黄建明实战案例专栏 | 【案列10】超声波二次声程可靠吗?

文章来源:微信公众号:航空无损检测
10 超声波二次声程可靠吗

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我们必须严格遵守执行已确定的检测程序,来不得一点含糊,更不能抱有任何侥幸的想法,否则后悔莫及铸成大错



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本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例10


超声波探伤用斜探头探伤时,我们常常用到一次声程和二次声程,或者叫半声程和全声程,也有叫半跨距和全跨距(half skip and Full skip)。


在检测平板时,若上下表面状况良好同时材质透声性能很好时,无论是一次声程还是二次声程都是可行的。


实际上我们在超声波检测焊缝时,用来检测焊缝和计算缺陷位置是很准确的。


但是,我想在此用两个真实的案例告诉大家二次声程有时候是不可靠的


2002年10月23日下午19:20分,一艘从香港前往澳门的喷射飞翔船(turbojet),在距离澳门码头2哩(约3公里)行驶中突然坠下,造成29名乖客和7名机组人员受伤,船体左侧严重损坏。


所幸的是当时的船只接近码头,已经大大地减慢了速度,如果是在全高速行驶时发生断裂,很有可能整个船打斤斗和快速沉入大海之中,后果不堪设想。


(喷射飞翔船资料图,与内容无关)


事后海事处调查意外原因分析,船头用来控制船行走方向的前翼舵柱断裂,它叫「king post大皇柱」,其结构是外径约300mm壁厚37mm的空芯圆柱体(空芯轴),(见图6箭头所指)因为有金属疲劳引起断裂。(见图2)


(图2 空芯轴断口)

(图 6 高速行驶中的喷射飞翔船)


为了防止其他同类型的船只出现相同的事故,香港海事处要求船厂将其他近20艘同类型的船只全部要求检测。


我们受船厂委托前往进行检测。当我到达现场后仔细观察断口形状和位置,再详细分析这空芯轴的结构后,我们很快商议出一套全面检测的方案。


我们要求船厂拆除空芯轴上部端口,船厂方面当然是希望我们做检测时,最好不拆或者少拆的情况下检测,这样可以减少他们的工作量,所以船厂的老总是不高兴我们的拆卸要求,但是我坚持要求最低限度把空芯轴的上端口拆开,方便我们将一个特别设计的探头伸入到空芯轴内,对应轴外表面有裂纹的位置进行超声波检测。(见图5)


(图 5 特别设计的探头支架  )


从断口上可以看到疲劳裂纹的源头在12点时钟位置,而且是从轴外径表面开始向内和向下两旁扩展的,最后在6点时钟位置断开。


出现裂纹的位置,贴紧在靠近翼柱外壳轴套的边缘(图1 箭头所指位置),无法完全用肉眼看到,也无法用磁粉和渗透方法检测,只能用超声波方法了,而且只能从一侧检测


(图1空芯轴断裂的位置)


裂纹的源头从外径表面的一个台阶位开始的,此处由于机加工时的倒角太尖锐形成应力集中而产生裂纹。


受制结构的形状局限,表面和近表面的裂纹即使用超声波一次声程大角度70˚扫查也难以靠近,所以难免漏检小和浅的表面裂纹,只好利用二次声程


我们也知道对于裂纹这类缺陷用45˚横波斜探头效果最好,而且二次声程其跨距最短声程损耗最少,我们在检测厚板时都是利用45˚探头作二次声程扫描,所以我们选择用4MHz 8x9mm 45˚横波斜探头。


但是,对于管状和厚壁的筒体(管子),特别小外径大厚壁时就不一定可靠了,从缺陷反射回来的回波能量几乎是没有的了。


为什么会这样呢让我来慢动作形容下声波的传播过程大家就会明白。有三个主要原因:


1.首先是一次声程的声束通过耦合剂直接从管外表面射向管内壁,声束在到达管内壁的凸形弧面时大多数声能都立即扩散了,只有一少部分可以反弹起来向上继续前往管外壁,若有裂纹,在撞到裂纹后反射回来时又要经过管内壁的凸形弧面,这时反射回来的声能同样又要扩散大部能量,所以真正能返回到探头接收的声波能量是很少的了。


很多超声波的教科书都有讲过这些原理的,例如:《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训超声检测教材》中就有讲解,并且有公式解释这个问题,请参看第42页至第43页。空心圆柱体如图3所示,直探头沿径向检测大直径空心圆柱体有两种可能,即探头置于外圆周或置于内壁。


斜探更明显,从如果从管内向外扫查反而聚焦(聚束)作用,会得到更多更强的回波,所以我采用从管内壁向管外壁一次声程扫描


当探头置于外圆周,且圆柱体壁厚X>3N,则圆柱体内壁的反射声压为:


