一定时，修正系数随K值的增大而增大。探头K值对dB差的影响在0～1 dB之间，探测深度对dB差的影响在0～0.5 dB之间，探头的K值和检测深度对修正系数影响较小。

表3 工件厚度大于40 mm的RB-C试块与CSK-ⅡA-2试块的dB差

曲率半径和晶片尺寸是影响修正系数的主要因素，曲率半径越小，修正系数越大，晶片尺寸越大，修正系数也越大。因此，检测曲率半径较小的工件，应选择晶片尺寸更小的探头，保证探头与曲面工件之间耦合较好。

依据表2，3中的试验结果，根据不同深度横孔的dB差，通过求平均数的近似值得出表4，5中的修正系数。

表4 工件厚度不大于40 mm的曲面修正系数

从表4，5可以看出，工件直径为164 ～264 mm的环向对接接头在进行超声检测时，曲面修正值最大，约为5 dB；当工件直径大于400 mm时，曲面修正值最小，不大于1 dB。因此，对直径大于400 mm的环形对接接头，宜选用晶片尺寸不大于12 mm×8 mm(长×宽)的探头进行超声检测，可以忽略曲率半径对检测灵敏度的影响。

表5 工件厚度大于40 mm的曲面修正系数

4 结论

环向对接接头超声检测灵敏度的损失，是由探头的频率、晶片尺寸、楔块材料、耦合剂的声阻抗和被检工件的曲率半径等综合因素共同决定的，其中曲率半径和探头的晶片尺寸是最主要的因素。曲率减小了探头与工件接触的有效面积，从而减小了缺陷回波声压透射率，使曲面工件探伤灵敏度损失。当晶片尺寸小于12 mm×8 mm(长×宽)的探头与直径不小于400 mm的工件接触时，其耦合状况近似于平面。

实际环向对接接头在进行超声检测时，将探头接触面磨平后，利用CSK-ⅡA试块调校好灵敏度，再加上表4或表5中相应的曲面补偿修正系数，即为该环向对接接头超声检测的灵敏度。