超聲橫波法測(cè)厚板坯的實(shí)驗(yàn)研究

超聲橫波法測(cè)厚板坯的實(shí)驗(yàn)研究

1非同質(zhì)試塊的調(diào)試方法在服務(wù)設(shè)備的全面檢驗(yàn)中，測(cè)量厚度是一個(gè)重要的因素。通常,被檢對(duì)象的材質(zhì)是已知的或常用的。但對(duì)某些特殊材料,尤其是由于種種原因,設(shè)備材質(zhì)及公稱壁厚已不可知時(shí),其測(cè)厚工作就有了一定的難度。在國(guó)內(nèi)國(guó)外有關(guān)超聲波測(cè)厚的理論與標(biāo)準(zhǔn)中,縱波的應(yīng)用占主要地位。但縱波的應(yīng)用必須事先知道檢測(cè)試件的聲速或制作同材質(zhì)的對(duì)比試塊,以進(jìn)行儀器的校正。而在實(shí)際檢驗(yàn)中,加工同質(zhì)試塊不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)事,而且造成原材料的浪費(fèi)。同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作條件的限制,對(duì)試件的材質(zhì)等的證實(shí)或檢驗(yàn)有困難時(shí),同質(zhì)試塊的制作也就無(wú)從談起,從而影響整個(gè)檢驗(yàn)工作的開展。尤其隨著“壓力管道安全管理與監(jiān)察規(guī)定”的頒布,將對(duì)在役管道進(jìn)行全面的檢驗(yàn),這一問(wèn)題就更加突出。針對(duì)這些情況,本文提出了利用斜探頭水平距離可測(cè)這一特點(diǎn),采用非同質(zhì)試塊對(duì)超聲波探傷儀進(jìn)行調(diào)試,輔以必要的理論計(jì)算,以達(dá)到相應(yīng)的檢驗(yàn)效果。通過(guò)理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,證實(shí)了這一設(shè)想的可行性。從而解決了超聲橫波法測(cè)厚及檢驗(yàn)中非同質(zhì)試塊的應(yīng)用問(wèn)題,增強(qiáng)了在役設(shè)備檢驗(yàn)中強(qiáng)度計(jì)算、安全分析及壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。2理論基礎(chǔ)2.1探傷聲速模型當(dāng)超聲波斜入射到異質(zhì)界面時(shí),在界面處產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換,其折射波與入射波的關(guān)系由斯奈爾定理確定。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:sinα/C=sinβ1/C1=sinβ2/C2(1)sinα/C=sinβ1/C1=sinβ2/C2(1)式中:α——探頭縱波入射角;C——探頭楔塊中縱波聲速;β1——試塊中橫波折射角;C1——試塊中橫波聲速;β2——待檢工件橫波折射角;C2——待檢工件中橫波聲速。2.2被測(cè)所代表的等效聲程s1在A型脈沖反射法超聲波探傷中,掃描速度一經(jīng)調(diào)節(jié),則其示屏上確定的水平位置代表一定的時(shí)間值?；蛘哒f(shuō)示屏上相同的位置間隔代表相同的時(shí)間間隔。上述原理已廣泛用于水浸法探傷、材料聲速的測(cè)定等。如ASTME494-85標(biāo)準(zhǔn)中推薦的材料聲速測(cè)量方法中,即有此方法。通過(guò)推導(dǎo),得到下式:C2=C1?S2/S1(2)C2=C1?S2/S1(2)式中:S1——聲波通過(guò)時(shí)間相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試塊長(zhǎng)度(即等效長(zhǎng)度);C1——在標(biāo)準(zhǔn)試塊中的已知縱波聲速;S2——通過(guò)物理方法測(cè)量得到的試樣長(zhǎng)度(即真實(shí)長(zhǎng)度);C2——被測(cè)試樣中的聲速(待測(cè)聲速)。(2)式是基于已知的C1、S1、可測(cè)的S2,來(lái)求C2。實(shí)際上,進(jìn)一步將探標(biāo)準(zhǔn)試塊與被測(cè)試件的探頭明確為同一斜探頭,即橫波檢測(cè),則(1)、(2)式仍然成立。