（油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)論文）油氣輸送管線對接環(huán)焊縫檢測技術(shù)研究.pdf

目錄 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： r e s e a r c ho n t e s t i n gt e c h n i q u eo ft r a n s v e r s ew e l do fo i l & g a sp i p e l i n e n n g a b s t r a c t i no r d e rt oa s s u r e dt h es a l t yo ft h ep i p l e l i n ew h i c ha r eu s e dt ot r a n s p o r to i la n dg a s ，t h e w e l do ft h ep i p e l i n em u s tb et e s t e d ，a f f e c t e db yv a r i o u sk i n d so fc o n d i t i o n s ，c r a c k 、u n f u s i o n a n do t h e rd e f e c t sm a ye x i s ti nt h ew e l d f i r s t , s t u d yi n t r o d u c e st h eo f t e nu s e dn d tm e t h o d s ，i n c l u d i n gr a yt e s t i n g 、u l t r a s o n i c t e s t i n g ( u t ) ，a n da l s oi n t r o d u c e st h em e c h a n i s mo fu ti nd e t a i l ，a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h et e s t i n gm e t h o d s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti st h eu t s e c t i o n a r t i c l eh a sr e s e a r c ht h ed e f e c ts o r t sm a ye m c e ei nw e l d i n gp r o c e s s ，e v a l u a t e dt h e d a n g e r o u sd e g r e ea n dt a k e nm e a n st op r o v e n tt h e m t r a n s d u c e ra n dt e s tb l o c ka r et h ev i t a l p a r t si nu t t h ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go ft r a n s d u c e ra r ec l o s er e l a t i v et ou tr e s u l t w i t hr e g a r dt ot h ep r o b l e mw h i c hm a ya f f e c tt e s t i n gr e s u l ti nt r a n s d u c e rd e s i g n i n ga n d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h es t u d yp r o v i d e sr e l a t i v ee o r r e s p o n g i n gs o l u t i o n s ；d e s i g n sa l lk i n d s o fa r t i f i c i a lt e s tb l o c ki nw h i c hd e f e c t se x i s t t o f dt e c h n i q u ed e p e n d so nt h ei n t e r a c t i o no f u l t r a s o n i cw a v ea n dd e f e c te n dw h i c he m i t i n gd i f f r a c t i v ew a v ei nal a r g er a n g e ，w ec a n c o n f i r mt h ee x i s to fd e f e c tt h r o u g hf i n d i n gd i f f r a c t i v ew a v e a r c t i c l ei n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t o ft o f dt e c h n i q u e ，r e s e a r c h e st h et o f ds i g n a la n dc o r r e s p o n d i n gi m a g ei nt e s t i n g p r o c e s s ，a n a l y z e st h ee r r o ra n dp r o v i d e ss o l u t i o n s e v e r a li m a g eo ft y p i c a ld e f e c ta r eg a i n e d a f t e re x p e r i m e n t w eu s et o f dm e t h o dt ot e s tt h ew e l do fp i p e l i n e ，t a k ex - r a yt or e t e s tt h e w e l dt od e t e r m i n et h ed e f i e c t sf o u n db yt o f dt e c h n i q u e ，f i n a l l yg