劉　翔

在役回轉窯托輪表面波檢測裂紋深度的判定
Judgem ento fWave De tec tion for Crack Dep tho fRiding Whee lSurfa ceo fRo ta ry Kiln in Se rvice

劉翔

超聲表面波能有效檢測出托輪的表面裂紋，但由于其裂紋很淺且目前的超聲波儀器無法對裂紋的深度進行直接讀數(shù)，因此托輪表面裂紋深度的判定一直是困擾檢測工作者的難題。通過計算得出表面波檢測中的裂紋深度當量d和回波分貝差△的關系曲線，并將其應用在現(xiàn)場在役回轉窯托輪檢測中，取得了良好的效果。

托輪；表面檢測波；裂紋深度；粗糙度

托輪是回轉窯的核心部件，在工作中受到各種循環(huán)應力的作用，如扭轉、剪力、接觸應力和熱應力等，表面極易產(chǎn)生各種熱疲勞裂紋，這些熱裂紋是一種危險缺陷，依據(jù)GB/T23904-2009標準規(guī)定，必須對其進行打磨清除，否則極易發(fā)生掉肉事故。

1　表面波的傳播和聲速

表面波又稱瑞利波，它對表面裂紋類缺陷的檢出率很高，因此常常被用來檢測托輪的表面及近表面缺陷。表面波在傳播時，介質(zhì)表面層的質(zhì)點運動狀態(tài)具有縱波和橫波質(zhì)點運動的綜合特性，它所激發(fā)的質(zhì)點運動軌跡為橢圓形，可分解為垂直于表面（長軸）和平行于傳播方向（短軸）的兩個方向的運動，在與傳播方向垂直的平面內(nèi)無質(zhì)點位移，如圖1所示。

圖1　表面波傳播示意圖

表面波的傳播速度為：

式中：

CR——表面波聲速

σ——介質(zhì)泊松比

G——介質(zhì)的切變彈性模量

ρ——介質(zhì)密度

CS——橫波聲速

表面波在傳播過程中容易受到油、粗度、圓柱率的影響。因此，必須對待測的托輪進行清洗并達到GB/ T23904-2009標準的要求才能檢測。此外，筆者在現(xiàn)場檢測過程中發(fā)現(xiàn)，在表面波檢測過程中時常會遇到因為重復頻率過高而產(chǎn)生的“幻想波”，該波能夠通過降低重復頻率來消除。

2　表面裂紋深度與增益值關系的計算

理論分析與實踐證明，在表面波探傷中，可以以工件本身的直角棱邊反射波為基礎作適當增益，即可以對托輪進行檢查，此時的直角棱邊可以看作無限長和無限深的裂紋。對于鋼材，直角棱邊反射波的波高和有限長度、有限深度裂紋反射波的波高之比，以及相同長度、不同深度裂紋反射波的波高與裂紋反射波的波高之比，可由式（2）表示：

式中：

HB——直角棱邊反射波高

Hf——所測裂紋反射波高

L——欲探測的最小裂紋

n——欲探測的最小裂紋深度d與波長λ之比，即n=d/λ

x——為反射波至聲源的距離

λ——波長

a、b′、c——與介質(zhì)彈性性質(zhì)有關，決定于泊松比σ的常數(shù)，可利用彈性力學相關知識求得

z——觀察點距表面的深度

△——直角棱邊反射回波與所測裂紋反射回波分貝差

對于鋼，σ=0.29，利用彈性力學相關知識可以求得：a=5.429，b′=1.750，c=2.376。經(jīng)過試驗對比，選用f= 2.5MHz表面波探頭，其中λ=1.16mm，d=0.2，L=6.5mm，探測距離取x=100mm。利用式（2），選取不同的裂紋深度d值計算出其相應的HB/Hf，然后利用式（3）計算出其相應的回波分貝差△值，結果列于表1中，并得出相應的回波分貝差△與裂紋深度d的關系模擬曲線，見圖2。

表1　不同的裂紋深度值d對應的回波分貝差△及其實測值

圖2　裂紋深度d與△值關系的模擬曲線

為了驗證結果，現(xiàn)分別制作深度為0.5mm、0.7mm、1.0mm和2mm，長度為6.5mm的溝槽試塊，試塊長200mm，寬為50mm。首先以試塊的邊緣為基準，在距離邊緣100mm處調(diào)整最高波為80%，并記錄增益值為HB1；其次分別在距離溝槽100mm處調(diào)整最高波至80%，并記錄此時的增益值為HB2；最后將不同深度所對應的△實測= HB2-HB1記錄于表中。結果發(fā)現(xiàn)，該值比計算值＜2～3dB，可能是由于溝槽的發(fā)射率比裂紋的發(fā)射率小的緣故。

3　檢測靈敏度調(diào)整方法

檢測時，首先以工件本身的直角棱邊為基礎，表面波方向垂直于端面，使端面反射波最高波達到屏幕的80%，并記錄該HB1值，然后根據(jù)需要，按照圖2增益相應的△值，即完成靈敏度的調(diào)整。調(diào)整好靈敏度后，若探傷發(fā)現(xiàn)有缺陷信號，首先移動探頭，使缺陷反射波位于探頭前沿100mm，調(diào)整衰減器使缺陷波峰降到滿屏的80%，記錄此時HB2的讀數(shù)，最后根據(jù)HB2-HB1的值即可在圖2中查得裂紋的深度d，此時的裂紋深度相當于長度為6.5mm裂紋的深度。

4　結論

（1）托輪表面粗度對表面波檢測靈敏度的影響最大，實際檢測中最好對不同粗糙度的托輪進行靈敏度校驗。

（2）GB/T23904-2009標準中的表面波檢測靈敏度相當于檢測當量為長L=6.5mm，深d=1mm的裂紋靈敏度。

TQ172.622.29

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