在用法兰颈部非金属夹渣的超声检测

谢宝奎，王　凡，闫世春，孙远东，邵玉萍,黎　鑫，王文华

(1.中国兵器工业集团第五二研究所， 包头 014034；2.内蒙古第一电力建设工程有限公司， 包头 014030)



在用法兰颈部非金属夹渣的超声检测

谢宝奎1，王凡1，闫世春1，孙远东1，邵玉萍1,黎鑫1，王文华2

(1.中国兵器工业集团第五二研究所， 包头 014034；2.内蒙古第一电力建设工程有限公司， 包头 014030)

摘要：针对在用法兰颈部非金属夹渣物的组织特点，设计并自制了专业对比试块及非常规斜探头对法兰颈部进行检测，制定了检测方案，快速、准确及有效地完成了对法兰颈部非金属夹渣物的超声波检测。检测精度满足要求，检测结果误差在允许范围内。

关键词：法兰；超声波检测；非金属夹渣

某公司生产线上的法兰在使用中法兰颈部开裂(如图1所示)。通过分析,其失效原因为：基体金属中存在尺寸较大的非金属夹渣物——冶金缺陷，该缺陷与锻件流线方向平行，缺陷组织存在整体不均匀性(如图2所示)。非金属夹渣物的存在使得法兰在应力集中程度较大的部位发生脆性开裂。为了保证生产线上其他法兰的可靠性，笔者对生产线上所有法兰颈部进行了超声波检测,制定了检测方案,快速、准确及有效地完成了对法兰颈部非金属夹渣的检测。

图1　法兰裂纹示意

图2　非金属夹渣物金相照片

1法兰的超声波检测原理

法兰是锻件。锻件中的缺陷具有一定的方向性，超声波检测时一般选用纵波直探头。

现法兰锻件中缺陷的相变和锻件的组织应力流线平行，即锻件主要缺陷和A面平行(如图3所示)，因此检测方向应和相变应力流线垂直。由图3可看出直探头检测时，超声声束与流线方向成一定角度，检测人员不能准确定位缺陷。因此，为了准确定位缺陷，综合各方面情况采用横波斜探头进行检测(如图4所示)。

图3　直探头检测示意

图4　斜探头检测示意

图5　对比试块实物及CAD图

2检测方案

2.1对比试块

为了保证检测结果的准确性、可重复性和可比性，采用与法兰相同形状、热处理状态、表面状态的材料,加工带有不同孔径平底孔的对比试块(共2块，如图5(a)所示)。

α为法兰颈部与法兰盘上表面夹角(如图5(b)所示)，α=145°。人工缺陷尺寸见表1(φ1,φ2,φ3为平底孔孔径)。

表1　人工缺陷尺寸

2.2探头的选择

采用常规的CST-9009便携式超声波探伤仪，超声波横波接触法进行检测，选择斜探头(如图6所示)。由于超声的衰减随探头频率的增加而快速增加，而较低频率探头的发射功率也较小，同时考虑工件检测位置及近场区的影响。近场区的计算公式为[1]：

(1)

(2)

式中：N为近场区长度，mm；a为晶片长度，mm；b为晶片宽度，mm；λ为波长，mm；α为纵波入射角，(°)；β为横波折射角，(°)；c为声速，钢中为3 230 m·s-1；f为频率，MHz。

根据式(1)和(2),并综合以上分析，选择探头频率为2.5 MHz。

图6　斜探头结构

图7　横波检测缺陷位置的判定方法

图7为横波检测缺陷位置的判定方法，选取斜探头的折射角β为35°，斜探头k为0.7。

晶片尺寸主要依据近场区来确定，由式(1)可知，在其他参数一定的情况下，晶片尺寸越大近场区越大。在近场区检测容易引起误判甚至漏检，因此应尽可能避免在近场区检测。所以，以颈部的中线为分界线(如图5所示)，在中部以上选用斜探头的晶片尺寸为8 mm×12 mm，在中部以下选用斜探头的晶片尺寸为8 mm×9 mm。

2.3探头的制作

现在常用斜探头的k值为1,1.5,2,2.5,3；k为0.7的斜探头很少用甚至不用，在市场上也很难买到。采用2.5 MHz,8 mm×12 mm,与2.5 MHz,8 mm×9 mm,k为1的斜探头组合自制k为0.7的斜探头。通过打磨探头的有机玻璃来制作k为0.7的斜探头，打磨流程如图8所示。

图8探头打磨流程

制作过程中，用标准的CSK-IA试块来测量斜探头的k值，经过检测人员的打磨并反复测量，通过一天的时间两种探头各制作了五个，并用对比试块进行检验，所制探头完全满足检测要求。

3检测结果

按照已经确定的检测方案对24个在役锻造法兰进行了检测，发现1,3,4,5,8,10～15,17～19,22～23号法兰未见超标缺陷波形显示,是可用的;2,6～7,9,16,20,21,24号法兰存在超标缺陷波形显示,需要更换。

对更换的8个法兰，按同一检测工艺进行检测，未见超标缺陷波形显示，可以使用。采用该检测方案，完成了对所有在役锻造法兰颈部的超声波检测。

4结论

(1) 在理论结合实际的基础上,采用自制的非常规斜探头快速、准确、有效地完成了对法兰颈部的检测。

(2) 用常规的仪器辅以特殊的探头解决了实际生产中问题，制定的检测方案花费少，耗时短，成本低，效益高。对同类问题的解决具有指导意义。

参考文献：

Ultrasonic Testing of Nonmetal Slag Inclusion Property in Flange Neck in Use

XIE Bao-kui1, WANG Fan1, YAN Shi-chun1, SUN Yuan-dong1, SHAO Yu-ping1, LI Xin1, WANG Wen-hua2

(1.No.52 Institute of China Ordnance Industry, Baotou 014034, China;2.Inner Mongolia No.1 Power Construction Engineering Co., Ltd., Baotou 014030, China)

Abstract：Aiming at the streamline direction and the organization characteristic of nonmetal slag inclusion in the flange neck in use, the ultrasonic testing of nonmetal slag inclusion in the flange neck was performed by using homemade professional comparison test block and unconventional oblique probe, enabling the special detecting scheme to be completed quickly, accurately and effectively. The detection precision meets the requirements, the detection results of the error is in the allowable range. Testing has a guiding significance to the similar problem.

Key words:Flange; Ultrasonic testing; Nonmetal slag

中图分类号：TG115.28

文献标志码：B

文章编号：1000-6656(2016)01-0066-03

DOI:10.11973/wsjc201601018

作者简介：谢宝奎(1980-)，男，硕士，工程师,主要从事压力容器与钢结构无损检测工艺与无损评价研究。

收稿日期：2015-05-28