專利名稱：一種檢測金屬部件母材內壁裂紋及腐蝕缺陷的新方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬部件的檢測，即TOFD檢測技術的廣泛應用，可檢測到壁厚12mm以上，其部件母材內壁垂直深度大于Imm的裂紋和腐蝕坑，拓寬了目前TOFD檢測的應用領域， 彌補了其他檢測技術在部件母材內壁裂紋及腐蝕檢測方面的不足。
背景技術：
目前我國利用國外引進的TOFD檢測技術，應用領域非常的寬泛，尤其是對生產設備的維修、養(yǎng)護領域發(fā)展勢頭在不斷地增長，正如文獻檢索所披露①江蘇太湖鍋爐股份有限公司李衍在無損探傷，NONDESTRUCTIVE INSPECTION 2004, 28 (3)發(fā)表的“超聲TOFD法在電站鍋爐檢測上的應用”的論文介紹，用超聲TOFD (衍射時差)法檢測在用電站鍋爐低合金鋼爐壁管中的腐蝕疲勞裂紋、主蒸汽管和再熱蒸汽管等高溫管道中的蠕變損傷裂紋以及節(jié)流閥熱疲勞裂紋的國外最新動態(tài).該法能快速、有效地對材料、焊縫和熱影響區(qū)的表面開口裂紋和內部裂紋進行測深定高，從而對鍋爐受壓元件及本體進行剩余壽命診斷和安全評價。②大慶煉化公司設計所；江蘇省工程物理勘察院；中國地質大學(武漢)李智泉，李國華，劉崧等在油氣田地面工程，OIL-GASFIELD SURFACE ENGINEERING 2008, 27 (9)上發(fā)表的“埋地金屬管道腐損狀況的檢測與安全性評估”論文對于埋地金屬管道來說， 發(fā)生腐蝕后通常表現為管道的管壁變薄，或者是出現凹坑與麻點.國外在沒有開挖的情況下進行的管道內腐蝕檢測技術有漏磁通法、超聲波法、渦流檢測法、激光檢測法以及電視測量法等；國內引進了超聲波法及漏磁通法檢測設備數套，并自行研制成功了漏磁通法檢測儀。③國家電力公司熱工研究院曹杰玉，張明嘉，宋敬霞等2003的研究成果“鍋爐管腐蝕在線監(jiān)測裝置及其應用”披露該監(jiān)測裝置，可以快速(兩分鐘內)準確地測量運行機組凝汽器管的實際腐蝕速率和腐蝕狀態(tài)，可以解決以下問題及時發(fā)現凝汽器管的腐蝕問題； 指導設備的狀態(tài)檢修；檢驗凝汽器管防腐措施的有效性，并指導調整防腐措施，直到凝汽器管腐蝕問題得到有效地解決；該技術已在浙江錢清發(fā)電有限責任公司得到實際應用，取得了明顯的經濟效益，可以用于全國火力發(fā)電廠凝汽器管和熱交換器管的腐蝕在線監(jiān)測，也可以用于其他行業(yè)用水作為冷卻介質的熱交換器管的腐蝕在線監(jiān)測。本發(fā)明構思的TOFD檢測技術，應用在焊縫內壁質量的檢測方面，恰好是TOFD檢測的盲區(qū)，而提出將TOFD技術用于檢測設備母材的內壁腐蝕及裂紋檢測，由于母材內壁為平面，不存在底面中心的盲區(qū)，所以，采用本項目所制定的工藝參數，可以檢測出內壁的腐蝕及裂紋缺陷，通過對缺陷顯示的相位和特征可以區(qū)分腐蝕及裂紋缺陷的類別，有重要的實踐價值與科學意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目在于開拓了目前TOFD檢測技術的應用領域，對壓力管道、壓力容器管道與球罐母材內壁的檢測，具有靈敏度高、精度高、檢測數據全等特點。本發(fā)明的目的是這樣實現的一種檢測金屬部件母材內壁裂紋及腐蝕缺陷的新方法，將TOFD檢測技術用于平面或曲率半徑大于136mm的凸面、厚度為12_50mm的低碳鋼或低合金鋼母材內壁垂直深度大于Imm的裂紋、腐蝕缺陷的檢測，包括探頭選擇、聚焦深度、 PCS值計算、檢測靈敏度、有效范圍的設定以及精準的辨讀；
