收稿日期:2001-04-25作者简介:许遵言(1956-),男,高级工程师,1982年毕业于上海科技大学物理系,长期从事无损检测工作,发表论文10余篇。

文章编号:　CN31-1508(2002)03-0017-04不锈钢及镍基堆焊层厚度测量

许遵言,　张　俭(上海锅炉厂有限公司,　上海200245)

关键词:　堆焊层;测厚摘　要:　叙述了运用磁性法或超声法对核电和化工容器中不锈钢及镍基堆焊层厚度进行测量的原理、方法及主要影响因素,比较了这两种方法的测量结果。中图分类号:　TG455 文献标识码:　B

0　前言核电中的压力壳、蒸发器一次侧和稳压器内壁都堆有奥氏体不锈钢或镍基堆焊层,不少化工容器如加氢反应器内壁也堆有奥氏体不锈钢堆焊层,其目的是为了增强容器的抗腐蚀性能。堆焊层的厚度一般为3～14mm,因此在容器制造过程中必须对堆焊层厚度进行控制。常用的堆焊层测厚方法有机械测厚、磁性测厚和超声测厚,而适用于容器制造的主要是磁性测厚和超声测厚,由于这两种方法的原理和手段不同,因而其影响因素也不一样。我们在实际测量中发现有些因素会使误差大大超出仪器原有的范围,甚至使测厚无法进行,所以用不同的方法对不同种类的堆焊层测厚,它们的校正方法或最终结果的评定也应有所不同。

1　方法和原理1.1磁性测厚磁性测厚是利用磁感应原理对磁性基体上的非磁性涂层进行测厚,设备包括测厚仪和探头。探头通过初级激励线圈产生一个磁场,并通过次级线圈探测这个磁场。次级线圈将收到的信号转换成电压,然后输送到检测电路。当

探头接近铁磁性物体时,磁场发生变化,次级线圈的输出电压也随之变化,变化的范围取决于探头极的顶部与磁性物体表面之间的距离,也就是说次级线圈产生的信号和涂层厚度是成比例的。最后,仪器通过校正曲线把信号转换成涂层厚度。校正曲线是储存在测厚仪储存器内的一条反映输入信号与厚度的归一化了的曲线,由于该曲线受基体金属的磁导率、工件曲率以及工件厚度等的影响。因此,在测厚前必须对该曲线进行校正。假定堆焊层厚度为δ,则校正点分别为探头能测定的最小厚度、1/3δ、δ、3δ和无穷大值。校正在试块上进行,试块可采用两种形式:一种是已知厚度并且与工件同材料同堆焊方法的堆焊层试块,另一种是薄片。堆焊层试块的优点是与实际工件较为接近,缺点是由于工件尺寸和材料不同,因而需要制作很多试块。薄片的优点在于只需加工一系列不同厚度的试片,放在工件基体上校正就可适用不同的场合,但其缺点在于薄片与基体存在空隙,如果放置不好会造成测量不准。影响磁性测厚的因素主要有基体金属的磁性与厚度、工件曲率、表面粗糙度、边缘效应、漏磁场、外来杂质、探头的压力和方向等。

第33卷第3期2002年3月　锅　炉　技　术

BOILER　TECHNOLOGYVol.33,No.3

Mar.,20021.2超声测厚超声测厚是利用声波在基体和堆焊层结合面上的反射来进行的,由于基体和堆焊层的声阻抗较为接近,因而界面反射波较小,使用单直探头不容易得到该反射波,实际中采用焦点位于界面的双晶直探头,使声束能量集中,提高信噪比,从而得到较大的反射信号。超声测厚的关键是时基线的校正,即使超声探伤仪上的时基线与深度成一定比例。校正可在薄片上进行也可在试块上进行,只要有2个反射点即可。所以,试块可采用平底孔试块或横孔试块,但最好使用如图1所示的阶梯形试块,其优点在于它与实际情况最为接近,并且校验时已排除了熔深的影响。图1　超声测厚校正试块校验的方法是按需要测定的范围,选定2个参考反射面,把它们的深度值按比例设在时基线刻度上,这样可从荧光屏上直接读出堆焊层的深度值。但如果选择不当,在实际测量时,荧光屏上所显示的值与实际会有较大的偏差。这个原因可用声程与深度的关系来解释,我们知道在超声波探伤中往往也是把时基线与深度校正成一定的比例,之所以能这样做是因为在单直探头中声程即深度,而在单斜探头中声程与深度是成线性的,但对双晶直探头则不然,它们的关系比较复杂,图2所示是双晶直探头声程与深度的关系。如果假定焦点位于声束轴线d2处,即探头分隔中心与声束轴线的交点,那么任何偏离焦点的位置,如图中d1和d3就不位于主声束中心,这样深度d与声程S就不成线性关系,从图2可见,声程:

图2　双晶直探头声程与深度的关系 S=[(d+d0)2+l02]1/2(1)式中,d=d1,d2,d3……为测点深度,d0

和l0都是与探头有关的参数。由(1)式可见,双

晶探头中声程与深度的非线性关系在近表面时表现得更加明显。设深度d1时声程为S1,深度d3时声程为S3,校正时按比例把深度d1设在时基线刻度X1处,深度d3设在时基线刻度X3

处,但实际上时基线的读数并不与深度d而是

与声程S成比例的,即S与X有线性关系

S-S1=S3-S1X3-X1(X-X1)(2)而深度d可根据(1)式求出d=(S2-l02)1/2-d0(3)不过在实际中要计算出d值较为困难,因为d0和l0不容易确定,表1是我们在试块上用不同深度的横孔所测得的数值,校正孔的深度为1mm和13mm,校正比例5∶1。表1　试块上不同深度横孔测得数值孔深(mm)实测值(mm)误差32.60.454.40.675.20.898.40.61010.80.2

