超聲端點(diǎn)反射法測量裂紋高度的研究

1、超聲端點(diǎn)反射法測量裂紋高度的研究1 序言11 壓力容器裂紋類缺陷的危害性 壓力容器不同程度地存在著裂紋類缺陷，斷裂力學(xué)研究證明，帶有尖銳邊緣的平面缺陷（如裂紋）危險(xiǎn)性最大。同時(shí)還證明受壓部件中平面缺陷穿過壁厚的徑向長度、缺陷距表面及與其它缺陷的距離等都是關(guān)鍵性的重要尺寸，而平行于部件表面的裂紋長度是次要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展所引起的，英國曾對10萬個(gè)容器進(jìn)行調(diào)查，運(yùn)行一年共發(fā)生132件破壞事故，按事故原因統(tǒng)計(jì)，由于裂紋擴(kuò)展造成的破壞占總數(shù)的比例高達(dá)89.3%。因而對裂紋的檢驗(yàn)和監(jiān)控顯得極為重要。 12 裂紋高度的超聲檢測方法 121 6db法 6db法是超聲

2、測量長度的傳統(tǒng)方法，通常是探頭找到最大峰值后向相反的二個(gè)方向水平移動(dòng)使回波峰值下降一半時(shí)的波束中心線距離即為長度，該長度稱為指示長度但并非裂紋的真實(shí)長度。這種方法可以用來測高，但是誤差較大。 122 表面波延時(shí)法 對表面開口的裂紋可采用表面波延時(shí)法來測量裂紋深度，該法主要是通過裂紋對表面波的延時(shí)作用來計(jì)算裂紋的深度。但當(dāng)缺陷內(nèi)含油或水等液體時(shí)，表面波有可能跨越缺陷開口，使測試誤差大大增加。此外，缺陷的端部太尖銳接收到超聲波信號很低甚至接收不到。缺陷表面過于粗糙也會(huì)造成誤差增大。 123 端點(diǎn)衍射波法 超聲波入射到裂紋面上時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，在裂紋尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射稱為衍射波，超聲端點(diǎn)衍

3、射法是通過測量裂紋端點(diǎn)衍射回波的延遲時(shí)間差值來求得裂紋高度的。但是衍射波的強(qiáng)度很弱難發(fā)現(xiàn)，所以用衍射波測量裂紋高度有較大的難度。 124 端點(diǎn)反射波法 入射波入射到裂紋的端點(diǎn)，有一部分將沿著原路反射，稱為端點(diǎn)反射回波如圖1所示。端點(diǎn)反射回波法是通過測量主聲束入射到裂紋頂端時(shí)，所產(chǎn)生的端點(diǎn)回波聲程計(jì)算裂紋的高度，從方法上說是比較正確較為可行的方法。 13 端點(diǎn)反射波法的應(yīng)用現(xiàn)狀 在模擬超聲探傷儀上用端點(diǎn)反射法測量裂紋的高度，通常采用深度校準(zhǔn)即利用回波聲程在垂直方向上的投影長度進(jìn)行定位。操作工藝的特點(diǎn)是要用試塊進(jìn)行深度線性校準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是一種同高比較法因此其準(zhǔn)確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大

4、的關(guān)系。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，將回波信號數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型能得到包括垂直高度在內(nèi)的各種數(shù)值，這是本文研究的主題。 2 數(shù)字信號處理端點(diǎn)回波聲程測量裂紋自身高度方法的研究 21 數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程的原理和應(yīng)用 常規(guī)超聲檢測對回波聲程的測定是通過屏幕上回波所處位置的水平量值來換算的，由于波形的跳動(dòng)、波形峰值的判斷誤差、線性調(diào)節(jié)精度等原因，測定的聲程值誤差很大。數(shù)字信號處理端點(diǎn)回波聲程(w)是通過計(jì)算機(jī)A / D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算得到的。 我們研制了超聲信號分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，建

