中厚钢板的氢致延迟裂纹快速检测方法研究

2019-08-15武金明

中国金属通报 2019年7期

武金明

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴 214429）

氢致延迟裂纹是冷裂纹的一种，其主要是因为焊缝金属中氢含量、塑性储备及应力状态等综合因素作用下而产生的一种焊接裂纹。具有孕育期的冷裂纹称为延迟裂纹。这类裂纹具有潜伏期、缓慢扩展期和突然断裂期三个阶段。一般认为，潜伏期和缓慢扩展期与氢的聚集与扩散有关，所以又称氢致延迟裂纹。这类裂纹可能在焊后数小时、数天或更长时间内出现。中厚钢板容器容易出现这种裂纹[1]。

传统的中厚钢板的氢致延迟裂纹检测，是依靠经过训练的、专业的检验人员，以肉眼观察结合敲击辨声的方法开展[2]。中厚钢板的氢致延迟裂纹检测主要问题有以下几个方面，首先传统检测仅依靠人的视觉和听觉来观察数量庞大的中厚钢板，所以在裂纹检查时工作量大，需要相当数量的人力、物力。第二，即使是不考虑人力、物力条件，检测速度仍难以接受，所以检测需要大量的时间，消耗的时间多，效率低下。第三，受检查者个人的认知和主观因素影响，检测出的数据结果会有很大偏差，而且不同的检测人员基于不同的标准可能会导致不同的检测结果产生，检测准确率的不可控因素多，可靠性较差。第四，存在待检钢板离地较高，钢板厚重，会威胁到检验员人身安全，危险系数高。最后，价格方面，使用大量的人力、物力的结果必定会增加检测成本。所以，中厚钢板的氢致延迟裂纹快速检测方法的研究，将为人们的健康安全提供一定的技术保障，对于其安全稳定运行也具有重要的现实意义。

1 快速检测方法设计

针对上述问题对中厚钢板的氢致延迟裂纹检测进行研究，发现厚重钢板的氢致延迟裂纹自动检测系统的工作环境较复杂，外界环境对系统的干扰较大因此设计出了以超声波、雷达、激光及冲击回波相结合的方案。利用超声波的检测属于接触式的无损检测方法，是一种新型无损检测方法，其原理是通过产生超声波发射到钢板介质上，通过接收和测量反射波的相关数据，根据数据判断中厚钢板内部结构是否一致。这种检测方法的精度与选用的超声波工作频率相关，精度随工作频率的升高而升高。

雷达波是最近几年发展起来的一种高效浅层物理探测技术，其原理是高频电磁波的传播速度变化特性。雷达波由标准信号源振动产生，向钢板垂直表面方向发射电磁波。雷达波的传播满足波动理论，其速度与传播路径的材质有关，不同的材质介电常数不同，雷达波传播速度会产生差异。如果厚重钢板表面或内部有氢致延迟裂纹时，裂纹会改变该区域的介电常数，雷达波正常的传播路径改变，会有反射波和散射波产生，采样反射波信号的波形、传播速度等参数，通过分析检测厚重钢板的材质均匀性，发现裂纹。图 1 是雷达波在中厚钢板结构和各层反射的波形原理图。

图1 雷达波在中厚钢板结构和各层反射的波形原理图

激光作为一种特殊的光，具有色度单一、方向性好、相干性好和衍射性好的特点，是理想的光学检测手段。扫描器匀速、平稳的扫过钢板表面，钢板表面的反射光体现了其平滑程度，使用光接收器以特定角度接收反射光，如果钢板表面存在裂纹，接收到的反射光光线强度出现差异，通过定位这些光线强度差异的位置，即可发现钢板表面的裂纹[3]。因此激光扫面是检测钢板表面氢致延迟裂纹最直观的方法。

冲击回波是一种无损检测方法。基于机械应力波在固体介质中传播原理的[4]，当应力波遇到氢致延迟裂纹，由于波阻抗发生改变会产生反射。氢致延迟裂纹的多重反射会产生波动，通过探测这些波动的位置就可确定出现氢致延迟裂纹的位置。

2 快速检测方法迭代优化

为了实现安全、快速、低缺陷的氢致延迟裂纹检测，针对上文检测方法进行优化设计。

超声波检测法的超声波传播距离短，范围较小，不能检测钢板表面氢致延迟裂纹缺陷，并且需要有参考评定标准，结果检测不清晰，所以对操作人员的技术水平要求很高，因此限制了对中厚钢板的氢致延迟裂纹检测应用。针对该问题，建立了样本数据库，以直观的方式自动对比合格判据给出结果，简化操作流程与检测技术要求。

雷达波检测法只能目视判读，还是在定性层面上停留。其缺点是检测效率低，速度缓慢，并且外界干扰因素较多。为弥补这一缺点，需要将雷达波检测的结果量化、标准化，脱离经验的束缚。冲击回波检测法同样存在分辨率偏低，检测过程慢的缺点，并且对操作人员的经验要求高，操作人员必须通过长期的积累才能胜任。解决这一矛盾的方法是借助信息技术，建立不同厚度钢板的回声样本库，自动判别，为检测提供高效的自动化手段。激光检测法的设备体积一般偏大，需要定期维护保养，专用光学系统结构复杂[5]，外界因素干扰会影响光路的准直性，并且系统组成复杂，较为脆弱。针对该问题，采用光路防护方法保护激光源，充分利用激光检测的精确性和快速性特点，将激光检测法应用于大型钢板的检测中，“因地制宜，因材施法”。

3 中厚钢板的氢致延迟裂纹快速检测方法试验

经过对新型检测手段方法的优化升级改造，重新完善了中厚钢板的氢致延迟裂纹快速检测方法后，对比传统中厚钢板的氢致延迟裂纹检测方法进行了实验。其实验结果曲线如图 2 所示。

图2 传统检测方法与快速检测方法对比实验结果曲线

图 2 中虚线代表快速检测方法测量中厚钢板的氢致延迟裂纹数，实线代表传统方式检测的厚重钢板的氢致延迟裂纹数，横轴为被测量的厚重钢板个数，纵轴为以两种方法测量出的氢致延迟裂纹数。从图 2 中可以看出快速检测法测量出的裂纹明显多于传统模式下氢致延迟裂纹检测数，且在厚重钢板数量不断增加时，传统检测方法受到外界因素限制无法检测出更多的裂纹。综上所述快速检测法更能在实际操作中发挥作用，并且克服了传统检测方法的缺点，使厚重钢板的氢致延迟裂纹的检测更高效，准确率更高。