探頭選擇選擇60°角度的中心頻率為2-ΙΟΜΗζ、Φ6πιπι尺寸的探頭； 聚焦深度探頭主聲束對曲面工件聚焦深度為兩探頭主聲束入射點連線的中心點到工件內表面間的垂直距離；對平面工件聚焦深度為工件的壁厚值； PCS值計算PCS=2*T*tan60°，式中T為聚焦深度；
靈敏度設定沿平面掃查，靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的60-80% ；沿曲面掃查， 靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的40-60% ；
有效范圍的設定計算掃查有效范圍的L=PCS—2T*tan Yp下；確定掃查次數的N=L總/L。本發(fā)明方法的檢測，指衍射時差法(Time of Flight Diffraction)，簡稱TOFD檢測技術，是一種依靠從待檢試件內部結構(主要是指缺陷)的“端角”和“端點”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法；其原理是指波在傳輸過程中與界面作用而發(fā)生的不同于反射的另一種物理現象，當超聲波作用于一條長裂紋缺陷，在裂紋表面產生超聲波發(fā)射的同時，還將從裂紋尖端產生衍射波，衍射波信號比反射波信號弱得多，且向各個方向傳播，沒有明顯的指向性，缺陷端點的形狀對衍射有影響，端點越尖銳，衍射特性越明顯，端點越圓滑，衍射特性越不明顯，當端點園半徑大于波長時，主要體現的是反射特性，對裂紋缺陷來說，其端點為尖銳形狀，衍射波較明顯。其原理是當超聲波的線性不連續(xù)(如遇到諸如裂紋等缺陷)出現傳播障礙時，將在缺陷尖端發(fā)生疊加到正常反射波上的衍射波，衍射能量在很大的角度范圍內放射出并且假定此能量起源于裂紋末端，計算機軟件處理系統(tǒng)將會計算評估這些衍射信號，對應射頻信號的相位變換，生成有黑白梯度的D掃描或B掃描圖像(收集數據方式)，依據探測到的衍射信號和相位變化及衍射波圖像特征，判定出缺陷的情況部位等。本發(fā)明將TOFD檢測技術應用于母材內壁的裂紋及腐蝕的檢測方面，拓寬了 TOFD 檢測技術的應用領域，解決了管道母材內壁裂紋及腐蝕缺陷難以檢測及缺陷類型無法判斷的難題，彌補了現有檢測技術的不足；依據內壁缺陷衍射波相位變化和圖像特征檢測設備內壁裂紋和腐蝕坑缺陷的方法切實可行，彰顯技術進步。


本發(fā)明結合附圖作進一步的說明。附圖1、2為常規(guī)超聲波檢測，即人工刻槽(模仿裂紋)反射波；盲孔(模仿腐蝕)邊緣反射波
如圖所示從圖1、2中可以看出有缺陷的反射波，但從所顯示的缺陷的波幅和波形方面無法區(qū)分缺陷的類型；
附圖3、4為TOFD檢測，缺陷相位和顯示特征進行辨讀
如圖所示從圖3、4中可以看出缺陷的衍射波顯示，圖3中的缺陷顯示特點為刻槽缺陷衍射波相位與底面反射波相同，兩端與底面反射波不相連，底面波下沉或斷開；圖4中盲孔缺陷衍射波相位與底面反射波相同，而兩端與底面反射波相連，底面波下沉或斷開；均勻腐蝕減薄時，底面波與直通波間的距離減??；因此能夠區(qū)分出缺陷的類型。
具體實施例方式本發(fā)明結合實施例作進一步的說明。本發(fā)明的技術路線
檢測范圍工件母材材料為低碳鋼或低合金鋼；檢出內壁深度為Imm以上的裂紋和腐蝕缺陷；
制定檢測工藝參數 1、探頭的選擇
探頭選擇60°角度的5MHz、Φ6πιπι尺寸的探頭。2、聚焦深度
探頭主聲束的聚焦在被檢工件的內表面處(對曲面工件聚焦深度為兩探頭主聲束入射點連線的中心點到工件內表面間的垂直距離；對平面工件聚焦深度即為工件的壁厚值)
3、PCS值設定
計算PCS值(兩探頭聲束入射點之間的距離)PCS=2*T*tan60° (式中T為聚焦深度)；
4、掃查靈敏度設置
平面向移動探頭掃查時，掃查靈敏度調節(jié)為直通波的波幅在70%波高處； 曲面軸向移動探頭掃查時，掃查靈敏度調節(jié)為直通波的波幅在50%波高處。5、掃查有效范圍的設定
