超高压水晶釜横波周向探伤探头声场特性与缺陷定位探讨

　　超高压水晶釜是用于人工晶体生长的高温超高压容器,以国内目前最为常见的GYF2I2B2250型水晶釜而言,其设计压力为151 MPa,材料为PCrNi3MoVA(708),最高工作压力为137 MPa,屈服极限720~800 MPa,设计温度400℃,强度极限800~875 MPa,最高工作温度380℃,屈强比1.1,外径436 mm,内径250 mm,壁厚93 mm,介质为1~1.25 N NaOH溶液。

　　由于在高温高压碱液环境中工作,并因其釜体两端存在台阶等几何不连续区,容易产生危险的应力集中区域,从而在内表面产生裂纹。裂纹一旦产生,因其材料为屈强比接近于1的高强钢,裂纹扩展速率很快。根据TSG R0002—2005《超高压容器安全监察规程》规定需对其进行定期检验。

　　由于超高压水晶釜结构原因,难以对其内表面进行外观检查及磁粉探伤,因此,从外壁进行超声波检测是目前主要采用的检测手段。由于横波波长短,分辨率高,因此为发现细小缺陷,在几何尺寸允许时,应尽量采用横波探伤。不少文献均对曲率大、内外径比小的厚壁超高压筒形锻件的周向超声波检测进行了探讨,也提出不少观点。下面通过对超高压釜体采用横波探伤时探头声场的测定分析,探讨声场特性和声波传播机理,结合实际提出缺陷定位的方法。

　　1　超高压水晶釜超声波检测特点

　　由于超高压水晶釜为厚壁圆筒结构,内外径之比r/R=0.572<0.8,不符合JB 4730—1994《压力容器无损检测》标准对内外径之比(>0.8)的要求,要使一次横波扫查到内壁(图1),横波折射角β应满足sinβ≤r/R,则β≤β1=34.98°(β1=arcsinr/R),同时由于Snell定律,要满足纯横波探伤,采用有机玻璃做斜楔的斜探头探测钢时,第一临界角为α=27.6°,此时所对应的钢中横波折射角为β2=33. 2°,即要求β1≤β≤β2,如β=33.2°,声压往复透射率很低,不利于厚壁工件的探伤;如β=34.98°,横波声束与曲底面相切,会产生表面波,使得声程偏差急剧增大,不利于缺陷的定位。为此通常探头横波折射角度取33.6~34.3°,根据文献[1],此时探头会在工件表面产生表面波,内部产生头波等波形,从而使探头声场发生变化。在探头折射角度测定时会发现声束有两个高点,可以称之为A,B波。

　　2　超高压水晶釜检测用横波探头参数

　　探头为2.5Z13×13,β=34°(入射角28.2°);仪器为汉威HS600数字仪;试块为CSK2ⅠA/ⅢA,半圆试块和超高压水晶釜专用试块,下面对各试块上的参数测定方法进行介绍:

　　(1)在CSK2ⅠA试块上测得探头前沿L=14.5 mm,零点7.81μs。

　　(2)在CSK2ⅢA试块不同孔深上测定折射角度,结果见表1。

　　从表1可看出,在60~110 mm深度范围内,对应深度不同的孔,声束有A,B两个高点,对应的波幅和折射角度均不同,探头产生了A,B两个波。