超声横波法测厚板坯的实验研究

超声横波法测厚板坯的实验研究

1非同质试块的调试方法在服务设备的全面检验中，测量厚度是一个重要的因素。通常,被检对象的材质是已知的或常用的。但对某些特殊材料,尤其是由于种种原因,设备材质及公称壁厚已不可知时,其测厚工作就有了一定的难度。在国内国外有关超声波测厚的理论与标准中,纵波的应用占主要地位。但纵波的应用必须事先知道检测试件的声速或制作同材质的对比试块,以进行仪器的校正。而在实际检验中,加工同质试块不仅费时、费事,而且造成原材料的浪费。同时由于现场实际工作条件的限制,对试件的材质等的证实或检验有困难时,同质试块的制作也就无从谈起,从而影响整个检验工作的开展。尤其随着“压力管道安全管理与监察规定”的颁布,将对在役管道进行全面的检验,这一问题就更加突出。针对这些情况,本文提出了利用斜探头水平距离可测这一特点,采用非同质试块对超声波探伤仪进行调试,辅以必要的理论计算,以达到相应的检验效果。通过理论推导与实验对比,证实了这一设想的可行性。从而解决了超声横波法测厚及检验中非同质试块的应用问题,增强了在役设备检验中强度计算、安全分析及寿命预测的准确性。2理论基础2.1探伤声速模型当超声波斜入射到异质界面时,在界面处产生反射、折射和波型转换,其折射波与入射波的关系由斯奈尔定理确定。其数学表达式如下:sinα/C=sinβ1/C1=sinβ2/C2(1)sinα/C=sinβ1/C1=sinβ2/C2(1)式中:α——探头纵波入射角;C——探头楔块中纵波声速;β1——试块中横波折射角;C1——试块中横波声速;β2——待检工件横波折射角;C2——待检工件中横波声速。2.2被测所代表的等效声程s1在A型脉冲反射法超声波探伤中,扫描速度一经调节,则其示屏上确定的水平位置代表一定的时间值。或者说示屏上相同的位置间隔代表相同的时间间隔。上述原理已广泛用于水浸法探伤、材料声速的测定等。如ASTME494-85标准中推荐的材料声速测量方法中,即有此方法。通过推导,得到下式:C2=C1⋅S2/S1(2)C2=C1⋅S2/S1(2)式中:S1——声波通过时间相当的标准试块长度(即等效长度);C1——在标准试块中的已知纵波声速;S2——通过物理方法测量得到的试样长度(即真实长度);C2——被测试样中的声速(待测声速)。(2)式是基于已知的C1、S1、可测的S2,来求C2。实际上,进一步将探标准试块与被测试件的探头明确为同一斜探头,即横波检测,则(1)、(2)式仍然成立。若以声程定位进行超声波仪器调节,则S1代表声波通过以标准试块调试时基的等效声程,S2代表以标准试块中的声速传播等效声程S1的时间在被测对象中传播的实际声程。但要实测S2通常是非常困难的,而试样的厚度或被测试样中的反射体与探头入射点之间的水平距离更具显性,因此,以下式来表达S2:S2=L/sinβ2(3)S2=L/sinβ2(3)式中:L——待检工件中反射体与探头入射点之间的水平距离。联解(1)、(2)、(3)式,得:sinβ2=(sinβ1L/S1)1/2(4)sinβ2=(sinβ1L/S1)1/2(4)因此,只要在待检工件上有一水平距离可测的缺陷或壁厚,即可求出其折射角,从而进行正常的试件检测与测厚。3主要设备和测试结果3.1实验设备材料组合采用非同质试块代替同质试块进行超声波检验时,对设备仪器有较高的稳定性和精确度要求。本次实验与应用的主要设备器材为:1)CTS-22A型脉冲反射式超声波探伤仪与2.5P13×13K3.0探头组合;2)钢制压力容器CSK-ⅠA、CSK-ⅢA型标准试块及铝制对比试块;3)化学浆糊耦合剂。3.2声程定位调节通过在钢制压力容器CSK-ⅠA、CSK-ⅢA型标准试块上反复标定,测得探头前沿L0为20mm,折射角为79.5°,即K约为3.0。最后以声程定位调节好时基线。