5、1首先計算縱波斜探頭發(fā)出的超聲縱波經探頭楔塊后到達鋼中時的聲束擴散下邊界角度U下；
計算的已知條件有探頭頻率(f)、探頭角度(鋼中縱波折射角θ J、探頭晶片直徑 (D)、擴散因子(F)、工件中縱波聲速(Q)、楔塊中縱波聲速(Cp)；
其中探頭頻率、探頭角度及探頭晶片直徑由所選擇的探頭參數決定；擴散因子(F) — 般取值為聲壓下降12dB時的聲束邊界擴散因子0. 8 ；工件中縱波聲速(Q)對鋼材而言其值為5. 95mm/μ S、楔塊中縱波聲速(Cp)對有機玻璃而言為2. 4mm/μ S。計算過程包括以下步驟 計算楔塊中縱波入射角度ΘΡ: 根據折射角公式(SNELL公式) sin y J C1 = sin y J C2
sin θ p=sin θ L Cl/ Cp 計算楔塊中縱波的聲束擴散角根據聲束半擴散角公式=SinY1=FXzD
Sinyp=F CP/( D f ) 計算楔塊中縱波的聲束下邊界角YPT:
Yp 下=θρ— Yp
計算鋼中縱波的聲束下邊界角Yu:
sin γ L下=sin YCp5.2計算掃查的有效范圍L=PCS — 2T*tan γ ρ下；計算掃查的次數N=L總/L (其中L總為需要檢測的范圍)。
實施例(1)制定檢測參數選用60度的5 MHz、Φ6πιπι探頭；壁厚T=32mm的平面設備， 將主聲束聚焦在內表面處(即聚焦深度為32mm)，計算PCS值(兩探頭聲束入射點之間的距離)PCS=2*32*tan60° IlOmm ；掃查靈敏度調節(jié)為直通波的波幅在70%波高處；因探頭角度為60°、頻率為5 MHz，其聲束在被檢部件中的縱波的聲束下邊界角為45. 7°，PCS值為 110mm，計算一次掃查有效范圍 L :L=PCS — T*tan45. 7° =110-32* tan45. 7° =77. 2mm ；用被檢設備內壁需要檢測的范圍除以一次掃查有效范圍計算出檢測所需的最少掃查次數 N=L 總/L。(2)檢測結果的辨讀加工帶有Imm深人工刻槽和盲孔的試塊，對比分析人工缺陷的衍射波顯示特征，找出顯示的異同處，加以分析，區(qū)分兩類不同的缺陷；
1)圖像中的信號來源
TOFD掃描圖像中包括有A掃描信號、直通波信號、缺陷信號、底面縱波信號、波型轉換信號、底面反射波型轉換信號
直通波在被檢設備的表面以下，沿兩個探頭之間的最短路徑以縱波速度進行傳播，不同于沿金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，是縱波聲束邊緣的體積波；
缺陷信號波如果在金屬材料中存在一個裂紋缺陷，則超聲波在缺陷頂部尖端將產生衍射信號，出現在直通波之后，底面反射波之前，這些信號比底面反射波要弱得多，但比直通波信號強，由于衍射信號比較弱，在A-scan中往往難以看清，但由于儀器檢測系統(tǒng)應用了“信號平均”處理方法使B-scan中信號顯示比較清晰；底面反射波信號是探頭發(fā)射的波束到金屬部件的底面所產生的反射波信號，比衍射波型號要強。2)信號的相位變化
在超聲波檢測時，當波束從高阻抗介質中入射到一個低阻抗介質(從鋼入射到鋼/空氣界面)時，在界面反射的信號相位改變180°，當TOFD檢測到有缺陷的部件時，缺陷上尖端信號就像底面反射波信號一樣，相位改變180°，其相位與直通波信號相反，與底面反射波信號相同；
