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第7章 板材和管材超声检测 7.1 钢板超声检测 7.1.1 钢板加工及常见缺陷 加工方法：由板坯轧制。 常见缺陷：分层、折叠、白点等，裂纹少见。 分层：板坯中缩孔、夹渣等在轧制过程中未熔合而形 成的分离层。 折叠：钢板表面局部形成互相折合的双层金属。 白点：钢板在轧制后冷却过程中氢原子来不及扩散。 7.1.2 检测方法 钢板的分类（超声检测的角度）： 薄板：厚度 6mm 检测方法：板波检测法 中厚板： 6mm， 中板： 640mm；厚板： 40mm 检测方法：垂直入射法 中厚板超声检测方法 脉冲反射式垂直入射法； 耦合方式：直接接触法和水浸法； 探头：聚焦和非聚焦的单晶直探头、双晶直探头。 单晶直探头检测 时基线调节，一般采用多次底波反射法，厚板采用一次底 波或二次底波法。 一次底波法只考虑钢板界面回波与底波b1之间的缺陷波。 1. 直接接触法 探头通过薄层耦合剂与工件接触进行检测。 检测波形显示 完好区：显示多次等距离的底波，无缺陷波。 小缺陷：缺陷波与底波共存，底波有所下降。 大缺陷：出现缺陷的多次反射波，底波明显下降或消失 。 叠加效应 板厚较薄且板中缺陷 较小时，各次底波之 前的缺陷波开始几次 逐渐升高再逐渐降低 的现象。 产生原因：由于不同 反射路径声波互相叠 加造成的。 出现叠加效应时，一 般应根据f1评价缺陷 。 当20mm时，可用 f2评价缺陷。 2.水浸法（充水耦合法） 探头与钢板不直接接触，通过一层水耦合。 多次重合法 通过调整水层厚度，使水/钢界面回波分别与钢板的多次 底波重合。一般常用四次重合法。 重合法水层厚度 h 与钢板 的关系： 可以减少近场区的影响，而且可以根据多次底波衰减情况 判断缺陷严重程度。 7.1.3 探头与扫查方式的选择 1. 探头的选择 频率：2.55.0mhz 钢板晶粒细 为了获得较高的分辨力，宜选用较高的频率。 晶片直径：10mm 25mm 检测面积大，提高检测效率，宜选用较大直径的探头。 厚度较小的钢板，选用较小晶片直径的探头，减少近场 区的影响。 结构形式：单晶直探头或双晶直探头 板厚较大，选用单晶直探头 板厚较薄，选用双晶直探头，检测厚度为620mm的 钢板。 承压设备用板材超声检测探头选用规定，表7-1。 2. 扫查方式的选择 全面扫查：垂直于压延方向划出等距离的平行列线 探头移动方向垂直于钢板压延方向。 100%扫查，相邻两次扫查应10%重复。 列线扫查：探头沿等距离的平行列线扫查。 边缘扫查：在钢板边缘一定的范围内作全面扫查。 格子扫查 在钢板边缘 50mm范围内作全面扫查。 其余按200mm200mm的格子线扫查。 3. 扫查速度的选择 手工扫查 速度应不大于0.2m/s。 根据使用仪器的性能调整扫查速度，对于响应速度较慢 的仪器，应使用较小的扫查速度。 水浸自动检测 最大扫查速度与要求检出的最小缺陷尺寸、钢板厚度、 超声检测仪器限定的脉冲重复频率有关。 重复频率选择 最大重复频率应根据板厚决定； 检测时超声脉冲之间的间隔时间，应远大于超声在 材料中传播时间，以避免形成幻象波； 高速扫查时，脉冲重复频率应使最小尺寸的缺陷信 号能够显示。 7.1.4 检测范围和灵敏度的调整 1. 检测范围的调整 根据板厚来确定检测范围。 2. 灵敏度的调整 cb试块法：板厚 20mm，采用cb试块，使之与 工件等厚的第一次底波达满幅度的50%，再提高10db作 为基准灵敏度。 cb试块法：板厚20mm，采用cb试块，使 5mm 平底孔第一次回波达满幅度的50%作为基准灵敏度。 试块试块 编编号 被检钢检钢 板 厚度 检测检测 面到 平底孔的 距离s 试块试块 厚度 t cb-120401520 cb-140603040 cb-3601005065 cb-4100016090110 cb-5160200140170 cb-6200250190220 底波法 利用多次底波调节灵敏度。 