从表1可见,测量值要小于实际值,越是离开校正点,误差也越大。所以用来校正的两个

18　锅　炉　技　术 第33卷厚度不应与堆焊层名义厚度相差太大,应尽量与之接近。如堆焊层厚度为8mm,那么可选择7mm和9mm作为校正点。线性校正后,再用与堆焊层名义厚度相等的试块进行修正。2　测量结果2.1磁性测厚测厚仪型号:FISCHERSCOPEMAGNA460C;探头:L50双极探头,它的两极间距为50mm,测量范围1～30mm;校正试片:胶木薄片,尺寸70×100mm,厚度分别为1mm、2.89mm、4.17mm和18.1mm。表2所列的是对取自镍基和奥氏体不锈钢堆焊层薄片测量结果,表3是对实际堆焊工件的测量结果。2.2超声测厚设备型号:CTS-22;探头参数:频率f=2.5MHz、晶片尺寸 14mm、焦点(深度)F=10mm。校正试块见图1,校正孔的深度为4mm和6mm,校正线性5∶1。表4是对奥氏体不锈钢和堆焊层工件的测量结果。

表2　镍基和奥氏体不锈钢堆焊层薄片测量结果试片号试片材料试片厚度(mm)

测量值(mm)

123451Ni基33.003.023.023.003.092Ni基65.785.805.795.815.843Ni基109.589.559.479.589.464奥氏体不锈钢101.341.391.361.351.365奥氏体不锈钢201.942.032.081.951.94

表3　实际堆焊工件测量结果工件号堆焊层材料堆焊层厚度(mm)测量值(mm)6.626.206.136.356.531Ni基6.8～7.26.666.126.086.326.506.666.226.066.346.5310.0710.7510.6310.7511.052Ni基10.5～12.510.7810.7610.6510.6011.0510.7610.7410.6010.5910.93

表4　对奥氏体不锈钢堆焊层工件的测量结果工件号堆焊层材料堆焊层厚度(mm)测量值(mm)

1奥氏体不锈钢5.8～6.46.05.45.66.06.66.06.06.66.46.65.66.46.05.25.2

2.3结果分析(1)从表2可见,对Ni基试片测量的结果与实际厚度较为接近,但随着试片厚度的增加,误差也增加,其原因与下面第(3)点所述的相同,可能和试片所取的部位有关。(2)对奥氏体不锈钢试片的测量,其显示值与实际厚度相差很大,从表3可知,最大的可达10倍左右,且无规律可寻,这是由于奥氏体不锈钢堆焊层中含有少量的铁素体,因而带有一定的磁性,而随着磁性的增加,显示值急剧下降。同时,不锈钢堆焊层的磁性不是恒定的,这导致测量误差忽大忽小,相差很大。所以,如果

第3期许遵言,等:不锈钢及镍基堆焊层厚度测量19　要用磁性法对不锈钢堆焊测厚,必须要用与实际工件完全相同的堆焊层试块来校正仪器,但这往往难以做到。因此,一般不推荐用磁性法对奥氏体不锈钢堆焊层进行测厚。(3)从表3可见,用磁性法测出的Ni基堆焊层厚度比实际数值要小,这也可归因于堆焊层的磁性。因为尽管Ni基堆焊层是没有磁性的,但在熔合线附近,由于化学元素和金属结构的变化,磁性会逐步增加,从而使得这部分堆焊层的显示值小于实际值,因此整个堆焊层厚度的显示值也小于实际厚度。(4)超声测厚的结果与实际较为接近,并且既可应用于镍基堆焊层也可应用于奥氏体不锈钢堆焊层,特别适用于筒体、封头等大面积堆焊层的测厚。但超声波测厚也有它的局限性,主要有以下几点:A.密封面堆焊层的厚度不能测量,从探测结果来看,尽管仪器已达到最大探测灵敏度,但还是不能发现界面反射信号。究其原因可能与堆焊层晶粒的生长方向有关,如果声束与晶粒生长方向垂直,则会导致声束的散射、声能的急剧衰减,从而使测量无法进行;B.曲率大的区域,如接管内壁或接管与筒体过渡处堆焊层也不能测量,而这是耦合与反射面形状导致的结果;C.测量用的探头,其晶片尺寸一般应稍大一些,通常为 20mm左右。如果使用小尺寸探头,测厚时界面反射波不易寻找,杂波干扰也很多,有时需反复测几次才能确定,极易造成误差,甚至导致测量失败。

3　结论镍基堆焊层可使用磁性或超声方法测厚,而奥氏体不锈钢堆焊层一般使用超声方法测厚为好。对密封面、曲率大的区域,由于超声测厚不能进行,只能用机械方法来控制堆焊层的厚度。不论是磁性测厚还是超声测厚,试块的制作、仪器校验的条件应尽可能与产品一致,这样才能减少测量误差,真实地反映出堆焊层的厚度。

参考文献:[1]HELMOTFISCHERGMBH+CO,OperatingZnstrnctionsofFISCHERSOOPEMAGNA260/460C[M].1983.[2]超声波探伤,全国锅炉压力容器无损检测人员资格考核委员会编写[M].中国锅炉压力容器安全杂志社,1995.

ThicknessMeasurementforStainlessSteelandNickelBaseBuilt_upLayer

XUZun_yan,ZHANG_Jian

Keywords:builtupweldinglayer;thicknessmeasurementAbstract:Thisarticlepresentsthemeasuringprincipleandmethodsforstainlesssteeland

nickel-basedbuiltuplayerinnuclearpowerequipmentandchemicalvesselbymeansofmag-neticandultrasonicmeasurementandmainfactorsinfluencethemeasurement,andcomparesthemeasuringresultsofthetwomeasuringwaysaswell.