李 偉

（武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司，武漢 430084）

核電超級管道管嘴（圖1），由過去分體焊接成型改為熱擠壓直接成型，是一次制造工藝的更新。但熱擠壓管嘴工藝的可行性及其產(chǎn)品質(zhì)量，需用無損檢測方法予以驗(yàn)證。

圖1 熱擠壓管嘴結(jié)構(gòu)示意圖

對照熱擠壓管嘴制造工藝，無損檢測的重點(diǎn)部位是：① 管嘴變形最重要的部位內(nèi)、外R弧處。② 管嘴熱變形的熱影響區(qū)。

對無損檢測重點(diǎn)部位，除應(yīng)采用磁粉檢測方法、滲透檢測方法檢查表面缺陷外；對變形部位的內(nèi)部質(zhì)量，還應(yīng)采用超聲檢測方法進(jìn)行檢測，筆者介紹了熱擠壓管嘴的超聲檢測方法并驗(yàn)證了其可靠性。

1 制造過程及缺陷位置

核電超級管道管嘴的制造工序是：先在經(jīng)過超聲檢測合格的母管上，機(jī)械加工一定尺寸的孔；然后在對孔部加熱的同時(shí)，配以相應(yīng)的工裝進(jìn)行熱態(tài)擠壓；隨著管嘴的拔長及壁厚的變薄，達(dá)到規(guī)定尺寸時(shí)停止變形。

根據(jù)金屬擠壓延伸變形的方向，可以確定產(chǎn)生的缺陷主要為：在內(nèi)、外R弧及附近區(qū)域沿管嘴軸線環(huán)向分布的表面（或表層下）撕裂及管嘴外表面（或表層下）的折疊；在管嘴直管段與軸線同方向的內(nèi)、外表面（或表層下）撕裂。由于熱擠壓時(shí)管嘴內(nèi)外表面受力的不同（內(nèi)表面以拉伸力為主，外表面以壓縮力為主），缺陷產(chǎn)生的范圍一般是：在內(nèi)R弧兩側(cè)各50mm左右，外R弧兩側(cè)各25mm左右的區(qū)域。

2 檢測方法分析

（1）將需檢測的部位進(jìn)行區(qū)域劃分，即分成內(nèi)層和外層。外層是指管嘴內(nèi)、外壁表面及其表層下（一般約5mm，這是基于變形情況下，所產(chǎn)生缺陷的最大厚度范圍的考慮）的區(qū)域，其余則為內(nèi)層。

（2）確定缺陷的評定基準(zhǔn)，即設(shè)定檢測靈敏度。因管嘴是在原母管的基礎(chǔ)上熱擠壓而成的，故管嘴是母管的一部分；因母管需按核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)超聲波探傷合格，故管嘴的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與原母管的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)相同。進(jìn)而管嘴檢測用對比試塊的制作也有了依據(jù)。

（3）根據(jù)檢測范圍選定探頭的類別［1］。例如：利用盲區(qū)小的縱波雙晶探頭，檢測表層下的缺陷；利用穿透力強(qiáng)的縱波探頭檢測內(nèi)層和大聲程范圍的缺陷；利用不同折射角的橫波探頭，檢測可能存在的具有一定角度的危害性缺陷，同時(shí)保證聲束掃查時(shí)能覆蓋整個(gè)R弧區(qū)域。

（4）經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬作圖及綜合考慮，選擇檢測用探頭時(shí)，主要從以下幾方面考慮：

為使聲束達(dá)到管嘴內(nèi)壁的R處，需要選用前沿盡量小的探頭；實(shí)際檢測時(shí)探頭的掃查軌跡是一個(gè)馬鞍形，為了獲得良好的耦合效果，探頭與工件的接觸表面應(yīng)盡量小，因此在滿足檢測靈敏度的前提下，晶片尺寸應(yīng)盡量?。粸樵鰪?qiáng)發(fā)現(xiàn)細(xì)小缺陷的能力和使用一次反射波進(jìn)行檢測，應(yīng)選用頻率較高的探頭，以提高超聲波束的指向性，且有利于信號的分辯。