a i nag o o dr e s u l t i t i n d i c a t e st h a tt h et e s t i n gr e l i a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo ft h el a r g et h i c k n e s st h r o u g ht o f d t e c h n i q u ei sv e r yh i 曲t h a t t h i st e c h n i q u ec a n r e p l a c ex - r a yt e s t i n g k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct e s t i n gt o f dt r a n s d u c e rw e l dt e s tb l o c k t h e s i s ：f u n d a m e n tt e c h n i q u er e s e a r c h i i i 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論 文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果：也不包含為獲得西安石油大學(xué) 或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所 做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 論文作者簽名：j 醚日期：遜：魚：l 學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安石油大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校 攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安石油大學(xué)。學(xué)校享有以任何方法發(fā) 表、復(fù)制、公開閱覽、借閱以及申請專利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論 文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，署名單位仍然為西安石油大學(xué)。 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 日期： 注：如本論文涉密，請?jiān)谑褂檬跈?quán)的說明中指出( 含解密年限等) 。 遂敬 藍(lán)互 第一章緒論 第一章緒論 1 1 管道焊縫檢測的歷史和現(xiàn)狀 管道輸送作為大量輸送石油、氣體等能源的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸手段在世界各地得到了 廣泛應(yīng)用，為了保障油氣管道安全運(yùn)行，延長使用壽命應(yīng)，對其定期進(jìn)行檢測，以便發(fā) 現(xiàn)問題，采取措施。 焊接結(jié)構(gòu)由于多種因素的影響，不可避免地存在不同程度的缺陷，保證含有焊接件 的裝置安全運(yùn)行就成為富有挑戰(zhàn)性的課題。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家如美國、加拿大、日本在管 道安全檢測方面較早，技術(shù)比較成熟，工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也比較深入。盡管如此，各國輸 送管道的事故率仍然較高。在世道輸送歷史上，由于管道泄露而發(fā)生的惡性事故觸目驚 心。美國天然氣管道局對1 9 8 6 - - 2 0 0 0 年期間大的管道事故及其造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損 失的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示：在不到十四年時(shí)間里，美國的天然氣管道就發(fā)生事故1 1 8 4 起，造成 了5 5 人死亡，2 1 0 人受傷，財(cái)產(chǎn)損失共計(jì)約2 5 億美元。最近幾年，俄羅斯、巴基斯坦、 阿根廷、加拿大等國家也有管道斷裂事故的報(bào)道，其根本原因就是沒有進(jìn)行嚴(yán)格可靠的 檢測和監(jiān)測。因此在輸送管道的建設(shè)和運(yùn)營中，一個(gè)重要的問題就是施工過程中焊縫的 質(zhì)量檢測以及設(shè)備運(yùn)營中焊縫的安全監(jiān)測。 為了檢出焊縫中的裂紋和未焊透等危害性缺陷，并且與焊接作業(yè)同步，在焊縫檢測 中采用自動(dòng)檢測技術(shù)日漸增多。檢測方法的研究與管道的焊接方法研究聯(lián)系緊密。從2 0 世紀(jì)2 0 年代，澳大利亞研制出纖維型焊條的手工電弧焊并以此來進(jìn)行管道對接焊縫的焊 接開始，管道對接焊縫質(zhì)量檢測的研究就開始了。無損檢測的歷史很悠久，從超聲波檢 測、射線檢測、電磁檢測等，都已用于焊接結(jié)構(gòu)的檢測。 1 1 1 超聲檢測技術(shù) 荷蘭的r t d 是自動(dòng)超聲檢測工業(yè)應(yīng)用的先驅(qū)，1 9 5 9 年，他們研制的“r o t o s e a n ”系 統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用。三個(gè)探頭可同時(shí)對焊縫中的縱、橫各種裂紋進(jìn)行檢測。但是由于手工操作 難以排除焊角假發(fā)射的干擾。缺陷波反射不易分辨的限制，加上手工焊縫的本身缺陷的 不可控因素，如焊接狀況以及現(xiàn)場檢測環(huán)境等成為阻礙手工焊縫自動(dòng)化的關(guān)鍵。2 0 世紀(jì) 6 0 年代管道對接焊縫的超聲檢測發(fā)展緩慢。