碳精棒是一種非金屬材料,在電爐煉鋼中是一種重要的消耗材料。它的晶粒粗大,分子間隙較大,表面較粗糙。其常見缺陷是氣孔,夾渣和裂紋。本文從NDT方面來探討其檢測方法和探傷工藝。根據(jù)無損檢測的理論基礎(chǔ)可知:渦流探傷、磁粉探傷、滲透探傷均不適合對碳精棒進(jìn)行檢測,而使用X射線,因碳精主要成分是碳元素,它對X射線吸收系數(shù)極小,易產(chǎn)生康普頓散射,又因其晶粒粗,分子間隙大,缺陷在底片上的靈敏度極低,所以漏檢率很高,也不適合對其檢驗(yàn)。

根據(jù)碳精棒的特點(diǎn),從超聲波理論和石墨碳衰減的頻率特性曲線可知,只要解決了設(shè)備問題、超聲波在傳播過程中的衰減問題和超聲波探傷的耦合問題,使用超聲波檢測碳棒是完全可行的。

1設(shè)備及材料

● 100 50碳精棒

●CTS-25型非金屬超探儀

●探頭三種:50KC-28100KC-40250KC-40

●耦合方式:高致密度薄膜、機(jī)油、甘油

●環(huán)氧樹脂和乙二胺制作的延遲塊

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1延遲塊

因使用探頭直徑較大,材料曲率較大,探頭與棒材直接接觸面較小,聲能損失較多,易激發(fā)表面復(fù)型波,使用延遲塊可以大大縮減近場區(qū),使聲能較集中,同時避免變形波。如圖1。

50KC-28h=λ/2=29 mm

100KC-40h=λ/2=14.5 mm

250KC-40h=λ/2=5.8 mm

當(dāng)h=nλ/2時,超聲波的透過率最大。

2.2試塊制作

在工件無缺陷部位截取3～5節(jié)試棒,規(guī)格 50×70 mm,采用中間疏、周邊密集和1/5R間距原則,鉆 3×30 mm長橫孔,其鉆孔理論推導(dǎo)較繁,故本文不贅述(圖2),同時制作DAC曲線。

2.3聲速測定

利用CTS-25型時間讀數(shù)裝置,取一試樣 50×100 mm,用50KC-28探頭,測量超聲波通過試樣時間,并計(jì)算聲速(見表1)。

△T=T2-T1(1)

式中T1—兩探頭相接,超聲波不通過碳棒的時間

T2—兩探頭通過碳棒對接超聲波通過碳棒的時間

△T—超聲波在碳棒中傳播時間

C=L/△T(2)

式中C—聲速,m/s

L—試件長度,mm

2.4材料衰減系數(shù)α的測定

將發(fā)射和接收探頭對接,調(diào)節(jié)衰減器,使基準(zhǔn)為80%滿刻度,讀出dB1;再將兩探頭通過試棒,使接收波仍調(diào)到80%滿刻度,讀出dB2,然后計(jì)算出α如下(見表2):

α= (dB1 -dB2)/L(3)

式中α—超聲波在碳棒中傳播時的衰減系數(shù),dB/mm

dB1—兩探頭不通過碳棒對接的接受聲壓

dB2—兩探頭通過碳棒對接時的接受聲壓

L—碳棒長度,mm

2.5頻率及探頭選擇原則

根據(jù)石墨碳的頻率特性曲線(見圖3),最好用16-200 kHz頻率探頭,探頭尺寸大,通過材料的聲能也大,頻率高,擴(kuò)散角θ小,指向性好,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離小缺陷的能力高,但近場長度較長。本文所使用的三種探頭的α、β、θ、N計(jì)算如下(見表3):

N=D2/4λ(4)

式中N—近場區(qū)長度

D—探頭晶片直徑

λ—波長

θ= 29λ/D(5)

式中θ—半擴(kuò)散角

λ=C/f(6)

式中C—聲速

f—探頭振動頻率

sinα=d/2R(7)

式中α—入射角

R—探頭晶片半徑

sinβ= sinα×C碳/C環(huán)(8)

式中β—折射角

C環(huán)—超聲波在環(huán)氧樹脂中的聲速

C碳—碳棒中的聲速

2.6“孔深—聲壓”曲線制作

將兩探頭中心對準(zhǔn)試棒不同孔深同一直徑長橫孔,調(diào)節(jié)儀器,使接收的聲波為80%滿刻度,測量聲壓值(表4)。其孔深與聲壓曲線圖見圖4。

同理:可做不同的探頭,不同孔徑;或相同的孔徑,不同的探頭;或相同的探頭,不同的孔徑的孔深—聲壓曲線。

2.7“孔徑—聲壓曲線”制作

將兩探頭中心對準(zhǔn)同一深度位置不同孔徑的長橫孔測量其穿透聲壓調(diào)節(jié)儀器,使透過波聲壓為80%滿刻度,測量聲壓值(表5),并用坐標(biāo)表示出來(圖5)。

同理:可做不同探頭,不同孔位;或相同探頭,不同孔位;或不同探頭,相同孔位的“孔徑—聲壓”曲線。

3探傷工藝

根據(jù)檢測的碳棒的規(guī)格尺寸,選擇恰當(dāng)?shù)奶筋^,澆鑄相應(yīng)的延遲塊,調(diào)整好儀器的掃描線,選擇恰當(dāng)?shù)脑噳K,進(jìn)行穿透法超聲波探傷。同時,缺陷信號參照“孔深—聲壓曲線”、“孔徑—聲壓曲線”進(jìn)行定量比較。

4結(jié)論與應(yīng)用

通過上述理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在本文條件下利用50KC-28探頭能夠發(fā)現(xiàn) 1×30 mm的長橫孔,它與平底孔的當(dāng)量為: 長=π2× 4平/2λ2x即: 平=5 mm

采用100KC-40探頭,可發(fā)現(xiàn) 1.5×30 mm長橫孔,它與平底孔當(dāng)量為: 長=π2× 4平/2λ2x即: 平=4 mm

采用250KC-40探頭,可發(fā)現(xiàn) 2×30 mm長

橫孔,它與平底孔當(dāng)量為: 長=π2× 4平/2λ2x即: 平=3 mm

本方法采用一發(fā)一收穿透法探傷,無始脈沖展寬等因素的影響,且雜波少,對缺陷回波的分辨容易,不易產(chǎn)生誤判和漏判,為現(xiàn)場探傷人員提供了有利條件。

碳精棒是一種非金屬材料,廣泛應(yīng)用于煉鋼廠和電池生產(chǎn)廠,但是,目前尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其無損檢測方法和結(jié)論進(jìn)行規(guī)定,而是采用破壞性抽樣檢測,對材料是一個損失,結(jié)論也不夠準(zhǔn)確。通過上述實(shí)驗(yàn)和一些理論探討得出的結(jié)論在一些工廠中得到應(yīng)用,對碳精棒的質(zhì)量控制起到了一定的作用,但是,對它的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,本文只是起到一個拋磚引玉的作用。

5誤差分析

●由于探頭直徑大,聲速較寬,探傷靈敏度較低。

●表面狀態(tài)的不圓度以及耦合困難,造成超聲波入射界面上的聲能損失較大。

●延遲塊弧頂?shù)妮S線與上平面不平行,也是造成誤差的一個因素。

●工作人員操作時,因探頭相互未在正面中心,以及其它人為因素,也是造成誤差的原因之一。

摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)