低合金钢板背面腐蚀坑的超声波反射特性

殷尊 金敏华 张红军 王志刚 时彪

摘要：该文通过选用不同频率、不同入射角度的平面透声楔斜探头以及制作的低合金钢板腐蚀坑超声检测专用试块，利用脉冲回波超声检测方法研究低合金钢板背面腐蚀坑的超声波反射特性。研究结果表明：低合金钢板背面腐蚀坑超声检测所用平面透声楔斜探头的最佳频率为5MHz，最佳入射角度为32°，可以有效检测出的最小缺陷深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。该研究获得低合金钢板背面腐蚀坑最高的检测灵敏度，同时能够有效发现深度最小的腐蚀坑，可为低合金钢板背面腐蚀坑提供一种有效的检测方法，确保低合金钢板背面的检测质量满足要求。

关键词：低合金钢;腐蚀坑;超声反射;探头;检测

中图分类号：TB553 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）10-0153-06

收稿日期：2018-11-27;收到修改稿日期：2019-03-01

基金項目：中国电力国际有限公司科技项目（CPIH201705）

作者简介：殷尊（1983-），男，陕西乾县人，高级工程师，硕士，主要从事火力发电机组的金属监督检验、分析与评价方面的研究工作。

0 引言

现阶段，国内外腐蚀坑缺陷的无损检测技术主要有低频电磁检测技术和超声检测技术，超声检测技术包括超声导波检测技术和脉冲回波超声检测技术。

低频电磁检测技术使用离散的激励和接收传感器，在较低的频率（≤10Hz）下激发产生一个交变电磁场，并穿透被测材料，根据缺陷产生机理研究出相应信息处理技术和显示手段，从而得出缺陷信息[1-3]。影响低频电磁检测数据准确性的因素在实际操作过程中主要表现为两种：其一是杂波污染，其二是探头的检测速度[4-6]。此外，低频电磁检测的精度低，对细小的腐蚀坑无法进行准确检测，能检测出的最小缺陷为深度为壁厚30%的点蚀[7-10]。

超声导波检测技术利用探头发射超声导波（低频扭曲波或纵波），此导波充斥整个圆周方向和整个管壁厚度向远处传播，当遇到管子内外壁腐蚀或缺陷引起的金属缺损时，由于管道横截面（厚度）发生改变，在缺损处会有反射波返回，通过分析该反射信号即可探知管道的内外部缺陷位置、大小和腐蚀状况[11-15]。超声导波使用的探头检测频率一般为0.3～1MHz[16-18]，因此对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在1MHz以上的超声检测相比是比较低的，并且超声导波检出缺陷的定量只是近似的。

关于脉冲回波超声检测技术，刘双行等[19]采用平面斜探头和双晶直探头用于检测Φ108mm×8mm管子内壁腐蚀坑，采用斜探头横波探伤可以检测出是否存在点腐蚀坑，其幅度也大致能够测试腐蚀坑的大小。由于点腐蚀的危害性大小主要取决于其深度，故采用双晶探头测量其深度。关于腐蚀坑深度，采用频率5MHz的双晶探头可有效测量，但对腐蚀坑的面积也有一定的要求，面积较小时，超声波的反射较小，往往被周围的基体所掩盖，难以测量其深度。李萍等[20]认为超声波检测技术无损评价锅炉管内表面结焦层厚度是可行的，也可用于内表面垢层的无损检测。李晓红等[21]研究支柱瓷绝缘子的超声检测有效性，试验结果表明脉冲回波超声检测对瓷柱内部缺陷有很好的检测灵敏度。

综合上述国内外腐蚀坑缺陷的无损检测技术，其中脉冲回波超声检测的灵敏度最高，发现最小缺陷的能力最强，且在检修现场可抗杂波干扰，并便于手工操作。因此，有必要研究低合金钢板背面腐蚀坑的超声波反射特性，并开发适应于低合金钢板背面腐蚀坑的超声检测技术，确保低合金钢板背面的检测质量满足要求。

1 试验探头和试块

1.1 平面可拆卸式透声楔斜探头

常见的低合金钢声阻抗为4.53×10⁶kg/m²·s，有机玻璃声阻抗最接近低合金钢，声透射率最高。在声衰减方面，除聚苯乙烯外，有机玻璃最小。有机玻璃来源方便、价格经济及加工性能良好。因此，选用有机玻璃作为平面透声楔材料。

图1为可拆卸式平面透声楔斜探头示意图，图2为可拆卸式平面透声楔斜探头实物图。选用频率为1.25，2.5，5，7.5MHz，晶片尺寸为6mm×6mm的直探头与可拆卸式平面透声楔组合，两者通过螺钉连接，在接触区域涂抹耦合剂，可组合成可拆卸式平面透声楔斜探头。选用的1.25，2.5，5，7.5MHz直探头发射的纵波在透声楔中入射角气分别为30°、32°、34°、 36°、38°、40°、42°、44°、46°、48°，纵波在透声楔与工件界面经波型转换为横波。