管道自動(dòng)焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用大大推動(dòng)了 焊縫檢測自動(dòng)化的進(jìn)程。當(dāng)時(shí)著名的自動(dòng)焊接系統(tǒng)有美國的c r c 、荷蘭的v e r m a t 、法國 的s e r i m e r 、加拿大的r m s 等。1 9 7 1 年t o n y r i c h a r d s o n 設(shè)計(jì)出首臺針對c r c 系統(tǒng) 自動(dòng)焊縫的超聲檢測系統(tǒng)。2 0 世紀(jì)7 0 年代衡量自動(dòng)檢測系統(tǒng)主要有兩條：信息的采集 量和手動(dòng)掃描方式的模仿程度。2 0 世紀(jì)8 0 年代中期，聚焦探頭、數(shù)字化超聲波探傷儀 等方面迅速發(fā)展，提高了信噪比。e c a ( e n g i n e e i n gc f i t i f la s s e n s s m e n t 卜種把超聲結(jié)果 和斷裂力學(xué)性能聯(lián)系起來的觀點(diǎn)得到重視。這種管道對接焊縫檢測把焊縫分成數(shù)個(gè)區(qū)域 的觀念，不僅可以定出裂紋的尺寸，而且便于計(jì)算機(jī)中顯示識別不同的區(qū)域。 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 加拿大是世界上實(shí)際使用超聲檢測控制管道焊縫建設(shè)質(zhì)量較成熟的國家。加拿大2 0 世紀(jì)8 0 年代就在管道工程建設(shè)中廣泛使用超聲無損檢測方法，并且已經(jīng)把自動(dòng)超聲檢測 作為射線檢測替代方法使用。1 9 9 3 年，t r a n s c a n a d ap i p e l i n el t d ( t c p l ) 一加拿大最大 的管道公司把自動(dòng)超聲檢測作為主要的無損檢測方法用于管道建設(shè)中的自動(dòng)焊縫檢測， 利用t o f d ( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ) 技術(shù)，系統(tǒng)的檢測精度可以達(dá)到0 1 o 2 m m 。同年， t c p l 針對接焊縫的檢測制訂了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在t c p l 的推動(dòng)下，超聲檢測系統(tǒng)的 可靠性、檢測速度和系統(tǒng)的評價(jià)能力得到了很大的提高。1 9 9 7 年，改進(jìn)的t c p l 檢測系 統(tǒng)用于大口徑手工對接焊縫的檢測c h 。 目前超聲波檢測技術(shù)有了很大的發(fā)展，超聲波相控陣檢測、導(dǎo)波檢測和t o f d 檢測 技術(shù)也比較成熟，在工業(yè)上有大量應(yīng)用。 超聲相控陣的基本概念來自相控雷達(dá)技術(shù)。在相控陣?yán)走_(dá)中，大量的子天線單元按 一定形狀排列起來，通過控制每個(gè)子單元發(fā)射電磁波束的延時(shí)和幅度，就能在究竟范圍 內(nèi)合成靈活聚焦掃描的雷達(dá)波束旺，。 相控陣技術(shù)用于無損檢測的最初設(shè)想是b r a n df i a l d 于1 9 5 4 年提出的。德國i z f p 研 究所首先開發(fā)出為適應(yīng)無損檢測需要而改裝的商用醫(yī)學(xué)相控陣裝置，在至今4 0 多年的歷 史里廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像。雖然相控陣超聲成像的概念很早就提出了，但由于當(dāng)時(shí) 電子發(fā)展水平不高、超聲陣列換能器制造技術(shù)難以達(dá)到要求和數(shù)字信號處理技術(shù)不成熟 等因素的制約，系統(tǒng)復(fù)雜且成本很高，直到8 0 年代末相控超聲檢測技術(shù)才被普遍接受和 應(yīng)用1 3 1 。 近年來國外對相控陣超聲檢測技術(shù)的研究日趨活躍，例如在核工業(yè)、航空工業(yè)等質(zhì) 量要求高的行業(yè)，開始引入超聲相控陣技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測h 1 ；對傳統(tǒng)超聲檢測效果不太 理想的奧氏體焊縫、混凝土和復(fù)合材料，也進(jìn)行了相控陣超聲檢測的嘗試l 5 3 , 如德國 k k 公司已經(jīng)研究開發(fā)出了相控陣超聲檢測系統(tǒng)u s p c 2 1 0 0 ，這是一套基于p c 機(jī)的p c i 總線架構(gòu)的相控陣超聲檢測系統(tǒng)；加拿大1 u d t e c h 公司也推出了t o m o s c a n 系統(tǒng)和 q u i c k s c a n 系列相控陣超聲檢測系統(tǒng)，并已成功應(yīng)用于生產(chǎn)1 。 近十年來，國外對超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的研究十分活躍，超聲導(dǎo)波( u l t r a s o n i cg u i d e d w | a v e ) 檢測技術(shù)利用低頻扭曲波( t o r s i n a lw a v e ) 或縱波( l o n g i t u d i n a lw a v e ) 可對管 路、管道進(jìn)行長距離檢測，包括對于地下埋管不開挖狀態(tài)下的長距離檢測。 t o f d 技術(shù)全稱t i m e - o f - f l i g h t - d i f f r a c t i o n ( 繞射波傳播時(shí)間技術(shù)) ，是2 0 世紀(jì)7 0 年代 末由英國h a r w e l l 試驗(yàn)室( u k a e a ) 的s i l k 和l i d i n g t o n 先生發(fā)明的。