5、立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理得到了裂紋自身高度精確的測量結(jié)果。 22 不同狀態(tài)裂紋自身高度的計(jì)算方法 221 垂直表面開口裂紋 如圖2所示，對于垂直表面開口裂紋，其自身(垂直)高度為h，端點(diǎn)回波與根部回波聲程分別為w1、w2，探頭折射角為，工件厚度為T，則： h = （w2- w1）×cos =（w2- w1）× （T / w2）=（1- w1/ w2）×T -（1） 不用值，表面開口裂紋自身高度用（1）式計(jì)算可得到較高的精度。 222 垂直表面的內(nèi)部裂紋 如圖3所示，對于垂直表面的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測到（如圖

6、3，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為： h = （w2- w1）×cos -（2）如果上端點(diǎn)是由一次波探測到，而下端點(diǎn)是由二次波探測到（如圖3，B），設(shè)一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T，那么L2中一次波聲程為：T/ cos； 二次波聲程為：L2-（T/ cos）；則： W2 = L2-2 ×（L2-（T/ cos） -（3） 223 傾斜的內(nèi)部裂紋 如圖4所示，對于有傾角的的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測到（如圖4，A），一次波聲程分別為W1和W2，則其自身高度h為： nextpageh= （w2- w1）×cos -（4

7、）如果上端點(diǎn)是由一次波探測到，而下端點(diǎn)是由二次波探測到（如圖4，B），且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為：T/ cos；總聲程L2中二次波聲程為：L2-（T/ cos）；則：W2 = L2 - 2 ×（L2-（T/ cos） -（5） h= （w2- w1）×cos 利用公式（1）-（5）進(jìn)行聲程的數(shù)字化處理，為提高h(yuǎn) 的測量精度，工件厚度T和探頭K值必須精確測量。 3 超聲信號分析儀和分析軟件 超聲信號分析儀實(shí)際上是一臺帶有采樣裝置（頻率為30兆）和超聲信號接入裝置的工控計(jì)算機(jī)，具有計(jì)算機(jī)的全部功能。超聲信號從CTS-22型超聲波探傷儀接入。 分析軟件采用可視界

8、面技術(shù)，在 WINDOWS環(huán)境下均可運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)以 JB 4730-94 標(biāo)準(zhǔn)為依椐。 4 研究結(jié)果 41 模擬裂紋定量測量分析 線切割模擬裂紋試塊如圖2、圖3、圖4所示，用超聲信號分析儀和分析軟件對其自身（垂直）高度進(jìn)行測量。測量了64個(gè)不同類型的線切割模擬裂紋，實(shí)測結(jié)果與誤差如表1所示。 表1   信號分析法自身高度測量數(shù)據(jù)序號垂直高度測量模擬裂紋個(gè)數(shù)絕對誤 差(mm)相對誤 差(%)單     個(gè)平均最 小最 大平 均1272483510461358136121342 自然裂紋定位定量測量分析總共制作了38塊自然裂紋（有表面開口裂紋和埋

9、藏裂紋）試塊，用端點(diǎn)反射回波數(shù)字信號測量法對其全部檢測，并將其中七塊（試塊為板、管，缺陷性質(zhì)為表面和埋藏）解剖驗(yàn)證，所得數(shù)據(jù)如表2和表3：表2        自然裂紋端點(diǎn)反射法檢測結(jié)果 試塊號試塊厚度缺陷位置缺陷長度（射線測量）缺陷預(yù)制垂直高度實(shí)測高度   110表面152   420表面53   1544表面1210   1716（管）表面163   2010埋藏222   3344埋藏5