（5）實(shí)際檢測時(shí)，分別在管道的內(nèi)、外表面進(jìn)行掃查（除縱波探頭在管嘴端面掃查外）。為了增強(qiáng)耦合效果，采用黃油作耦合劑，以減少管嘴變形區(qū)域表面的不平整帶來的耦合損耗。使用表面波檢測時(shí)，表面的黃油只能均勻地涂抹薄薄的一層，防止厚薄不均對超聲波信號造成干擾，影響對結(jié)果的判定。

3 對比試塊及檢測工藝

3.1 對比試塊

為檢測到可能存在的各方向的缺陷，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的全面檢測，必須制作相對應(yīng)的全尺寸對比試塊。

根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，按以下要求制作對比試塊（圖2）：① 按熱擠壓管嘴的母管實(shí)物1∶1制作。② 選取管嘴本身0°和90°兩處（結(jié)構(gòu)上最有代表性的部位），制作人工缺陷。③ 對比試塊人工缺陷位置：按管嘴最大高度制作φ2mm平底孔臺階試塊；在母管上刻內(nèi)、外表面軸向、周向槽；按規(guī)格的不同，分別在管嘴部刻內(nèi)、外表面軸向、周向槽。

圖2 對比試塊外觀示意圖

所有對比試塊內(nèi)、外表面人工槽尺寸（長×寬×深）均為：25mm×1.5mm×1.5mm。

3.2 檢測工藝

（1）采用φ14mm，5MHz的雙晶縱波探頭，在管嘴的內(nèi)、外表面及R弧處進(jìn)行掃查。利用雙晶探頭近距離檢測靈敏度高的特點(diǎn)，分別檢測管嘴的內(nèi)、外表面的近表層區(qū)域，減少盲區(qū)的影響，盡可能提高表層下缺陷的檢出率。檢測靈敏度為φ2mm平底孔。如圖3中①所示。

圖3 檢測掃查示意圖

（2）采用6mm×6mm，5MHz，45°，35°二種角度的橫波探頭，分別利用一次直射波和二次反射波，沿管嘴的軸向、周向進(jìn)行掃查，檢測管嘴區(qū)域可能存在的不同方向的內(nèi)部和表面缺陷；并盡可能使聲波的入射方向與預(yù)計(jì)的缺陷方向垂直，提高缺陷的檢出率。檢測靈敏度為對比試塊上內(nèi)、外表面人工槽。如圖3中②，③，④所示。

（3）采用φ14mm，5MHz的縱波探頭，在管嘴的端面進(jìn)行掃查。由于聲波的入射方向與預(yù)計(jì)的缺陷方向垂直，所以若存在沿管嘴環(huán)向分布的缺陷則會有明顯的回波顯示。檢測靈敏度為φ2mm平底孔。如圖3中⑤所示。

（4）采用6mm×6mm，5MHz的表面波探頭，分別在管嘴的內(nèi)、外表面特別是R弧部位附近進(jìn)行掃查。利用表面波對表面微小裂紋的檢出靈敏度高及其可以沿R曲面?zhèn)鞑サ奶匦?，有針對性地檢測R弧區(qū)域的表面，以彌補(bǔ)其他探頭檢測該部位時(shí)的不足。檢測靈敏度為對比試塊上內(nèi)、外表面人工槽。如圖3中⑥所示。

4 檢測結(jié)果與分析

4.1 檢測結(jié)果

4.1.1 直探頭及雙晶探頭縱波檢測

以聲程1∶1調(diào)節(jié)儀器，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示（見圖4）。

圖4 直探頭縱波檢測位置圖

4.1.2 橫波檢測

采用兩種不同角度的探頭進(jìn)行檢測，且兩個(gè)角度之間的差值最好能達(dá)15°。

采用橫波探頭外表面檢測時(shí)，試用60°（約K2）斜探頭進(jìn)行掃查。當(dāng)探頭接近管嘴外R弧邊緣到抵達(dá)R弧邊緣（圖5）時(shí)，在儀器上觀察到有大于等于人工槽回波幅度的反射波。圍繞管嘴R弧整圈掃查幾乎都存在這種現(xiàn)象。通過計(jì)算，該回波所處的位置為內(nèi)壁R弧處，深度在內(nèi)R弧頂表面，懷疑所檢測到的信號是內(nèi)R弧表面存在缺陷所致，但對該部位反復(fù)進(jìn)行磁粉和滲透檢測均無缺陷顯示，且用手沾油拍擊內(nèi)R弧相應(yīng)部位，回波無跳動。