若以聲程定位進(jìn)行超聲波儀器調(diào)節(jié),則S1代表聲波通過(guò)以標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)試時(shí)基的等效聲程,S2代表以標(biāo)準(zhǔn)試塊中的聲速傳播等效聲程S1的時(shí)間在被測(cè)對(duì)象中傳播的實(shí)際聲程。但要實(shí)測(cè)S2通常是非常困難的,而試樣的厚度或被測(cè)試樣中的反射體與探頭入射點(diǎn)之間的水平距離更具顯性,因此,以下式來(lái)表達(dá)S2:S2=L/sinβ2(3)S2=L/sinβ2(3)式中:L——待檢工件中反射體與探頭入射點(diǎn)之間的水平距離。聯(lián)解(1)、(2)、(3)式,得:sinβ2=(sinβ1L/S1)1/2(4)sinβ2=(sinβ1L/S1)1/2(4)因此,只要在待檢工件上有一水平距離可測(cè)的缺陷或壁厚,即可求出其折射角,從而進(jìn)行正常的試件檢測(cè)與測(cè)厚。3主要設(shè)備和測(cè)試結(jié)果3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備材料組合采用非同質(zhì)試塊代替同質(zhì)試塊進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí),對(duì)設(shè)備儀器有較高的穩(wěn)定性和精確度要求。本次實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的主要設(shè)備器材為:1)CTS-22A型脈沖反射式超聲波探傷儀與2.5P13×13K3.0探頭組合;2)鋼制壓力容器CSK-ⅠA、CSK-ⅢA型標(biāo)準(zhǔn)試塊及鋁制對(duì)比試塊;3)化學(xué)漿糊耦合劑。3.2聲程定位調(diào)節(jié)通過(guò)在鋼制壓力容器CSK-ⅠA、CSK-ⅢA型標(biāo)準(zhǔn)試塊上反復(fù)標(biāo)定,測(cè)得探頭前沿L0為20mm,折射角為79.5°,即K約為3.0。最后以聲程定位調(diào)節(jié)好時(shí)基線。以此設(shè)備狀態(tài)對(duì)鋁制對(duì)比試塊上的不同深度的橫通孔進(jìn)行測(cè)試。表1是其中針對(duì)鋁制ⅡA型對(duì)比試塊上的幾個(gè)不同深度的橫通孔進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。將上述各測(cè)試值代入(4),即可計(jì)算出鋁質(zhì)試塊中的橫波折射角β2,進(jìn)而計(jì)算出被探缺陷的實(shí)際聲程或深度。4測(cè)試結(jié)果的處理和分析4.1斜接頭的前沿l0在進(jìn)行測(cè)試結(jié)果處理之前,還應(yīng)該注意到一個(gè)不容忽視的問(wèn)題,那就是在實(shí)際測(cè)試中得到的實(shí)測(cè)水平距離是簡(jiǎn)化值,未包含斜探頭的前沿L0。不過(guò),我們已經(jīng)測(cè)試了較多的數(shù)據(jù),通過(guò)其相互間的組合計(jì)算,不需要已知斜探頭的前沿L0就可計(jì)算出折射角β2,且可反推出斜探頭在實(shí)際探傷試件上的前沿L0,進(jìn)行比較。表2、表3即為數(shù)據(jù)處理結(jié)果。4.2同質(zhì)試塊的測(cè)試誤差分析經(jīng)過(guò)上述所利用的幾種不同的處理方法對(duì)表1所列測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,我們不妨對(duì)其結(jié)果作進(jìn)一步的對(duì)比分析。首先,對(duì)于探頭前沿,根據(jù)本文推導(dǎo)式(4)得到的計(jì)算值與在對(duì)比試塊的實(shí)測(cè)值是非常吻合的,其差值應(yīng)該是操作誤差,而不是方法誤差。從中也證明了本文闡述的超聲波橫波法在非同質(zhì)試塊上調(diào)節(jié)儀器的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)厚與缺陷定位的正確性與可行性。同時(shí),不難看出,在非同質(zhì)試塊上所測(cè)定的探頭前沿不能貿(mào)然直接應(yīng)用。