P=PO S/2λx(d/D)½  


式中:d=空心圆柱体内径;D=空心圆柱体外径;S=声源的面积。


当探头置于圆柱体内壁,则圆柱体外壁的反射声压为:

P=PO S/2λx(D/d)½


比较上述公式,可以看出,探头置于外壁时,底面回波声压小于大平底反射声压,因声波入射至凸面使反射声波发散;


探头置于内壁时,底面回波声压大于大平底反射声压,因为波入射至凹面使反射声波汇聚。


2.如果管内壁表面有严重的生锈,形成很多腐蚀斑点和凹陷,反弹效果就更差,使得本来已经很少的反射能量更少;


3.管内壁有其他液体物质时或电镀层时,部分声能还可能被液体和电镀物质给吸收掉。


常见的是镀锌加油漆层,如果底面不先除去镀锌层,二次声程的反射回波有时候是无法跳起来的,就像姚明打篮球把球打在泥滩上,篮球能跳起来吗?


(图3 空心圆柱体的反射)


以上三种情况最终有可能得不到由裂纹反射回来的回波造成漏检。


所以只有用一次声程直接扫查才有可靠的保证。我就特别设计了一个探头支架,用一根长度约1.5米的不锈钢管插在一块尼龙板上,这尼龙板块的一侧中心位置镶嵌上一个8x9mm的45˚横波斜探头,并且将探头和尼龙块磨成与被检测管内径一样的弧面以保证探头全接触工件,在对应的另一侧装置一个可压缩弹簧有弹性的圆棒,以保证探头在前后移动扫描过程中有稳定的接触。


操作过程是这样的,先在管内径预扫描的位置均匀地涂抹上黄油(grease),再把探头支架上的弹性圆棒按下塞入管内,推入到预检测的位置(约1.3米左右)然后慢慢地前后扫查,并且逐渐地旋转探头至整圈扫查


特别要提的是一定要做两次,第一次将探头向前方镶嵌在尼龙块上向前扫查,第二次将探头反方向镶嵌在尼龙块上向后扫查,这样做的目的是对应台阶处的裂纹,向前扫描是对靠外侧的裂纹,向后拉回是对靠里面的台阶裂纹(见图7和8,9),防止裂纹与台阶的端角信号混淆不清。


(图 7 从内壁向前扫查(声波聚焦)  )

(图 8 从内壁向后扫查(声波聚焦))

(图 9 从外壁扫查(声波扩散) )


这条空芯轴的材料是导磁性的不锈钢,透声性能很好,我们的灵敏度试块用的是40mm板厚的同样材料1mm深的锯槽,设置回波高度80%FSH,然后加6dB进行扫查


把这些都写进我们的扫描程序中。


船厂在接受我的建议并把我们的检测扫描程序交海事处审批后,再根据船期上排维修的时间,每月有一至两艘船拆卸后让我们进行检测,做了半年多一直都相安无事没有发现任何裂纹。


(图 10 现场检测中)


一次我的同事检测回来后,我问他有没有发现裂纹,他说跟以前一样没有问题,我又问他是否有从管内径向外扫查,他说:“没有。”


我问他为什么不从管内扫查,他说:“你设计的探头支架太大了无法放不进去,所以没有从管内向外扫查”。


听他这样一说,我立即再问他这条轴的具体尺寸是多少,他把检测报告给我看,原来这一条轴与其他所有的轴尺寸不一样,外径是一样而壁厚由以前的37mm变成77mm,也就是说内径变小了很多,难怪他无法将探头支架塞入管内扫查。


我们公司有机加工车间,我马上按他描述的尺寸做了一个短的弹性圆柱棒装在探头支架上,吩咐他明天再去做一次。


这位经验丰富从事超声波检测工作有40多年老同事一脸疑惑地看着我说:“然道你不相信我吗? 我已经按试块上1mm锯槽的二次反射回波80%FSH再加了20dB,如果有裂纹也应该看到啊!再说这条轴壁厚大过其他轴一倍有多,薄壁管的都没事,这么粗怎么可能有事,不可能有裂纹”。


他肯定是不想再去检测的,因为昨天他在现场已经告诉人家没有问题,今天却又再来检测,怎么解释呢?


我不客气地坚决地说:“一定要再去检测一次!我明天早上有其他事要做,要不然我亲自去。我不是不相信您,这是原则问题,之前我们与船厂以及海事处协商好的扫描程序就必须严格执行。”


二天我安排另一个同事开车带他去船厂,他们照我的办法从管内向外扫查,把探头支架往里面一推就立即看到裂纹回波了。


他们感到很惊讶!立即打电话告诉我发现裂纹,我在做完其他项目后赶到船厂,看着他再演示一次给我看,清楚可见裂纹的回波,而且是一个很大的裂纹。(见图3-1)


(图 3-1 裂纹回波清晰可见 )


当时我心里都一怔!