它是一種可以精確測 量缺陷尺寸的超聲波檢測技術(shù)，可以精確測量平面缺陷的在壁厚方向的高度，為設(shè)備的 可用性評估提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2 0 世紀(jì)8 0 年代，在英國核工業(yè)領(lǐng)域中，要求減少缺陷高度 測量的失誤，以精確進(jìn)行斷裂力學(xué)評估，t o f d 技術(shù)的發(fā)展為設(shè)備的可用性評估提供了 精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此技術(shù)在國外應(yīng)用在石油天然氣和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域隨著對t o f d 理解的深化，以其檢測的快速性和尺寸測量的可靠性必將得到更加廣泛的應(yīng)用。在英國 2 第一章緒論 出版物和歐洲臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)對t o f d 技術(shù)的應(yīng)用都有闡述f 刀。 1 1 2 射線檢測技術(shù) 射線檢測技術(shù)，從最初的單純膠片射線照相檢驗(yàn)，經(jīng)1 0 0 多年的發(fā)展，今天已成為 以先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)為特征，包括射線照相檢驗(yàn)、射線實(shí)時(shí)成像檢驗(yàn)和射線層析檢測等多 種技術(shù)的無損檢測手段。 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，我國射線檢測技術(shù)工作者引入了歐美和日本射線檢測技術(shù)的 研究成果，并進(jìn)行了消化性的研究和吸收，逐步形成了適合我國的、科學(xué)的理論系統(tǒng)。 以無損檢測學(xué)會(huì)i i 級教材、鍋爐壓力容器系統(tǒng)教材和航空航天系統(tǒng)內(nèi)部i i ，級合一培 訓(xùn)教材射線檢測技術(shù)為代表的新版培訓(xùn)教材，基于對射線照相檢驗(yàn)技術(shù)基本理論和 技術(shù)的理解和多年實(shí)際檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)等，構(gòu)建了我國射線照相檢驗(yàn)技術(shù)的理論系 統(tǒng)。 9 0 年代，射線檢測工作者所做的進(jìn)一步工作要有：全面引入國外標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)直徑、壁 厚、焊縫寬度、透照方式和透照次數(shù)的規(guī)定；對這些規(guī)定從一般理論上進(jìn)行了討論，并 進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了橢圓成像一次有效透照長度的近似估計(jì)方法。這些工作使小直 徑管對接焊縫的射線照相檢驗(yàn)有了完整的工藝，揭示了我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在的不足和問題。 隨著電子科學(xué)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模式識別技術(shù)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，射線檢測出現(xiàn)了 缺陷自動(dòng)識別技術(shù)，缺陷自動(dòng)識別技術(shù)一直受到一些研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，已有一些熔焊缺 陷自動(dòng)識別研究結(jié)果，如北方交通大學(xué)等提出了提高缺陷識別率的新課題，哈爾濱工業(yè) 大學(xué)國家焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了電阻點(diǎn)焊缺陷的自動(dòng)識別評定研究。該方面的研究可能 還要經(jīng)歷一段時(shí)間才能得到工業(yè)應(yīng)用成果。 8 0 年代我國已開展了c t ( 計(jì)算機(jī)層析成像) 技術(shù)的理論和試驗(yàn)研究工作。9 0 年代初 重慶大學(xué)i c t 中心、中科院高能所和東北大學(xué)等先后成功研制了y 射線c t 裝置。為打 破某國家對我國高能c t 的封鎖和禁運(yùn)，我國一些研究單位已在研究高能c t 裝置，并 研制出x 射線工業(yè)c t 裝置。 1 1 3 聲發(fā)射檢測技術(shù) 對于其它的檢測技術(shù)，如聲發(fā)射檢測技術(shù)主要用于壓力容器的檢測，目前應(yīng)用已經(jīng) 進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。聲發(fā)射最早是德國人k a i s e r 于1 9 5 0 - - 1 9 5 3 年開始進(jìn)行的，他觀察 到金屬鋅、銅、鋁及鉛都有聲發(fā)射現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射的不可逆性一“k a i e s e r 效 應(yīng) 8 ，即聲發(fā)射現(xiàn)象僅在第一次加載時(shí)產(chǎn)生，第二次加載及以后各次加載所產(chǎn)生的聲 發(fā)射變得微不足道，除非后來所加外應(yīng)力超過前面各次加載的最大值。這一效應(yīng)在工業(yè) 上得到廣泛應(yīng)用，成為用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)完整性的依據(jù)。 六十年代，美國出現(xiàn)了研究聲發(fā)射技術(shù)的高潮。