以此设备状态对铝制对比试块上的不同深度的横通孔进行测试。表1是其中针对铝制ⅡA型对比试块上的几个不同深度的横通孔进行测试的结果。将上述各测试值代入(4),即可计算出铝质试块中的横波折射角β2,进而计算出被探缺陷的实际声程或深度。4测试结果的处理和分析4.1斜接头的前沿l0在进行测试结果处理之前,还应该注意到一个不容忽视的问题,那就是在实际测试中得到的实测水平距离是简化值,未包含斜探头的前沿L0。不过,我们已经测试了较多的数据,通过其相互间的组合计算,不需要已知斜探头的前沿L0就可计算出折射角β2,且可反推出斜探头在实际探伤试件上的前沿L0,进行比较。表2、表3即为数据处理结果。4.2同质试块的测试误差分析经过上述所利用的几种不同的处理方法对表1所列测试数据进行处理,我们不妨对其结果作进一步的对比分析。首先,对于探头前沿,根据本文推导式(4)得到的计算值与在对比试块的实测值是非常吻合的,其差值应该是操作误差,而不是方法误差。从中也证明了本文阐述的超声波横波法在非同质试块上调节仪器的状态下进行测厚与缺陷定位的正确性与可行性。同时,不难看出,在非同质试块上所测定的探头前沿不能贸然直接应用。如本文所使用的探头,在钢质试块上测定其前沿为20mm,而在铝质试块上测定其前沿则为14.9mm,计算值为15mm。若直接将在钢质试块上测定的前沿用于铝质试样的探伤或测厚,势必造成较大的方法误差。其次,从探头折射角来看,若以(1)式按已知声速计算为准,则实测值与计算值均存在偏差。有趣的是实测值为负偏差,计算值为正偏差。原因有待进一步探讨。从表3中进一步的误差分析来看,按本文计算方法求出的深度,与标准值相比,绝对误差最大1.8mm,最小0.3mm,相对误差最大10%,最小3%,精度是足够的。对比其数据,不难发现,计算中涉及到深度公称值为10mm时所测的简化水平距离的,均有较大误差。造成这一结果的原因有:首先,在钢质试块上调试仪器和测试探头参数时,是以50mm和100mm声程为基准的,小于或大于这一范围,探头折射角完全可能存在偏差。这种情况在同质试块的调试中大家就深有体会。其次,测试误差是不可避免的。一般情况下,测试误差的绝对值是相当的。这样,在小声程时,势必造成较大的相对误差。实际上,在表3中,若放弃深度公称值为10mm时的相关测试值不用,则深度计算值与公称值之间是非常吻合的,绝对误差在1.0mm以下,相对误差在5%以下。此时,经本文的组合计算而获得的铝质试件中探头的折射角与前沿,用于深度公称值为40mm的计算,则其计算深度为38.1mm,相对误差小于5%,优于表3中按全部组合的平均值计算。因此,非同质试块的应用,同样应注意仪器与探头的标定声程范围,一定要覆盖有效探测范围,同时,要有优良的组合性能和保证精确的测试精度。否则,将会造成较大的操作误差。5检测结果分析某处特种燃料输送管道,由于使用时间较长,材质不清,无法制作同质对比试块以进行超声波测厚和探伤。为此,采用了前述方法。测得2.5P13×13K2.5探头在铝质试块中实际K值为1.60,前沿L0=4mm,以深度定位调节仪器扫描时基线。利用管道表面不同缺陷的二次及多次反射波进行检测。结果如表4。从上述的数据可以看出,利用检测件表面不同缺陷的多次回波按本文理论计算所得到的壁厚值比较接近。但不同缺陷反射波的计算结果仍有一定差距。主要原因为:(1)超声波在传播过程中伴随着发散现象,同时,通过管壁反射时受内壁状况影响,甚至可能引起入射角度改变。导致实测K值与真实值间有偏差;(2)被检工件中的K值,是通过计算得到的。在数据获取过程中,无论是从示屏读取T,还是通过测量读取L,都存在一定误差,必然导致K值变化。6本方法的准确性和不足(1)通过理论计算,配合较高稳定性与精度的仪器和探头组合性能,非同质试块的代用,对在用设备的检验,可以达到精确的壁厚测定与缺陷定位,相对误差可小于5%;(