對帶有Imm深人工刻槽和盲孔的試塊進行檢測，得到人工刻槽和盲孔缺陷的衍射波信號顯示，經對比分析，刻槽信號的相位與底面波相同，并與底面波不相連；而盲孔的衍射波相位與底面波相同但與底面波相連，底面波下沉或斷開，均勻腐蝕減薄時，底面波與直通波間的距離減小，據此區(qū)分缺陷是腐蝕還是裂紋。(3)根據所制定的工藝，對實物設備進行檢測以驗證工藝參數是否合理及缺陷判定是否準確；采用現有的TOFD檢測儀器，將探頭固定到儀器的掃查架上，采用上述(1)方法確定的工藝分別在帶有裂紋和腐蝕的管段上檢測，能夠發(fā)現缺陷衍射波，并用(2)中的判斷方法進行缺陷的判別，驗證了工藝參數和圖像判斷方法的正確性。( 4 )用不同方法檢測內壁裂紋及腐蝕的對比，見下表。
權利要求
1.一種檢測金屬部件母材內壁裂紋及腐蝕缺陷的新方法，其特征在于將TOFD檢測技術用于平面或曲率半徑大于136mm的凸面、厚度為12_50mm的低碳鋼或低合金鋼母材內壁垂直深度大于Imm的裂紋、腐蝕缺陷的檢測，包括探頭選擇、聚焦深度、PCS值計算、檢測靈敏度、有效范圍的設定以及精準的辨讀；探頭選擇選擇60°角度的中心頻率為2-ΙΟΜΗζ、Φ6πιπι尺寸的探頭； 聚焦深度探頭主聲束對曲面工件聚焦深度為兩探頭主聲束入射點連線的中心點到工件內表面間的垂直距離；對平面工件聚焦深度為工件的壁厚值； PCS值計算PCS=2*T*tan60°，式中T為聚焦深度；靈敏度設定沿平面掃查，靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的60-80% ；沿曲面掃查， 靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的40-60% ；有效范圍的設定計算掃查有效范圍的L=PCS —2T*tanYP下；確定掃查次數的N=L總/L；上式中的縱波的聲束擴散下邊界角度Yu由以下計算得出 計算楔塊中縱波入射角度ΘΡ: 根據折射角公式(SNELL公式) sin y J C1 = sin y J C2sin θ p=sin θ L Cl/ Cp 計算楔塊中縱波的聲束擴散角Yp: 根據聲束半擴散角公式=SinY1=FXzDSinyp=F CP/( D f ) 計算楔塊中縱波的聲束下邊界角YPT:Yp 下=θρ— Yp計算鋼中縱波的聲束下邊界角Yu:sin γ L下=sin YCp式中f_探頭頻率、θ L-探頭角度、D-探頭晶片直徑、F-擴散因子、Cl-工件中縱波聲速、Cp-楔塊中縱波聲速，為被檢工件所要求的檢測范圍。
2.根據權利要求1所述的新方法，其特征在于檢測時將探頭固定到TOFD儀器的掃查架上，依據實檢參數，并對缺陷衍射波相位和顯示特征進行辨讀，區(qū)分其缺陷的存在與類型。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種檢測金屬部件母材內壁裂紋及腐蝕缺陷的新方法，將TOFD檢測技術用于平面或曲率半徑大于136mm的凸面、厚度為12-50mm的低碳鋼或低合金鋼母材內壁垂直深度大于1mm的裂紋、腐蝕缺陷的檢測；選擇60°角度的中心頻率為2-10MHz、Ф6mm尺寸的探頭；探頭主聲束對曲面工件聚焦深度為兩探頭主聲束入射點連線的中心點到工件內表面間的垂直距離；對平面工件聚焦深度為工件的壁厚值；PCS值計算PCS=2*T*tan60°，式中T為聚焦深度；沿平面掃查，靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的60-80%；沿曲面掃查，靈敏度設定為直通波的波高為滿屏的40-60%；設定有效范圍，計算掃查有效范圍的L=PCS—2T*tanγP下；確定掃查次數的N=L總/L。本方法以衍射波相位和顯示特征區(qū)分出缺陷的類別，是脈沖反射法超聲檢測無法實現的。
文檔編號G01N29/07GK102435674SQ20111027547
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者汪洋, 王亮, 胡畔, 艾紅 申請人:新疆電力公司電力科學研究院