美國的s c h o f i e l d 對聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn) 行了廣泛的研究，認(rèn)為聲發(fā)射源自材料的內(nèi)部機(jī)制，他發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射連續(xù)型號對應(yīng)變速率 敏感，它來源于位錯(cuò)和交叉滑移；突發(fā)型信號與堆跺層錯(cuò)的形成和機(jī)械孿晶變形機(jī)構(gòu)有 3 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 關(guān)。 我國從1 9 7 3 年起開始有關(guān)聲發(fā)射的研究工作，2 0 多年來，我國聲發(fā)射技術(shù)在研究、 應(yīng)用的深度和廣度上都有比較大的發(fā)展。自1 9 8 5 年公布小型壓力容器原應(yīng)用聲發(fā)射檢 驗(yàn)代替x 射線透照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之后，除公布纖維加強(qiáng)塑料壓力容器聲發(fā)射檢驗(yàn)規(guī)范 標(biāo)準(zhǔn)之外，于1 9 8 8 年還公布金屬壓力容器試壓聲發(fā)射檢驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。這將有助于在 壓力容器檢驗(yàn)中廣泛的應(yīng)用和發(fā)展聲發(fā)射技術(shù)。 非常規(guī)的無損檢測方法還有泄漏檢測( l e a kt e s t i n g ( 縮寫l t ) ) ；光全息照相 ( o p t i c a lh o l o g r a p h y ) ；紅外熱成象( i n f r a r e dt h e r m o g r a p h y ) ；微波檢測( m i c r o w a v e t e s t i n g ) ： 1 1 4 研究對接焊縫無損檢測的意義 目前我國有以下幾條已經(jīng)建成或在建管道： 陜京輸氣管線 陜京天然氣輸送管線是國內(nèi)第一條長距離、大口徑和高度自動(dòng)化的輸氣管道。1 9 9 6 年3 月開工，1 9 9 7 年9 月1 0 日建成，全長9 1 8 4 2 公里，設(shè)計(jì)壓力6 4 兆帕，管道 穿過3 條地震帶，翻越呂梁山、恒山、太行山3 座山脈，穿越無定河、禿尾河、窟野河、 黃河、永定河5 條大河。全線穿越河流2 3 0 處、鐵路2 1 處，大型公路1 3 1 處。干線 所用鋼管鋼級最高為x 6 5 ，最大直徑6 6 0 m m ，除小部分( 全長的1 3 ) 采用直縫埋弧焊 管外，其余均采用螺旋焊接鋼管。 西氣東輸輸氣管線 西氣東輸輸氣工程是中國最大的長輸管道工程，也是西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程。干 線全長約3 9 0 0 k m ，管線途經(jīng)8 個(gè)省( 區(qū)) 和一個(gè)直轄市，設(shè)計(jì)年輸氣能力1 2 0 億立方米， 設(shè)計(jì)壓力1 0 m p a ，主干線管道直徑1 0 1 6 m m ，鋼管材質(zhì)x 7 0 ，一級地區(qū)采用過長螺旋埋 弧焊管，二、三、四類地區(qū)采用直縫埋弧焊管。干線采用三層p e 外防腐層防腐。鋼管 供貨廠家包括國內(nèi)各大鋼管生產(chǎn)廠和韓國、日本的幾個(gè)大型鋼管廠。 忠武線 管道干支線總長1 3 6 5 公里，干線管徑7 1 1 毫米，年設(shè)計(jì)輸氣能力3 0 億m 3 ，設(shè)計(jì)壓 力6 4 m p a ，支線壓力均為6 4 m p a ，管徑3 2 3 6 1 0 毫米不等。 蘭一成一渝成品油管線 蘭威一渝成品油管線是西部大開發(fā)重點(diǎn)工程，管線主干線全長1 2 4 7 公里，設(shè)計(jì)輸 油能力5 0 0 萬噸，是我國第一條大口徑、長距離、多點(diǎn)分輸?shù)某善酚洼斔凸芫€。 大口徑大壁厚油氣輸送管線是保證我國油氣輸送的重要管線工程，一般工程規(guī)模宏 大，線路有時(shí)穿越沙漠、戈壁、黃土高原，有時(shí)穿越長江、黃河等江河，有時(shí)穿越地震 斷裂帶和高強(qiáng)度地震活動(dòng)區(qū)。通常在極冷極熱惡劣的外部環(huán)境下運(yùn)行，服役條件十分苛 刻。加強(qiáng)長輸管道的無損檢測，從各個(gè)方面和環(huán)節(jié)對焊接存在的缺陷進(jìn)行補(bǔ)救和防范已 第一章緒論 經(jīng)是各國的共識。如我國在“西氣東輸”工程中為了保證管道對接焊縫質(zhì)量，對焊縫實(shí)行 1 0 0 探傷檢驗(yàn)。對于這樣大型的管道工程建設(shè)，如果使用傳統(tǒng)傳統(tǒng)的檢測方法，不僅增 加操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，延長施工周期，而且管道檢測的可靠性不能保證，可能管道以后 的安全運(yùn)行埋不良隱患。 我國目前采用的大口徑大壁厚對接焊縫缺陷無損檢測技術(shù)尚存在以下不足之處： ( 1 ) 對大壁厚連頭環(huán)焊縫而言，x 射線檢測已接近現(xiàn)有設(shè)備能力的上限，檢測時(shí)間 增加，且裂紋檢測靈敏度降低； ( 2 ) 超聲檢測人員對環(huán)焊縫缺陷超聲反射波識別不準(zhǔn)確；對裂紋、錯(cuò)邊、未熔合等 缺陷回波反射規(guī)律和評判了解甚少； ( 3 ) 無專用的超聲檢測儀器裝置； ( 4 ) 專用的超聲檢測評定方法技術(shù)和判廢標(biāo)準(zhǔn)不完善。 因此，我國石油工業(yè)急需對大口徑大壁厚油氣輸送管線對接環(huán)焊縫危害性缺陷的檢 測技術(shù)工藝評定方法進(jìn)行研究，研制專門和優(yōu)選有效的無損檢測儀器和裝置，應(yīng)用于大 口徑壁厚油氣輸氣管線對接環(huán)焊縫的現(xiàn)場檢測，提高缺陷檢測評判準(zhǔn)確可靠性。 