如本文所使用的探頭,在鋼質(zhì)試塊上測(cè)定其前沿為20mm,而在鋁質(zhì)試塊上測(cè)定其前沿則為14.9mm,計(jì)算值為15mm。若直接將在鋼質(zhì)試塊上測(cè)定的前沿用于鋁質(zhì)試樣的探傷或測(cè)厚,勢(shì)必造成較大的方法誤差。其次,從探頭折射角來(lái)看,若以(1)式按已知聲速計(jì)算為準(zhǔn),則實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均存在偏差。有趣的是實(shí)測(cè)值為負(fù)偏差,計(jì)算值為正偏差。原因有待進(jìn)一步探討。從表3中進(jìn)一步的誤差分析來(lái)看,按本文計(jì)算方法求出的深度,與標(biāo)準(zhǔn)值相比,絕對(duì)誤差最大1.8mm,最小0.3mm,相對(duì)誤差最大10%,最小3%,精度是足夠的。對(duì)比其數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn),計(jì)算中涉及到深度公稱值為10mm時(shí)所測(cè)的簡(jiǎn)化水平距離的,均有較大誤差。造成這一結(jié)果的原因有:首先,在鋼質(zhì)試塊上調(diào)試儀器和測(cè)試探頭參數(shù)時(shí),是以50mm和100mm聲程為基準(zhǔn)的,小于或大于這一范圍,探頭折射角完全可能存在偏差。這種情況在同質(zhì)試塊的調(diào)試中大家就深有體會(huì)。其次,測(cè)試誤差是不可避免的。一般情況下,測(cè)試誤差的絕對(duì)值是相當(dāng)?shù)摹＿@樣,在小聲程時(shí),勢(shì)必造成較大的相對(duì)誤差。實(shí)際上,在表3中,若放棄深度公稱值為10mm時(shí)的相關(guān)測(cè)試值不用,則深度計(jì)算值與公稱值之間是非常吻合的,絕對(duì)誤差在1.0mm以下,相對(duì)誤差在5%以下。此時(shí),經(jīng)本文的組合計(jì)算而獲得的鋁質(zhì)試件中探頭的折射角與前沿,用于深度公稱值為40mm的計(jì)算,則其計(jì)算深度為38.1mm,相對(duì)誤差小于5%,優(yōu)于表3中按全部組合的平均值計(jì)算。因此,非同質(zhì)試塊的應(yīng)用,同樣應(yīng)注意儀器與探頭的標(biāo)定聲程范圍,一定要覆蓋有效探測(cè)范圍,同時(shí),要有優(yōu)良的組合性能和保證精確的測(cè)試精度。否則,將會(huì)造成較大的操作誤差。5檢測(cè)結(jié)果分析某處特種燃料輸送管道,由于使用時(shí)間較長(zhǎng),材質(zhì)不清,無(wú)法制作同質(zhì)對(duì)比試塊以進(jìn)行超聲波測(cè)厚和探傷。為此,采用了前述方法。測(cè)得2.5P13×13K2.5探頭在鋁質(zhì)試塊中實(shí)際K值為1.60,前沿L0=4mm,以深度定位調(diào)節(jié)儀器掃描時(shí)基線。利用管道表面不同缺陷的二次及多次反射波進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果如表4。從上述的數(shù)據(jù)可以看出,利用檢測(cè)件表面不同缺陷的多次回波按本文理論計(jì)算所得到的壁厚值比較接近。但不同缺陷反射波的計(jì)算結(jié)果仍有一定差距。主要原因?yàn)?(1)超聲波在傳播過(guò)程中伴隨著發(fā)散現(xiàn)象,同時(shí),通過(guò)管壁反射時(shí)受內(nèi)壁狀況影響,甚至可能引起入射角度改變。導(dǎo)致實(shí)測(cè)K值與真實(shí)值間有偏差;(2)被檢工件中的K值,是通過(guò)計(jì)算得到的。在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中,無(wú)論是從示屏讀取T,還是通過(guò)測(cè)量讀取L,都存在一定誤差,必然導(dǎo)致K值變化。6本方法的準(zhǔn)確性和不足(1)通過(guò)理論計(jì)算,配合較高穩(wěn)定性與精度的儀器和探頭組合性能,非同質(zhì)試塊的代用,對(duì)在用設(shè)備的檢驗(yàn),可以達(dá)到精確的壁厚測(cè)定與缺陷定位,相對(duì)誤差可小于5%;(