1.2 低合金钢板腐蚀坑超声检测专用试块

为了获得腐蚀坑超声检测所用平面透声楔斜探头的频率和入射角度的最佳参数，制作低合金钢板腐蚀坑超声检测专用试块，如图3所示。低合金钢板腐蚀坑超声检测专用试块实物见图4。试块材质为低合金钢，规格长×宽×厚为500mm×400mm×4mm。为了模拟腐蚀坑实际形貌，加工的9个人工反射体均为半球孔，由半球形钻头制备而成，半球孔设计深度分别为0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0mm，直径为深度的2倍，由浅到深依次均匀线性分布，半球孔相邻距离50mm。

可拆卸式平面透声楔斜探头置于深度分别为0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0mm的半球孔背面上方位置依次找各自的最高反射波，探头位置如图3所示。

2 试验结果分析

2.1 1.25MHz平面透声楔斜探头的腐蚀坑超声检测

利用1.25MHz平面透声楔斜探头在不同入射角度下对低合金钢板专用试块背面模拟腐蚀坑的9个半球孔进行超声检测，入射角度44°、46°、48°的斜探头未明显检测到半球孔。1次反射波检测到的不同半球孔深度一增益曲线如图5所示。结果表明：该频率下的斜探头无法检测出最小缺陷为深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）;该频率下入射角度32°、34°的斜探头检测灵敏度余量较高，可以检出的最小缺陷为深度为钢板壁厚37.5%的半球孔（深度1.5mm）。这是由于低频超声检测精度低、定位和定量测定的准确度有限。

2.2 2.5MHz平面透声楔斜探头的腐蚀坑超声检测

利用2.5MHz平面透声楔斜探头在不同入射角度下对低合金钢板专用试块背面模拟腐蚀坑的9个半球孔进行超声检测，1次反射波检测到的不同半球孔深度一增益曲线如图6所示。结果表明：该频率下入射角度为30°、32°、34°、36°的斜探头利用1次反射波可以检测的最小缺陷均为深度为钢板壁厚12.5%的半球孔（深度0.5mm），其中入射角度为34°、36°的2.5MHz斜探头检测灵敏度余量最高。入射角度为34°、36°的2.5MHz斜探头在距深度0.5mm的半球孔50mm处采集到的典型波形分别见图7、图8，缺陷波的分辨较明显。

2.3 5MHz平面透声楔斜探头的腐蚀坑超声检测

利用5MHz平面透声楔斜探头在不同入射角度下对低合金钢板专用试块背面模拟腐蝕坑的9个半球孔进行超声检测，1次反射波检测到的不同半球孔深度一增益曲线如图9所示。结果表明：入射角度为30°、32°、34°、36°、38°的 5MHz斜探头利用1次反射波可以检测的最小缺陷均为深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm），其中入射角度为32°、34°的5MHz斜探头检测灵敏度余量较高。入射角度为32°、34°的5MHz斜探头在距深度0.2mm的半球孔50mm处采集到的典型波形分别见图10、图11，缺陷波的分辨较明显。

2.4 7.5MHz平面透声楔斜探头的腐蚀坑超声检测

利用7.5MHz平面透声楔斜探头在不同入射角度下对低合金钢板专用试块背面模拟腐蚀坑的9个半球孔进行超声检测，1次反射波检测到的不同半球孔深度一增益曲线如图12。结果表明：入射角度为30°、32°、34°的7.5MHz斜探头利用1次反射波可以检测的最小缺陷均为深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm），其中入射角度为30°、32°的7.5MHz斜探头检测灵敏度余量较高。其余入射角度的7.5MHz斜探头利用1次反射波能够有效发现深度为0.5mm的半球孔。入射角度为30°、32°、34°的7.5MHz斜探头在距深度为0.2mm的半球孔50mm处采集到的典型波形分别见图13～图15，缺陷波的分辨较明显。

2.5 5MHz和7.5MHz平面透声楔斜探头的腐蚀坑超声检测对比

根据1.25，2.5，5，7.5MHz平面透声楔斜探头在低合金钢板专用试块背面模拟腐蚀坑的9个半球孔的超声检测研究结果，入射角度为320的5MHz和7.5MHz平面透声楔斜探头对专用试块背面模拟腐蚀坑的半球孔检测灵敏度较高，利用1次反射波可以检测的最小缺陷均为深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。入射角度为32°的5MHz和7.5MHz平面透声楔斜探头利用1次反射波检测到的不同半球孔深度-增益曲线如图16所示，结果表明入射角度为32°的5MHz平面透声楔斜探头检测灵敏度余量最高。