為了提高檢測的可靠性和提高檢測效率，開發(fā)研制數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、圖象 化超聲檢測系統(tǒng)是當(dāng)今無損檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢。世界各工業(yè)化國家都在地研究與開發(fā) 新型的檢測技術(shù)與設(shè)備，尤其是開發(fā)檢測裂紋靈敏度高的技術(shù)與相關(guān)設(shè)備。我國近年來 管道建設(shè)量很大，在“西氣東輸 工程中為了保證管道對接焊縫質(zhì)量，對焊縫1 0 0 探傷 檢驗(yàn)。因此研制管道對接焊縫自動(dòng)檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。 大口徑大壁厚油氣輸送管線現(xiàn)場焊接施工的地理環(huán)境和氣候環(huán)境比較復(fù)雜。工藝過 程有時(shí)難以控制，部分管段對接環(huán)焊縫特別是連頭對接焊縫質(zhì)量更難以保證，焊縫易出 現(xiàn)焊接裂紋、未焊透、未熔合、錯(cuò)邊等缺陷。如果管線由于缺陷發(fā)生泄漏或斷裂破壞， 將可能直接引發(fā)火災(zāi)、爆炸等惡性事故，造成國家和人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此管 線工程對鋼管焊接質(zhì)量和油氣管道安全可靠性要求很高。研究大口徑大壁厚油氣輸送管 線建設(shè)中環(huán)焊縫無損檢測技術(shù)和評定技術(shù)，是檢測發(fā)現(xiàn)管線環(huán)焊縫中存在的危害性缺陷 的重要方法，是有效保證管線安全可靠性重要途徑之一。 國外在大口徑大壁厚油氣輸氣管線焊縫缺陷檢測評定方法技術(shù)方面已開發(fā)一系列新 技術(shù)并在管線建設(shè)工程對接環(huán)焊縫檢測中得到了成功應(yīng)用，有效地提高了管線環(huán)焊縫焊 接缺陷的檢測評定可靠性，減小了管線環(huán)焊縫失效損壞事故。這些新技術(shù)包括諸如t o f d ( 超聲波衍射時(shí)差) 技術(shù)、端角定時(shí)技術(shù)、相控陣檢測技術(shù)等。長輸管道無損檢測系統(tǒng) 工程機(jī)裝備技術(shù)復(fù)雜，國外公司多年來持技術(shù)壟斷，不是不賣技術(shù)就是漫天要價(jià)，立足 爭奪管道檢測市場，為此，非常有必要研究對接焊縫無損檢測技術(shù)。 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 研究內(nèi)容和方向 研究適合于檢測大口徑大壁厚油氣輸送管線對接環(huán)焊縫焊接缺陷的有效超聲檢測評 定方法技術(shù)，研究超聲射線評定標(biāo)準(zhǔn)和檢測評定裝置，主要內(nèi)容如下。 ( 1 ) 大口徑、大壁厚、連頭對接環(huán)焊縫缺陷類型研究 缺陷的特征很難用文字進(jìn)行準(zhǔn)確描述，而生動(dòng)明晰的視覺印象只有在實(shí)踐中才能建 立起來。焊接中常見缺陷有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊透和裂紋等。按其形狀不 同可分為平面型缺陷和體積型缺陷，其中，裂紋和未熔合、未焊透屬于平面型缺陷，氣 空和夾渣屬于體積型缺陷。 夾渣分為非金屬夾渣和金屬夾渣兩種，是在熔焊過程中產(chǎn)生的金屬氧化物或非金屬 氧化物來不及浮出表面，停留在焊縫內(nèi)部而形成的缺陷。 氣孔是焊接現(xiàn)場出現(xiàn)的主要焊接缺陷之一，是焊縫金屬凝固過程中由于侵入氣體而 形成的氣囊或空穴，造成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性。氣孔、夾渣等體積性缺陷的危害性主要表現(xiàn) 為降低焊接接頭的承載能力。如果氣孔穿透焊縫表面，介質(zhì)積存在孔穴內(nèi)，當(dāng)介質(zhì)有腐蝕 性時(shí)，將形成集中腐蝕，孔穴逐漸變深、變大，以至腐蝕穿孔而泄漏。夾渣邊緣如果有 尖銳形狀，還會(huì)在該處形成應(yīng)力集中。氣孔的分布情況不一，有密集的，單個(gè)的和鏈狀 的。 未焊透分為根部未焊透和中間未焊透兩種。前者產(chǎn)生于單面焊縫的根部，如直邊對 接單面焊縫。v 形坡口單面焊縫、x 形坡口雙面焊縫和丁字雙面焊縫等，未焊透內(nèi)部常有 夾渣。 未熔合分為邊緣未熔合和層間未熔合。邊緣未熔合是母材與焊材之間未熔合，其間 形成縫隙或夾渣；層間未熔合是多道焊縫中先后焊層間的未熔合。它相當(dāng)于一條裂紋， 當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)能擴(kuò)展成更大的裂紋，使構(gòu)件破壞。產(chǎn)生未焊透的原因是：焊接 電流小、焊接速度大、破口角度和間隙小、操作不當(dāng)、焊接接頭表面有油污、漆、鐵銹 在苗 守0 裂紋主要是在熔焊冷卻時(shí)因熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的，在校正或疲勞過程 中也有可能產(chǎn)生，是危險(xiǎn)性最大的一種缺陷。 ( 2 ) 分析研究目前采用無損檢測方法技術(shù) 分析各種無損檢測方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性，包括適用范圍、可發(fā)現(xiàn)缺陷及靈敏度、判 定方法等。 ( 3 ) t o f d 技術(shù) t o f d ( t i m eo f f l i g h td i f f r a c t i o n ) 是一種依靠從待檢試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)( 主要是指缺陷) 的“端角 和“端點(diǎn)”處得到的衍射能量來檢測缺陷的方法。