關(guān)于超聲波缺陷指示長度的探討

關(guān)于超聲波缺陷指示長度的探討

在定期壓力容器的檢測中，超聲波檢測廣泛應(yīng)用于代替焊接內(nèi)部的缺陷，但由于無法正確評估缺陷的性質(zhì)，因此缺陷的描述長度是確定和評估焊接質(zhì)量水平的重要因素之一。缺陷的指示長度就是把超聲波檢測中缺陷始端和末端的確定位置投影在被檢測材料的表面,并連接其兩點間長度,即通過移動探頭的方法來測量缺陷長度。這種定量方法主要考慮了探頭有關(guān)特性,而未考慮缺陷特性對長度測量的影響,因此造成所測得的指示長度經(jīng)常與缺陷的實際尺寸存在較大的誤差。本文著重就缺陷指示長度測定進行探討。1超聲檢測方向和缺陷相對位置對缺陷指示長度的影響1.1表面波前指向系數(shù)探頭的指向性包括發(fā)射指向性Dc1(θ)與接收指向性Dc2(θ)。在實際工作中探頭的晶片(波源)近似作活塞運動,根據(jù)活塞波振動的理論,可得圓形晶片探頭發(fā)射指向性系數(shù)Dc1(θ)為Dc1(θ)=P(r,θ)P(r,0)=2J1(KDsinθ)KDsinθ(1)Dc1(θ)=Ρ(r,θ)Ρ(r,0)=2J1(ΚDsinθ)ΚDsinθ(1)式中J1——一階貝塞爾函數(shù)P(r,θ)——遠聲場距聲源中心距離為r處的聲壓P(r,0)——波源軸線上距聲源中心距離為r處的聲壓D——晶片直徑θ——輻射聲波方向與晶片軸線夾角K——波數(shù)K=2π/λλ——波長探頭的接收指向性系數(shù)Dc2(θ)可由接收聲波的傳播方向與接收探頭晶片表面法線之間的角度變化求出,并且同樣受到式(1)的影響。對于一個單晶片探頭,晶片既發(fā)射又兼接收,Dc1(θ)=Dc2(θ),此時探頭探傷時總的指向系數(shù)為Dc(θ)=[Dc1(θ)]2。在探傷過程中,經(jīng)常采用反射波高最大值下降一半(6dB,Dc=0.5)或1/10(20dB,Dc=0.1)的方法來確定缺陷的指示長度,我們將此時的θ定義為θw6或θw20。根據(jù)式(1),令y=KDsinθ,可以求出Dc=0.5y=1.62θw6=arcsin0.52λD≈29λDDc=0.1y=2.77θw20=arcsin0.88λD≈50λDDc=0.5y=1.62θw6=arcsin0.52λD≈29λDDc=0.1y=2.77θw20=arcsin0.88λD≈50λD1.2缺陷指示長度的測定如圖1所示,當波束半頂角為θw6時,在聲程為S時,波束寬度為L6;在聲程為S1時,波束寬度為L6′。當波束半頂角為θw20時,在聲程為S時,波束寬度為L20;在聲程為S1時,波束寬度為L20′。如缺陷長度為L,且L6′<L<L6。在實際測量中,如在聲程S處測量該缺陷,采用6dB法,得到缺陷指示長度L6,用20dB法測量得到的缺陷指示長度為L20;只有當缺陷長度L>L6或者L>L20時,測得的指示長度才等于L。在聲程為S1處采用6dB法測量,因為缺陷長度滿足L6′<L<L6,測得的指示長度為L,但到聲程S處用同一方法測量則指示長度變?yōu)長6。由此可見,對同一缺陷,采用不同分貝的波束測長或用同一分貝波束在不同聲程處測長,所得到的缺陷指示長度是不全相等的。因此在實際探傷過程中,對于一些長度較小的缺陷,在某一聲程處,如其長度小于此處波束寬度,就會產(chǎn)生放大作用,缺陷越小,聲程越大,放大作用越大,其指示長度誤差也就越大,因此選擇合適的波束寬度和聲程,使之盡可能滿足L≥Lx對準確測定這些缺陷的指示長度是非常重要的。對焊縫斜角探傷中,不同分貝波束的寬度Lx(水平方向)可以由下式求出Lx=2hKtgθxLx=2hΚtgθx式中h——熒光屏顯示垂直深度K=tgββ——斜探頭的折射角θx——某分貝時波束半頂角2缺陷系的性質(zhì)不僅探頭的指向性影響缺陷指示長度測量精度,缺陷反射波同樣存在反射指向性,這與缺陷的性質(zhì)、大小、方位和傾斜角度等有關(guān)。實際檢測中缺陷指示長度的精度受到兩者同時作用的影響,但此時通過計算求解指示長度已無實際意義,以下通過實際工作中常見的一些問題來討論缺陷自身因素對指示長度的影響。2.1缺陷指示長度的測定如圖2所示,當探頭在焊縫下側(cè)探傷時,所測得的缺陷指示長度明顯小于缺陷實際長度,而當探頭在焊縫上側(cè)探傷時,所得到的指示長度反映缺陷的長度更真實。2.2焊縫方向左右移動如圖3所示,探頭在位置Ⅱ檢測時,探頭在某處出現(xiàn)最高反射波,這時沿焊縫方向左右移動,則所測得的缺陷指示長度就不真實;而如果探頭在位置Ⅰ檢測時,探頭在出現(xiàn)最高反射波處,沿缺陷長度方向移動,則測得的長度更精確。