板厚3n，可取钢板无缺陷处的第一次底波达50%，通 过计算法来校准灵敏度，其结果应与cb标准试块法要 求相一致。 7.1.5 缺陷的判别与测定 1. 缺陷的判别 根据缺陷波和底波来判别缺陷。jb/t 4730-2005规定： f150%； f150% b1100%，f1/ b1 50%； b1100%，f1/ b1 50% b1 50% b1 50% 2. 缺陷的测定 缺陷位置测定 缺陷深度：根据示波屏上缺陷波位置对应的刻度确定。 平面位置：根据发现缺陷的探头位置来确定，标出和记录 缺陷至工件相邻两边界的距离。 缺陷定量 采用测长法测定指示长度和面积。 f1 50%： f1达25%时，探头中 心移动距离为缺陷指 示长度，探头中心轨 迹为缺陷边界。 f1 / b1 50% （b1100%）： f1 / b1达50%时， 探 头中心移动距离为缺 陷指示长度，探头中 心轨迹为缺陷边界。 b1 50%： 使b1达50%时，探头 中心移动距离为缺陷 指示长度，探头中心 轨迹为缺陷边界。 3. 缺陷性质的估计 分层 缺陷波形陡直 底波明显下降或消失 折叠 不一定有缺陷波，但底波明显下降、次数减少或消失， 始波加宽。 白点 波形密集尖锐活跃，底波明显降低、次数减少，重复性 差，移动探头，回波此起彼伏。 7.1.6 钢板质量级别判定（jb/t 4730-2005规定） 根据缺陷指示长度与缺陷指示面积不同将钢板质量分为五 个等级，级最高，级最低。 单个缺陷指示长度 缺陷指示的最大长度尺寸。 单个缺陷指示长度小于40mm，可不作记录。 缺陷指示面积 缺陷边界范围内的面积。 间距小于100mm或小于相邻较小缺陷指示长度（取其 最大值）的多个缺陷，以各缺陷面积之和作为单个缺 陷指示面积。 在检测过程中，检测人员如确认钢板中有白点、裂纹等危 害性缺陷存在时，应直接评为级。 等级级 单单个缺陷 指示长长度 cm 单单个缺陷 指示面积积 cm2 在任一1mm1mm 检测检测 面积积内存在的 缺陷面积积百分比 % 以下单单个缺 陷指示面积积 不计计 cm2 802539 10050515 1201001025 1501001025 超 过过 级级 者 表7-3 钢板质量分级 例题：钢板质量评级 7.3 复合板超声检测 7.3.1 复合材料中常见缺陷 复合材料 由母材与复合层粘合而成。 常见的复合材料：在碳钢或低合金钢母材上，粘接不锈钢 、钛、铝、铜合金等复合层。 制造方法：轧制、爆炸、堆焊等 常见缺陷 复合层与母材在界面处复合不良。 脱层（脱接） 7.3.2 检测方法 检测方法：纵波检测。 探头 单晶直探头或双晶直探头； 探头直径25mm； 频率：2.55.0mhz。 检测灵敏度：复合板完好区的底波b1调至示波屏满刻度的 80%。 检测面：母材侧或复合层侧 7.3.3 缺陷的判别 1. 两种复合材料声阻抗相近时 不锈钢碳钢复合板 从母材侧检测 复合良好区：基本无界面回波，只有底波b1； 不完全脱接：b1前不远处f波出现多次彼连，b1降低； 完全脱接：缺陷回波f较强，底波消失。 从复合材料侧检测 复合良好区：基本无界面回波，只有b1； 不完全脱接：b1降低，f波多次彼连，并紧随始波t与b1 之后； 完全脱接：f波多次彼连，宽度增加，底波消失。 2. 两种复合材料声阻抗相差较大时 钛/碳钢复合板 复合良好区也出现界面波，缺陷波判别困难。 检测方法：利用试块比较的方法，根据复合界面反射波 的宽度、高度和底波变化来判别。 从复合材料侧检测 根据复合界面反射波宽度 l 和底波 b1高度判别。 复合良好： l工件 l试块，b1工件 b1试块。 从母材侧检测： 根据复合界面反射波s 和底波 b1高度判别。 复合良好： s工件 s试块 ， b1工件 b1试块。 3. 未结合区缺陷的测定（ jb/t 4730-2005规定） 未结合区 底波 b1高度低于荧光屏满刻度的 5% 未结合缺陷反射波存在（5%）。 未结合区边界点 移动探头，使底波 b1升高到荧光屏满刻度40%时的 探头中心位置。 