其探傷原理是：發(fā)射探頭 和接收探頭按一定間距相向放置，盡可能使被檢缺陷處于兩探頭間距中點(diǎn)正下方，然后 使小晶片發(fā)射探頭向被檢焊縫發(fā)出一束指向角足夠大的斜射縱波聲束，此聲束可充分覆 6 第一章緒論 蓋整個(gè)板厚范圍內(nèi)的焊縫體積，若在缺陷上下端部能產(chǎn)生衍射波并被同尺寸、同頻率的 接收探頭接收到，則根據(jù)沿探測面?zhèn)鞑サ膫?cè)向波與由缺陷上下端部產(chǎn)生的衍射波，以及 底面回波( 簡稱底波) 到達(dá)接收探頭的傳播時(shí)間差與聲速的關(guān)系，即可準(zhǔn)確地測出缺陷( 如 裂紋) 的埋藏深度和自身高度。t o f d 法有賴于超聲波與缺陷端部的相互作用。相互作用 結(jié)果會(huì)在較大角度范圍發(fā)射衍射波。檢出衍射波就能確定缺陷的存在。缺陷尺寸根據(jù)衍 射信號的傳播時(shí)間而非幅度來測量。 本課題來源為北京華油天然氣有限公司委托中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所的 科研項(xiàng)目大口徑環(huán)焊縫檢測技術(shù)研究。 7 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章超聲波檢測理論 超聲波可以探測厚度較大的材料，且具有檢測速度快、穿透能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)顯示、設(shè) 備輕便、操作無害、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波檢測已經(jīng)發(fā)展成一種很重要的 無損檢測方法，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。 2 1 超聲波的物理特性 超聲波是一種機(jī)械波，是超聲振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，它的實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性 介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動(dòng)。 根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向，超聲波可以分為橫波、縱波和表面波等。 各種波型的比較如表2 1 。 表2 - 1 各種波形比較 波的類型質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特點(diǎn)傳播介質(zhì)應(yīng)用 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于 縱波固、液、氣體介質(zhì)鋼板、鍛件探傷等 波傳播方向 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于 橫波固體介質(zhì)焊縫、鋼管探傷等 波傳播方向 質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，橢 圓長軸垂直波傳播方向，固體介質(zhì)鋼管探傷等 表面波 短軸平行于波傳播方向 對稱型上下表面：橢圓運(yùn)動(dòng)， ( s 型) 中心：縱向振動(dòng)固體介質(zhì) 薄板、薄壁鋼管等 板波 上卜霰曲：橢圓運(yùn)動(dòng)， ( 厚度與波長相當(dāng)?shù)谋“?( q 酥- 6 m m ) 非對稱型( a 型)中心：橫向振動(dòng) 2 2 波的迭加和衍射 兩列頻率相同，振動(dòng)方向相同，位相相同或位相差恒定的波相遇時(shí)，介質(zhì)中某些地 方的振動(dòng)互相加強(qiáng)，而另一些地方的振動(dòng)互相減弱或完全抵消的現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波叫相干波，其波源稱為相干波源。 波的迭加原理是波的干涉現(xiàn)象的基礎(chǔ)，波的干涉是波動(dòng)的重要特征。在超聲波探傷 中，由于波的干涉，使超聲波源附近出現(xiàn)聲壓極大極小值。 圖2 - 1 波的干涉圖2 2 波的衍射 如圖2 - 1 所示，點(diǎn)波源s 、s ：在m 點(diǎn)引起的振動(dòng)為 8 第二章超聲波檢測理論 m = c o s c o ( t 一形) = c o s c o ( t 一) 質(zhì)點(diǎn)m 的合振動(dòng)為 y = a c o s ( c o t + 礦) 肚彳+ 彳+ 2 4 細(xì)s 等仃 式中 a l 、a 2 一s l 、s 2 在m 點(diǎn)引起的振幅； a m 點(diǎn)的合振幅： 蛐長； o 一波程差，o = x 2 一x l 。 由匕可知： ( 1 ) 當(dāng)o - - n 九( n 為整數(shù)) 時(shí)，a = a l + a 2 。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于波長的整數(shù) 倍時(shí)，二者互相加強(qiáng)，合振幅達(dá)最大值。 ( 2 ) 當(dāng)o = ( 2 n + 1 ) l 2 ( n 為整數(shù)) 時(shí)，a - ia l - a 2l 。這說明當(dāng)兩相干波的波程差等于半 波長的奇數(shù)倍時(shí)，二者互相抵消，合振幅達(dá)最小值。若a l = a 2 ，則a = 0 ，即二者完全抵 消。 波在傳播過程中遇到與波長相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，能繞過障礙物邊緣改變方向繼續(xù)前進(jìn) 的現(xiàn)象，稱為波的衍射或波的繞射。 