2.3．缺陷向外延伸如圖4a所示,當缺陷位于T字口部位,且探頭處于位置Ⅰ時,由于焊縫余高的阻擋,不能測量到整條缺陷;當探頭處于位置Ⅱ時,同樣由于焊縫余高的影響,聲束不能垂直掃查缺陷,缺陷反射波很低,只有當缺陷的端部取向與聲束中心線垂直時,才會有較高的反射波,所以容易造成指示長度偏小,過低地評價缺陷的危害程度。實際檢測中,在位置Ⅱ進行斜平行掃查時,不考慮其它因素,適當提高探傷靈敏度,將出現(xiàn)缺陷反射波的反射點作為缺陷的一個端點。在位置Ⅰ時(圖4),如果缺陷的反射波高超過評定線(EL),就可以認為缺陷向外延伸,這時可把材料的端部作為缺陷的一個端點。這種情況在實際工作中有比較重要的意義。因為T字口是應(yīng)力集中部位,缺陷向外延伸,對于另一焊縫相當于橫向缺陷,引起的危害更大,所以對該部位應(yīng)當認真檢測。在某球罐T字口檢測過程中,就產(chǎn)生了斜平行掃查中未發(fā)現(xiàn)缺陷端部,認為缺陷只位于縱縫上,長度不超標,不需要返修,而后在與射線底片對照中才發(fā)現(xiàn)缺陷延伸至環(huán)縫上,且為需返修的部位。重新檢測,提高探傷靈敏度,才發(fā)現(xiàn)缺陷端點的反射波,從而確定了返修的長度和深度。2.4缺陷是否為連續(xù)性缺陷判斷原則對于相鄰缺陷,在實際檢測過程中,由于探頭移動時,缺陷動態(tài)波形較為復(fù)雜,波峰與波谷交替出現(xiàn),檢測人員很容易將連續(xù)的缺陷判斷成斷續(xù)的,從而過小地評價缺陷;也容易將斷續(xù)的缺陷判斷成連續(xù)的,從而過大地評價缺陷,會出現(xiàn)不必要的返修。如圖5所示,如果采用定量線(SL)為檢出靈敏度,則測得的缺陷為一個,長度為l2;如果采用評定線(EL)為檢出靈敏度,則檢出的缺陷為兩個,長度分別為l1和l2。根據(jù)經(jīng)驗,對缺陷是否為連續(xù)性缺陷有如下判斷原則,即①在探頭左右移動過程中,缺陷包絡(luò)線中,任意兩相鄰的波峰差值Δ1≤6dB,且任意兩相鄰的波峰與波谷差值Δ2≤10dB,則該缺陷通常是連續(xù)的。②如果缺陷反射包絡(luò)線存在多個波峰和波谷,只要波谷都位于評定線以上,那么該缺陷就是連續(xù)的。需要補充的是,以上原則在應(yīng)用中還存在一些問題,因為要準確區(qū)分相鄰缺陷,還受到儀器、探頭分辨力的影響。根據(jù)我們在工作實踐中的體會,對于一些缺陷密集的區(qū)域,如微小的密集氣孔區(qū)域,中間還夾有短條渣,在應(yīng)用中就很難依據(jù)原則判斷是否連續(xù),如在一球罐焊縫超聲波檢測過程中,發(fā)現(xiàn)一條狀缺陷,缺陷的靜態(tài)反射波形為一簇反射波,波高不同,但差別不大,當探頭作定點轉(zhuǎn)動時,缺陷反射波此起彼伏,此時根據(jù)波形我們判定為密集氣孔,且分布在一定的深度范圍內(nèi),但在測定缺陷指示長度時發(fā)現(xiàn)反射波均位于評定線上,就容易把缺陷判斷為連續(xù)的。后與射線底片對照,證實了我們的判斷。根據(jù)粗略統(tǒng)計,對于間距≤6mm的缺陷,采用普通探頭很難分辨是否斷續(xù)。這時應(yīng)當根據(jù)缺陷的動態(tài)波形,判斷缺陷可能的性質(zhì),然后推斷是否連續(xù)。這在實際工作中有比較重要的指導(dǎo)意義。3測值的定量測長JB4730—1994標準規(guī)定,當缺陷只有一個高點時,用6dB法測量其指示長度;當缺陷有多個高點,且端點波高均位于Ⅱ區(qū)時,用端點6dB法測量其指示長度(GB11345—1989標準規(guī)定用端點峰值法測量其指示長度);當缺陷波高位于Ⅰ區(qū)時,如有必要可用評定線作為絕對靈敏度測量其指示長度。(1)6dB法與端點6dB法均屬于相對靈敏度法,優(yōu)點在于不受傳播損失和衰減的影響,不受發(fā)射波高度的影響,但通常情況缺陷的指示長度要比實際長度短一點,但對小缺陷有放大作用。(2)評定線作為絕對靈敏度測長,測得的指示長度與評定線的靈敏度有關(guān),靈敏度越高,測得的長度越長。但缺點是易受傳播損失和衰減以及反射波高的影響。(3)端點峰值法要比端點6dB法測得的指示長度小,對于裂紋等缺陷,測量精度較高,但對某些形狀不規(guī)則的缺陷,有可能出現(xiàn)過小評定。(4)標準中未規(guī)定如何判斷處理不同聲程處測得不同數(shù)值的指示長度,未規(guī)定測量指示長度時是按照焊縫方向還是缺陷方向。(5)在