中厚板超声波测厚失真原因分析及防范措施

王　杰，杨公本，刘德红，张子义，张明国

（山东钢铁集团日照有限公司 炉卷项目部，山东 日照276800）

随着经济的发展，各种中厚钢板在锅炉、压力容器、海洋工程、核电、风电、军工、高层建筑、重型机械、模具制造等重大技术装备制造领域用量越来越多，并随着高层建筑、跨海桥梁、深海采油平台、大型水电站等基础建设的蓬勃兴起，对钢板的高强韧性、低屈强比、抗层状撕裂、易焊接、耐候、耐腐蚀等多样化的性能要求也越来越高。用户在强调钢板外观质量、力学性能的前提下，也十分关注钢板的内在质量，NDT探伤检验和评级已不仅仅限于容器板、锅炉板、Z向性能等标准规定的钢板，许多用户在验货时或加工使用前都已采用超声波测厚对钢板进行检测，从而对中厚板的内在质量控制提出了更高的要求。

1　超声波检验与测厚

超声波无损检测的原理是探头发射的超声波，通过耦合剂在工件中传播，遇到缺陷时反射回来被探头接收，根据反射回波在荧光屏上的位置和波幅高低判断缺陷的位置和大小。

超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。由于超声波测厚仪使用简便快速，近年来，用户普遍采用超声波测厚仪测量钢板厚度，并以此作为钢板厚度验收标准。

反射式超声波测厚仪测厚时，反射式数字显示超声波测厚仪只识别先接收到的第一个反射波，对于衍射后的回波、底波等不再考虑。直读型测厚仪只要捕捉到一个返回来的足够强的信号即进行计算，不会确认返回信号是否为真实的底波信号。

2　影响超声测厚因素分析

在中厚板超声波测厚失真的质量投诉中，主要表现为超声波测量数值与钢板的实际厚度相差较大，甚至仅为实际厚度的1/2。由于相关标准只明确钢板厚度的测量公差，没有明确测量工具的类型。通常产品出厂检验时使用板厚千分尺，而用户采用超声波测厚仪对钢板进行测厚。超声波测厚仪测厚会受到测量时工件表面状态、耦合情况以及钢板的内在质量状态等多种因素的影响和干扰。

2.1　影响测厚的外在因素

1）工件表面清理不彻底，会造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚至无法接收到回波信号。对于表面锈蚀、耦合效果极差的钢板，可通过砂、磨、挫等方法对表面进行处理，露出金属光泽，使探头与被检钢板通过耦合剂能达到很好的耦合效果。

2）钢板加工后的工件曲率半径太小，尤其是小直径管状或呈直角工件时，因常用探头表面为平面，与曲面接触为点接触或线接触，声强透射率低（耦合不好）。可选用专用探头（6 mm)，能较精确地测量管道等曲面材料。

3）被测钢板因存储不当，会造成背面出现明显的腐蚀现象，尤其是钢板与垫撑物之间会产生大量的腐蚀坑点。由于被测钢板另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。

4）检测面与底面不平行，声波遇到底面产生散射，探头无法接受到底波信号。

5）耦合剂用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差或耦合标志闪烁，无法测量。应根据使用情况选择合适的耦合剂种类。

6）探头接触面有一定磨损。常用测厚探头表面为丙烯树脂，长期使用会使其表面粗糙度增加，导致灵敏度下降，从而造成显示不准确。

2.2　影响测厚的内在因素

对厚钢板而言，影响测厚（探伤）的内在因素主要是钢板内部的缺陷，如：钢板的分层、裂纹、气泡、偏析、夹杂物和严重的组织不匀性、晶粒粗大等。超声波在其中穿过时会产生严重的散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波湮没，造成不显示。另外，当钢板冷成型加工后或是轧制后钢板内部有较大的残余应力，会对测厚时的声速有一定的影响，并使声波的传播方向产生偏离，由此也会造成测量偏差。

1）钢中夹杂物，由于钢液凝固过程中，O、S、N与钢液之间的平衡随着温度降低而移动，导致O、S、N的各种化合物的平衡常数相应增大，从而形成各种非金属化合物。除了个别情况下利用弥散强化分布的非金属化合物作为形核点（如AlN），或者钉扎质点（Nb、V、Ti的碳氮化物）以阻止晶粒长大之外，钢中非金属夹杂物通常被认为是有害的，如果夹杂物出现富集或呈现大型夹杂颗粒就会影响超声波的反射。