3 结束语

本文通过选用频率分别为1.25，2.5，5，7.5MHz，入射角度分别为30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°、44°、46°、48°的平面透声楔斜探头，并制作低合金钢板腐蚀坑超声检测专用试块，利用脉冲回波超声检测方法研究了低合金钢板背面腐蚀坑的超声波反射特性，最终遴选出腐蚀坑超声检测所用平面透声楔斜探头的频率和入射角度的最佳匹配参数，可以有效检测最小缺陷深度为钢板壁厚5%的半球孔（深度0.2mm）。研究结果表明低合金钢板背面腐蚀坑的脉冲回波超声检测灵敏度高，发现最小缺陷的能力强。由于脉冲回波超声检测在检修现场可抗杂波干扰，并便于手工操作，本文的研究对于低合金钢板背面腐蚀坑深度大小的定量检测具有参考价值。

本文进行的低合金钢板背面腐蚀坑超声波反射特性研究工作基于不同腐蚀坑的深度大小，而不同腐蚀坑的面积大小对脉冲回波超声检测的影响程度正在开展研究，研究工作将致力于为低合金钢板背面腐蚀坑提供一种最有效的检测技术方法。

参考文献

[1]宫延伟.低频交变磁场测量技术研究及仪器开发[D].上海：上海交通大学，2010.

[2]焦敬品，常予，李光海，等.铁磁构件内外表面裂纹低频漏磁检测技术研究[J].仪器仪表学报，2016，37（8）：1808-1810.

[3]康宜华，武新军.数字化磁性无损检测技术[M].北京：机械工业出版社，2006：182-201.

[4]徐江，武新军，康宜华.国外油管在线无损检测技术的研究与应用现状[J].石油机械，2006，34（5）：81-84.

[5]EDWARDS R S，SOPHIAN A，DDCON S，et al.Data fusionfor defect characterization using a dual probe system[J].Sensors and Actuators A：Physical，2008，144（1）：222-228.

[6]LI C Y，HEINEMANN P，SHERRY R Neural network andBayesian network fusion models to fuse electronic nose andsurface acoustic wave sensor data for apple defectdetection[J].Sensors and Actuators B：Chemical，2007，125（1）：301-310.

[7]HORN D，MAYO W R.NDE reliability gains fromcombining eddy-current and ultrasonic testing[J].NDT&EInternational，2000，33（6）：351-362.

[8]SUKHIKH A V.Application of the magnetic saturationmethod for eddy-current inspection of spent fuel elementsfrom fast reactors[J].Atomic Energy，2007，102（2）：139-145.

[9]陆新元.承压设备低频电磁无损检测技术研究[D].北京：北京化工大学，2016.

[10]宋凯，康宜华，张丽攀，等.钢管磁特性对涡流检测影响的研究进展[J].材料工程，2015，43（11）：106-112.

[11]MOREAU L，VELICHKO A，WILCOX P D.Accurate finiteelement modeling of guided wave scattering from irregulardefects D].NDT&E International，2012，45（6）：46-54.

[12]何存富，郑明方，吕炎，等.超声导波检测技术的发展、应用与挑战[J].仪器仪表学报学报，2016，37（8）：1713-1323.

[13]周邵萍，张蒲根，吕文超，等.基于导波的弯管裂纹缺陷的检测[J].机械工程学报，2015，51（6）：58-60.

[14]朱力强，许西宁，余祖俊，等.基于超声导波的钢轨完整性检测方法研究[J].仪器仪表学报学报，2016，37（7）：1603-1608.

[15]L■VSTAD A，CAWLEY P.The reflection of the fundamentaltorsional guided wave from multiple circular holes inpipes[J].NDT&E International，2011，44：553-562.

[16]SIQUERIRA M，（iATTS C，SILVA R.The use of ultrasonicguided waves and wavelets analysis in pipe inspection[J].Ultrasonics，2004，41（10）：785-797.

[17]KWUN H，KIM S Y，CHOI M S.Torsional guided-waveattenuation in coal-tar-enamel-coated buried piping[J].NDT&E International，2004，37（8）：663-665.

[18]ROSE J L.A baseline and vision of ultrasonic guided waveinspection potential[J].Journal of Pressure VesselTechnology，2002，124（3）：273-282.

[19]劉双行，石慧宁，孙学海，等.管路弯管部位内壁点腐蚀缺陷超声检测[J].无损探伤，2015，39（5）：42-44.

[20]李萍，谭家隆，郝静燕，等.超声无损检测减压炉加热管内表面结焦层[J].材料工程，2010，25（2）：10-12.

[21]李晓红，王敏，昊敏，等.支柱瓷绝缘子的超声检测有效性[J].中国电机工程学报，2006，26（9）：159-162.

（编辑：莫婕）