幸亏及时地再做一次否则后果不堪设想,人家明知有问题,才要你检测的你却漏检,如果将来船出了事故,肯定会出现生命财产损失,我们的公司也会名誉扫地,在香港很有可能被人告到您公司倒闭和坐牢啊!真的是赔不起!


船厂在得到我们的正式报告后,将这条轴完全拆开后用磁粉和渗透再做一次裂纹清楚可见。(见图4)


(图4 拆开后用渗透可见裂纹)


第二个案例是我有个同事在检测一个T型焊缝时,他用斜探头扫查焊缝探头向前推顶住焊缝边缘时发现有一个较大的缺陷回波,无法用一次声程确定最高反射回波来测定缺陷的准确位置,很自然地后退探头利用二次声程来扫查,却无法得到回波或者很小的回波,他心里在想明明是有一个大缺陷,为什么利用二次声程扫查时却得不到应该看到的缺陷回波呢?很是纳闷。(见图11)


(图11 下表面的热浸锌和油漆涂层把声波给吸住了)


打电话给我问是什么原因?


我详细问,他的被检工件状况。他告诉我说这个工件是一个工字钢焊接另一个工字钢的翼板上形成一个T型对接焊缝,而且之前是做过热浸锌和喷漆的,工字钢厚度约7/8”英吋,他按正常平板探伤一样,只在一个探测面上打磨约1个半最大跨距探头的要求,除去工件表面的所有涂层后进行探伤。


听他这么一说我知道什么原因了,我叫他把焊缝上下两个面的涂层都打磨掉再试试看。


很快他打电话回答告诉我,二次声程回波马上跳起来了,缺陷回波在探头前后移动时清晰可见,很容易找出缺陷的最高反射回波了


这是为什么呢?


我们在学习超声波声阻抗理论课时就有解释这个原理,声波在垂直入射到平界面时有反射和穿透两部。


它们的大小与他们的声阻抗值有关系,当两介质的阻抗值差异大时反差越大,例如:钢与空气,它们的声阻抗相差几乎百分比百,所以当声波入射到工件表面接触空气时是全反射的。


但是,如果是其他材料声阻抗远比空气大时,声波就不是全反射了,有部分声波能量会穿透而过,理论上当两种材料声阻抗一样时只有穿透没有反射。


也可以解释为什么超声波在检测致密性缺陷(裂纹)时会漏检的原因,所以电厂的主蒸汽管道焊缝为什么要在热处理前后做两次探伤,因为材料的声阻抗一样,当有强压应力时致密缺陷超声波是穿透的,是得不到反射回波的,只有在消除应力后缺陷弹开一个间隙,才能让超声波有效的检测出来。


热浸锌的阻抗(密度)肯定远大于空气,当超声波入射到焊缝下表面的热浸锌层时,声波就不是全反射了,肯定有部穿透到热浸针锌层,这样的结果是得不到我们想要的反射回波了或者小了很多。只有把上下表面涂层全部除去超声波才能有效地检测。


其实探伤时只要有液体和其他紧贴在工件下表面的物质都会造成反射回波下降,我们在探伤时必须先清除这些障碍物,否则我们会失误。


我的同事很高兴,在现场解剖出来的缺陷果然准确无误得到客户的赞许。


这两个案例告诉我们,超声波在检测管状和下表面有其他紧贴的物质或者液体的工件时,二次声程是不可靠的。


各位同仁必须小心谨慎,我们在电厂检测管道对接焊缝时焊缝表面的加强高是必须打磨平的,而且全部使用一次声程。


在做管道检测时,如果一定要用到二次声程时,你必须先肯定下是否有效?


特别是做TKY焊缝时,用平板做的DAC曲线,当声程进入二次声程范围时你的DAC曲线不一定有效,明明超标的缺陷你可能看到的回波很小或者没有。再被第三方的老外来抽查时发现你漏检,到时你真是水洗不清了。


两个案例同时也告诉我们必须严格遵守执行已确定的检测程序,来不得一点含糊,更不能抱有任何侥幸的想法,否则后悔莫及铸成大错。


想想看如果我们没有将这个裂纹检测出来,当喷射飞翔船在高速行驶中突然断裂,整个船打斤斗沉入海中,全船200多人的生命…。


如果更不幸的是我自己也坐上这船上,想想都心寒。(各位看到这里有何感想?)


注:喷射飞翔船(turbojet)是世界上最高速的军用转商用船舶,由美国波音公司为美军制造的快速战艇,用于突袭作战用途。最高时速每小时80公里,船体是靠潜在水下的翼板托着离开水面飞行的。








关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 



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