重要的复合材料可以结合底波与复合界面反射波高度的 db差来判别，将实测值与理论计算值比较，当实测值明 显大于理论计算值时，复合材料存在脱接。当二者相差 甚小时，复合良好。 7.3.4 缺陷评定和质量分级（jb/t 4730-2005规定） 1. 缺陷指示长度 按其指示的最大长度作为该缺陷的指示长度。 单个缺陷的指示长度小于25mm可不作记录。 2. 缺陷面积 多个相邻的未结合区，其最小间距小于或等于20mm时 ，作为单个未结合区处理，其面积为各个未结合区面积 之和。 3. 未结合率 未结合区总面积占复合板总面积的百分比。 4. 质量分级 表7-4 复合钢板质量分级 在坡口的预定线两侧各50mm的范围内，未结合的指示长 度大于或等于25mm时，定级为级。 等 级级 单单个未结结合指示 长长度(mm) 单单个未结结合区 面积积(cm2) 未结结合率(%) 000 50202 75455 大于级级者 7.5 管材超声检测 7.5.1 管材加工及常见缺陷 管材种类 按加工方法分类：无缝钢管和焊接管 按材料分类：金属管和非金属管 按管径分类：小径管和大径管 管材加工方法 无缝钢管：穿孔法、高速挤压法 厚壁大口径管：由钢锭经锻造、轧制工艺加工 焊接管：由板材卷成管形焊接而成 管材主要缺陷 无缝钢管：裂纹、折叠、分层、夹杂等； 锻轧管：裂纹、白点、重皮等； 焊接管：裂纹、气孔、夹渣、未焊透等。 从超声检测角度分类 大直径管：外径大于100mm； 小直径管：外径小于100mm； 薄壁管与厚壁管 以折射横波是否可以到达管材内壁进行区分； 薄壁管：壁厚与管外径之比不大于0.2； 厚壁管：壁厚与管外径之比大于0.2。 管材超声检测方法 沿管材外圆作周向扫查的横波检测（主要方式） 管材中的缺陷大多数与管材轴线平行 检测以沿管材外径作周向扫查 沿管材轴线方向的横波检测 管材中可能产生与管材轴线相垂直的缺陷 检测以沿管材轴线方向作纵向扫查 垂直入射的纵波检测 管材中可能产生与管材表面平行的缺陷 检测以垂直于管材的圆周面扫查 7.5.2 管材横波检测技术基础 1.实现横波周向检测的条件 声束入射角在第一临界角和第二临界角之间，管材中只存 在纯横波。 在管材中产生纯横波的条件下，使声束能够检测到内壁缺 陷的条件。 （r为内半径，r为外半径） 由第一临界角公式可知，产生纯横波的条件： () 结合上面两个条件，管材中为纯横波并到达内壁，入射角必 须满足以下条件： 临界状态：当 1 = 90时，声束轴线 与管子内壁相切，声束到达内壁。 声束到达内壁的条件： 。 上述公式成立的条件： 管材中为纯横波的条件下，声束可到达内壁的前提条件： 钢钢管，c l=5.85km/s，c s=3.2 km/s， = 0.23 估计金属管材可用横波检测的判据：管材壁厚与外径 之比是否小于0.2。 3. 探头入射点与折射角的测定 检测管材中，将探头修磨为与管材曲率半径相同的曲面，探 头的入射点和折射角的测定要用特殊的方法和试块。 入射点的测定 探头楔块的圆弧置于试块的棱角上，前后移动探头，使 棱角反射波最高。 试块棱角处对应的点为探头的入射点。 折射角的测定 在与管材的材质曲率半径相同的实心 圆柱体试块上测定。 bac 为探头的折射角 在管材试块上测定： 在oba中，由余弦定 理得探头的折射角为： 7.5.3 小直径薄壁管检测 纵向缺陷（主要缺陷）检测 纵向缺陷为平行于管轴的径向缺陷。 检测方法：横波周向扫查检测。 横向缺陷检测 横向缺陷为垂直于管轴的径向缺陷。 检测方法：横波轴向扫查检测。 1. 接触法检测 探头通过薄层耦合介质与钢管直接接触的检测方法。 常规横波探头与管材接触面小、耦合不良，波束严重扩散， 灵敏度低。 常将斜楔加工成与管材表面相吻合的曲面，以改善耦合条件 。 实际检测中，斜楔磨损较大，会引起入射角变化，使检测灵 敏度降低。 （1）纵向缺陷检测 1）探头 横波斜探头，楔块表面加工与工 件表面吻合良好。 探头晶片尺寸视管径和壁厚情况 选择，其长度或直径 25mm。 