2）中心偏析，连铸坯的中心偏析是指钢液在凝固过程中，由于溶质元素在固液相中的再分配形成了铸坯化学成分的不均匀性，中心部位C、S、P含量明显高于其他部位［1］。中心偏析往往与中心疏松和缩孔相伴存在。钢中锰质量分数较高（1.2%以上）时，偏析和疏松会加剧，特别是Q345系列钢板，锰质量分数一般在1.30%～1.50%之间，形成偏析的趋势更明显。连铸坯在后续轧制过程中由于加热、变形及热处理等工艺手段运用不充分，未能使其缺陷得到较好的改变，而继续残留在钢板内部。

3）钢板的内裂纹，由于是在钢液凝固过程中产生的裂纹，也叫凝固裂纹。从结晶器下口拉出带液芯的铸坯，在弯曲、矫直和夹辊的压力作用下，于凝固前沿薄弱的固液界面上沿一次树枝晶或等轴晶界裂开，富集溶质元素的母液流入缝隙中，因此这种裂纹往往伴有偏析线，也称“偏析条纹”。产生原因是由于钢中S、P等元素含量高以及铸坯鼓肚等原因而形成的沿晶裂纹。这种裂纹在热加工过程中是不能被彻底消除。

4）钢板的带状组织，是指钢板内部中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。带状组织的存在使钢的组织不均匀。

5）混晶，是指钢材中存在的大小相差悬殊、粗细晶粒共存的组织形态，表现为金属基体内晶粒大小混杂，粗晶细晶混杂，细晶粒夹在粗晶粒之间，或表面为粗晶中心为细晶，也可能相反。异常粗大组织的声阻抗与钢板基体差异较大，会产生不同的反射和透射。

6）钢板的分层，一是在轧制过程中由于压下量不大疏松和缩孔没有焊合，或者是由于其内部被氧化而不能够被焊合而形成分层［2］；二是由于中心偏析和中心疏松明显的铸坯，氢气可被偏析和疏松捕集，夹杂物中也能存储一定的氢，当轧制时，缺陷部位被压缩，使缺陷部位饱和的氢对基体施加压力而产生局部应力，在冷却过程中相变的同时，H的溶解度下降，使得钢中其过饱和度不断增加，当压力大于基体强度时，会产生氢致裂纹，轧制成品后表现为内部分层。

3　测厚失真防范措施

避免钢板测厚通不过的措施主要从影响测厚的外部、内部和用户实际使用要求3方面着手，外部影响解决起来比较容易，只要在测试前对器材进行校验，处理好钢板的上下表面、保持探头的表面平滑，根据钢板所处的状态合理选用耦合剂或探头，确保探头与测试面实现无气隙的耦合，就能避免影响。而内在的影响因素则关系到钢板的冶金、轧制、热处理及加工制造时的诸多因素，也是影响钢板测厚（探伤）的最为重要的方面。

3.1　外部措施

1）对怀疑内部有组织严重不均匀或晶粒异常粗大的钢板测试，可选用频率较低的粗晶专用探头（2.5 MHz）。

2）当钢板内部存在缺陷（如夹杂、夹层等）时，显示值约为公称厚度的70%，此时可用超声波探伤仪进一步进行缺陷检测。

3）测厚探头接触面经常会有一定的滑动，长期使用会使其表面粗糙度增加。可选用500#砂纸打磨，使其平滑并保证平行度。如仍不稳定，则考虑更换探头。

4）当钢板加工成型后，成型钢板内侧有沉积物，当沉积物与钢板声阻抗相差不大时，测厚仪显示值为钢板厚度加沉积物厚度，这时需要清理内侧沉积物。

5）测量钢板前准确识别材料，选择合适声速。

3.2　改进钢板内部质量

3.2.1优化冶炼工艺

1）严格控制钢中夹杂物的含量、形态和分布以及裂纹、偏析、疏松等缺陷的程度。选择合适的精炼方式，采用全程保护浇注，降低钢中夹杂物含量。改变目前夹杂物单纯依靠后处理的控制策略，采用全流程控氧工艺实现超低氧冶炼：采用铁水“三脱”预处理工艺，实现高碳脱磷；用转炉高碳出钢工艺，降低转炉终点钢水氧含量；采用挡渣出钢、炉渣改质和沸腾出钢工艺，控制下渣量≤3 kg/t，渣中FeO+MnO≤5%；开发RH平衡脱碳工艺，控制加铝前CaO≤200×10-6；严格控制脱氧剂加入量和钢水成分，实现对夹杂物成分和形态的有效控制。