10、60;  3515（管）埋藏152解剖驗(yàn)證的方法如下： （1） 用常規(guī)超聲檢測方法對裂紋進(jìn)行定位，在試塊表面用細(xì)鉆頭打上標(biāo)記，顯示裂紋長度和位置； nextpage（2） 對試塊采用MO絲（10-15絲）進(jìn)行線切割，切割方向垂直于焊縫，間距為1-2mm，且將每一薄片編號； （3） 對裂紋自身高度最高處及附近切片進(jìn)行表面拋光處理，并用讀數(shù)顯微鏡觀察、測量裂紋二端點(diǎn)間的垂直高度值（測量數(shù)據(jù)見表3），對自身高度最高處切片做低倍照相記錄； （4） 上述試塊端點(diǎn)反射法測量結(jié)果，用B顯示軟件顯示裂紋的位置和各項(xiàng)數(shù)值，比較實(shí)際誤差并作誤差分析(因篇幅有限，只發(fā)表二個(gè)試件的低倍照相和B顯示，見圖5和

11、圖6)； 表3     自然裂紋解剖測量與比較結(jié)果試塊編號 工件厚度 缺陷類型 預(yù)制高度 切片編號 解剖測量高度 端點(diǎn)反射法檢測高度 誤差 備注 1 10 表面 2 1-7 2.00 2.46* 2.5        1-5 2.46 1-6 3.03 4 20 表面 3 4-5 2.10 2.74        3.47* 3.79 +0.10 +0.42 4-6 2.13 4-7 2.15 4-8 3.37 15 44 表

12、面 10 15-5 8.28 11.62* +3.02 見注2 15-3 8.58 15-4 8.6 17 16(管） 表面 3 17-4 3.37 3.02* -0.35 17-3 3.95 17-5 4.27 17-6 4.30 20 10 埋藏 2 20-10 0.1 2.17*+0.27 +0.84 20-11 0.64 20-6 1.18 20-4 1.4 20-5 1.9 33 44 埋藏 5 33-10 2.3 3.54*    33-11 2.3 33-4 2.82 33-5 3.06 33-14 3.7 33-15 3.7 35 15（管） 埋藏

13、    2 35-5 1.65 4.27*  +0.45 35-6 3.0 35-2 3.34 35-1 3.82 注：1. *有B顯示；2. 15#試塊焊縫根部裂紋表面開口狀態(tài)十分復(fù)雜底部反射波很雜，操作者較難正確判斷缺陷波，故造成較大的操作誤差。 圖5 1#試塊裂紋低倍照片和B顯示nextpage圖6 20# 試塊裂紋低倍照片與B顯示43 試塊解剖裂紋測量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測量結(jié)果的比較圖7 顯示了試塊解剖后裂紋實(shí)際測量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測量結(jié)果之間的關(guān)系，圖中粗線表示的是實(shí)際測量得到的最小垂直高度與最大垂直高度之間的范圍。由于自然裂紋面不是規(guī)則的矩形面

14、，其高度起伏變化。所以解剖測量到的和系統(tǒng)檢測到的高度都有一定的隨機(jī)性，所測高度只是其中的一部分，精確的確定檢測誤差是很困難的。我們按以下三種情況分析檢測誤差：（1） 如果系統(tǒng)檢測結(jié)果在最小垂直高度與最大垂直高度之間，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測結(jié)果符合實(shí)際狀況；（2） 如果系統(tǒng)檢測結(jié)果小于最小垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測結(jié)果具有負(fù)誤差；（3） 如果系統(tǒng)檢測結(jié)果大于最大垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測結(jié)果具有正誤差；各號試塊系統(tǒng)檢測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果之間的關(guān)系及檢測誤差如圖7所示，圖中表示的是絕對誤差。圖 7 檢測結(jié)果比較圖示  5 結(jié)論與展望（1） 采用聲程數(shù)字處理技術(shù)的端點(diǎn)反射回波法，對提高裂紋自身（垂直）高度測量精度是非常有效的。具有原理簡單、測量重復(fù)性好、操作方便快捷和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對于自身（垂直）高度大于等于2mm的平面型缺陷（裂紋類），其測量精度（平均絕對誤差）可控制在1mm以內(nèi),相對誤差隨高度的變化而變化。其精度優(yōu)于模擬超聲探傷儀的深度定位法1；（2） 自行研制的超聲信號分析儀和分析軟