频率2.55.0mhz。 2）试块 与被检钢管规格相同， 材质、热处理工艺和表 面状况相同或相似的钢 管制备。 人工缺陷为纵向尖角槽 。 级别级别长长度l ，mm深度t 占壁厚的百分比，% 405（0.2mmt1mm） 408（0.2mmt2mm） 4010（0.2mmt3mm） 按jb/t 4730.3-2005标准规定，试块中槽深分为3个级别 尺寸。 3）灵敏度调节 按验收级别要求选择对比试块。 基准灵敏度调节 探头置于对比试块上作周向扫查，将试块上内壁尖角槽 的最高回波调至满幅度的80%，并找到外壁尖角槽的最 高回波； 二者波峰的连线为距离波幅曲线。 扫查灵敏度：在基准灵敏度基础上再提高6db。 4）扫查 探头沿径向按螺旋线进行扫查，四种扫查方式： 探头不动，管材旋转的同时作轴向移动。 探头作轴向移动，管材转动。 管材不动，探头沿螺旋形运动。 探头旋转，管材作轴向移动。 螺旋线的间距要保证超声波束对管材进行100%扫查，并有 不小于15%的覆盖。 5）探头沿周向扫查，使声束在管壁内沿周向呈锯齿形传播。 6）评定和验收 评定：缺陷回波幅度基准灵敏度 为不合格品。 不合格品允许在公差范围内采取修 磨方法处理，再复检。 （2）横向缺陷检测 1）探头 横波斜探头，楔块表面加工与工件表 面吻合良好。 探头晶片尺寸视管径和壁厚选择，其 长度或直径 25mm。 频率2.55.0mhz。 2）试块 与被检钢管规格相同，材 质、热处理工艺和表面状 况相同或相似的钢管制备 。 人工缺陷为周向尖角槽。 jb/t 4730.3-2005标准规定，试块中槽深分为3个级别尺寸 。 级别级别长长度l人工缺陷槽深度t 40公称壁厚的5%，最小为为0.2，最大为为1.0 40公称壁厚的8%，最小为为0.2，最大为为2.0 40公称壁厚的10%，最小为为0.2，最大为为3.0 3）灵敏度调节 按规定的验收级别要求选择对比试块。 基准灵敏度调节 只有外表面人工缺陷的试块，直接将试块上的人工缺陷 最高回波调至50%； 内外表面均有人工缺陷的试块，将试块上内表面人工缺 陷的最高回波调至满幅度的80%，并找到外表面人工缺 陷的最高回波，二者波峰的连线为距离波幅曲线。 扫查灵敏度：在基准灵敏度基础上再提高6db。 4）扫查 探头沿轴向按螺旋线进行扫查 。 声束在管壁内沿轴向呈锯齿形 传播。 5）评定和验收： 对发现的缺陷进行评定，缺陷回波幅度基准灵敏度为 不合格品。 不合格品允许在公差范围内采取修磨方法进行处理，修 磨后复检。 2. 水浸检测 使用水浸探头检测。 利用纵波倾斜入射到水/钢界面，当入射角 时 ，在钢管内实现纯横波检测。 （1）探头的选择 小径管水浸检测，一般采用聚焦探头。 一般钢管采用线聚焦探头。 薄壁管可采用点聚焦探头。 频率：2.55.0mhz。 聚焦探头透镜的曲率半径 r： 有机玻璃声透镜 的曲率半径：r = 0.46f。 （2）检测参数的选择 1）偏心距的选择 偏心距：探头声束轴线与管材中心轴 线的水平距离。 决定偏心距范围的条件： 纯横波检测条件： 横波检测内壁条件： 综合、有： 水浸检测钢管的偏心距x：0.251r x 0.458r 取平均值： 2）水层厚度的选择 因钢中c水/c s 1/2， 当水层厚度h大于钢管中横波全声程的1/2（即hx s） ，水/钢界面的第二次回波s2将位于管子的缺陷波 f内（一 次波）、f外（二次波）之后，有利于对缺陷的判断。 3）焦距的选择 探头的焦点落在与声束 轴线垂直的管心线上。 （3）扫查方式 四种扫查方式（自动扫查） 螺旋线扫查，螺距应小于或等于探头声束有效宽度且应有 15%的覆盖率。 探头偏心距（超声波入射角）、水层厚度不发生变化，是保 证检测结果的关键。 （4）检测灵敏度的调整与质量评定 基准灵敏度调整 对比试块：同接触法，用于调整检测灵敏度。 转动水中试块，使内外壁人工槽回波均达50%基准高。 扫查灵敏度：比基准灵敏度高6db。 质量评定：缺陷回波 基准灵敏度时，判为不合格。 7.5.