2）控制好浇注温度、拉坯速度、各段冷却温度，确保对弧精度和开口度，选用合适的保护渣，稳定结晶器液面；控制好铸坯的表面质量，连铸坯表面不得存在裂纹、夹渣及皮下气泡等缺陷。

3）控制好结晶器内腔尺寸和表面状态及冷却均匀性，连铸坯的外观形状、尺寸偏差应符合规定要求。

4）采用结晶器电磁制动及电磁搅拌技术，减弱铸流冲击，提高质量。

3.2.2优化轧制工艺

1）改善钢板内部缺陷：提高轧制温度，增加原子扩散能力；降低轧制速度，增加扩散时间；增大道次变形量，获得更强的压应力；加大辊径，增加接触弧长和压应力作用区。

2）确保变形渗透轧制的道次在轧制规程中合理安排。连铸坯中心区附近存在的气孔、微裂纹等铸造缺陷，在足够的压缩变形率和压应力条件下，有些缺陷可被压合，反之，在拉应力作用下裂纹会扩展而导致探伤不合格。研究表明［3］，在板材轧制过程中，如果动态几何参数满足L/hm＞0.518（其中L为接触弧，hm为变形区平均高度），则轧制中心缺陷将区域压合。针对厚规格钢板经常遇到的探伤不合格问题，要把L/hm＞0.518作为优化轧制规程的判据，如果参数L/hm＞0.518，则该道次轧制将使坯料中心气孔等缺陷趋于压合，否则将使上述缺陷形成的中心裂纹扩展［3］。

3）确保钢板尤其是厚钢板轧制压缩比的要求。生产统计表明,采用同样厚度的铸坯原料生产不同厚度的钢板时,随着钢板厚度的增加,压缩比减小,探伤合格率也明显下降。不同钢种、不同用途的产品对压缩比的要求不一样，一般结构钢中厚板的压缩比要＞3～5。

4）对一些成分复杂、合金含量高的厚钢板轧后必须进行缓冷处理，主要是防止钢板表面和中心的温度差引起裂纹，使轧制组织均匀化，脱除钢板中的氢，防止针状铁素体的存在影响探伤检查等。

5）要针对钢板的用途和交货状态合理制定后续热处理工艺，提高钢板组织的“连续性、均匀性、一致性”，消除钢板的内应力，减弱带状组织等不良组织形态的影响。

3.3　用户订货时要明确技术要求

统计某钢厂近年发生的Q345R容器板超声波测厚数据异常的质量投诉，发现投诉用户订购的钢板均为非探伤要求板。而用户订购的保探伤Q345R板订单中，则没有出现超声波测厚异常的质量投诉。大量统计数据表明，用户若订购保探伤钢板，基本可以避免超声波测厚异常的情况，而部分客户为了降低采购成本，不订购保探伤钢板，导致钢板超声波测厚异常的质量投诉频发，既影响了用户对钢板的使用和工程工期，也给双方带来不必要的经济损失。

4　测厚通不过钢板的超声探伤确认

标准JB/T 4730.3—2005和GB/T 2970—2004规定了各级别钢板允许存在的缺陷指示长度、指示面积和缺陷面积比例，还规定了单个缺陷指示面积不计的情况。由于标准中允许钢板存在上述缺陷，使用测厚仪检测厚度时，难免产生测量不准现象。当出现超声波测厚不透时，不能作为判断钢板缺陷超标的依据，应增加测定点，扩大检测面积，有疑问时用超声波探伤仪查明钢板内部缺陷分布情况和尺寸及母材表面的倾斜度。重点放在两个方面：

1）倾斜度，特别是靠近焊缝附近的倾斜度。与母材表面的夹角超过10°时，会危及使用安全（美国ASME中作了此规定）。当夹层处于坡口处，焊接时会产生裂纹，危害也会更大，国内已有此类事例教训。

2）靠近坡口两侧50 mm范围内应重点进行超声波探伤，长形夹层应严加控制。

5　结　论

超声波测厚仪由于使用简便、快捷，已成为用户测量钢板厚度的主要工具，然而超声测厚是一种透射式测厚，虽能快速测量厚度，却易受测定条件、钢板内在质量以及其他因素综合影响的干扰，并不能作为评价钢板内在质量的规范手段。钢厂一方面应强化生产流程控制，提高钢板内在质量；另一方面应加强与用户沟通，消除用户在超声波测厚方面的误解，同时充分辨识用户真实需求，制定合理的质量控制和工艺规程，满足用户对钢板内在质量的特殊需求。