圖5 斜探頭橫波檢測位置圖

為驗(yàn)證回波部位，改用56°（約K1.5）斜探頭掃查，同樣在圖5位置出現(xiàn)回波，回波深度變大；再改用68°（約K2.5）斜探頭掃查，也出現(xiàn)回波顯示，但其深度變小。后改換45°橫波探頭掃查，未見反射回波。所有斜探頭橫波檢測均以深度1∶1調(diào)節(jié)儀器。

4.2 綜合分析

通過對上述檢測結(jié)果的分析，初步判斷回波顯示非缺陷原因造成，而是輪廓界面顯示所致。理由如下：

（1）如是缺陷波，則缺陷位置是固定的，用不同K值探頭檢測，其缺陷深度不應(yīng)有明顯變化，變化的應(yīng)是探頭的位置。

（2）缺陷的回波幅度不會如此接近，且其應(yīng)按管嘴“馬鞍”型R弧全走向分布。

（3）計(jì)算幾種不同K值斜探頭的聲程及折射角度后，發(fā)現(xiàn)45°的聲程較短，折射角度小，且由于管嘴外表面的限制，聲波在最大聲程處只能到達(dá)內(nèi)R弧的下邊緣，因折射的原因，無反射回波。而其他幾種角度斜探頭的聲程較長，折射角度大，在管嘴外表面與45°探頭相同位置時(shí)，聲波的最大聲程處可達(dá)位于內(nèi)R弧頂部區(qū)域，可能會有一部分的聲波反射回來。

（4）為證實(shí)此推斷，對管嘴的剖面形狀及厚度尺寸進(jìn)行了測量，畫出了1∶1草圖。經(jīng)過對圖樣的作圖比較，證實(shí)了回波確由內(nèi)壁R弧頂部輪廓產(chǎn)生。

（5）在排除了非缺陷引起回波的同時(shí)，也說明了采用折射角不小于56°的橫波斜探頭的檢測效果不佳。主要體現(xiàn)在：折射角不小于56°斜探頭聲束擴(kuò)散過于明顯，導(dǎo)致經(jīng)過底面一次反射后，人工缺陷的回波能量低，信號不易辨認(rèn)；有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)反射信號，干擾缺陷信號的判別。

（6）原考慮采用60°斜探頭檢測管嘴內(nèi)壁R處的下部缺陷，但理論計(jì)算及作圖分析表明，采用折射角更小的35°斜探頭來增加管嘴近表面區(qū)域的檢測效果更好，且35°和45°斜探頭已經(jīng)能清晰地發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁R弧表面的人工缺陷信號，說明原K2斜探頭預(yù)計(jì)的檢測區(qū)域已經(jīng)得到了有效覆蓋。因此，無需再采用60°斜探頭進(jìn)行掃查。

5 結(jié)語

（1）通過試驗(yàn)，了解了熱擠壓管嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和聲學(xué)特性。

（2）再次證實(shí)超聲檢測中，并非所有形狀回波在用手拍擊受檢部位時(shí)都能產(chǎn)生跳動。例如，在用手拍擊管嘴內(nèi)R弧表面輪廓時(shí)，其回波基本不動。又例如：對于CSK－ⅠA試塊，當(dāng)聲束對準(zhǔn)R100圓弧時(shí)，用手拍擊該圓弧聲束位置，其回波也基本不動。（3）多次采用單一角度檢測，相對來講設(shè)備成本較低、使用靈活。如果采用相控陣檢測，可以利用扇掃的功能一次性實(shí)現(xiàn)對各不同角度、深度缺陷的掃查，實(shí)現(xiàn)檢測的全覆蓋，提高檢測效率，但對檢測出的非缺陷回波（輪廓界面顯示）仍需仔細(xì)分析、正確判斷缺陷回波信號。

［1］ 胡天明.超聲探傷［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1994.