如圖2 2 所示，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若遇到缺陷a b ，據(jù)惠更斯原理，缺陷邊緣 a 、b 可以看作是發(fā)射子波的波源，使波的傳播方向改變，從而使缺陷背后的聲影縮小， 反射波降低。 波的繞射和障礙物尺寸d f 及波長九的相對大小有關(guān)。 波的繞射對探傷既有利又不利。由于波的繞射，使超聲波產(chǎn)生晶粒繞射順利地在介 質(zhì)中傳播，這對探傷是有利的。但同時(shí)由于波的繞射，使一些小缺陷回波顯著下降，以 致造成漏檢這對探傷不利。 2 3 超聲波的反射與透射 在介紹超聲波的反射與透射時(shí)，須知道描述超聲場的特征值有聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。 聲壓p ：超聲場中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)p o 與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓 強(qiáng)p o 之差，稱為該點(diǎn)的聲壓，用p 表示。 p = p i - p o( 2 2 ) 聲壓單位：帕斯卡( p a ) ，微帕斯卡( 妒a ) 聲阻抗z ：超聲場中任一點(diǎn)的聲壓與該處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱為聲阻抗，常用z 表示。 z = p u = p c u u = p e ( 2 - 3 ) 聲阻抗的單位為克厘米2 意) ( g c m 2 s ) 或千克米2 ( k g m 2 s ) 。 由u = p z 不難看出，在同一聲壓下，z 增加，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度下降。因此聲阻抗z 可 9 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 理解為介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的阻礙作用。聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量。超聲波 在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射情況與兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。 聲強(qiáng)i ：單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，常用i 表示。單位是瓦厘 米2 ( w c m ) 或焦耳厘米2 秒( j c m 2 s ) 。 分貝與奈培：在生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，所遇到的聲強(qiáng)數(shù)量級往往相差懸殊，如引起聽 覺的聲強(qiáng)范圍為1 0 。1 6 1 0 _ 瓦厘米2 ，最大值與最小值相差1 2 個(gè)數(shù)量級。顯然采用絕對 量來度量是不方便的，但如果對其比值( 相對量) 取對數(shù)來比較計(jì)算則可大大簡化運(yùn)算。 分貝與奈培就是兩個(gè)同量綱的量之比取對數(shù)后的單位。 通常規(guī)定引起聽覺的最弱聲強(qiáng)為i , = 1 0 1 6 瓦厘米2 作為聲強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，另一聲強(qiáng)i 。與 標(biāo)準(zhǔn)聲強(qiáng)i 之比的常用對數(shù)稱為聲強(qiáng)級，單位為貝爾( b e l ) 。 a = l g 厶厶( b e l ) 實(shí)際應(yīng)用貝爾太大，故常取1 l o 貝爾即分貝( d b ) 來作單位。 = l o l s 厶= 2 0 l g 最露( a s ) ( 2 - 4 ) 通常說某處的噪聲為多少分貝，就是以1 0 。1 6 瓦厘米2 為標(biāo)準(zhǔn)利用上式計(jì)算得到的。 在超聲波探傷中，當(dāng)超聲波探傷儀的垂直線性較好時(shí)，儀器示波屏上的波高與聲壓 成正比。這時(shí)有 = 2 0 1 9 p 2 互= 1 0 1 9 皿q ( a s ) ( 2 - 5 ) 這里聲壓基準(zhǔn)p 或波高基準(zhǔn)h 可以任意選取。 若對p 2 p l 或h 2 h l 取自然對數(shù)，則其單位為奈培( n p ) = 2 0 1 n 縣丑= 1 0 i n 皿h , ( a s ) ( 2 6 ) 2 3 1 單一平界面的反射率與透射率 當(dāng)超聲波垂直入射列光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的 反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波，如圖2 3 。反射波與透射 波的聲壓( 或聲強(qiáng)) 是按一定規(guī)律分配的。這個(gè)分配比例由聲壓反射率( 或聲強(qiáng)反射率) 和透 射率( 或聲強(qiáng)透射率) 來表示。 ，u l 厶l 五_、b 一 、 一 、 一 一 ll ，t 圖2 3 垂直入射到單一平界面 設(shè)入射波的聲壓為p o ( 聲強(qiáng)為i o ) ，反射波的聲壓為p r ( 聲強(qiáng)為i r ) ，透射波的聲壓為蹦聲 強(qiáng)為1 0 。界面上反射波聲壓p r 與入射波聲壓p o 之比稱為界面的聲壓反射率，用r 表示， 1 0 第二章超聲波檢測理論 即r = p r p o 。界面上透射波聲壓p 。與入射波聲壓p o 之比稱為界面的聲壓透射率，用t 表示， 即t - = p t p o 。 在界面兩側(cè)的聲波，必須符合下列兩個(gè)條件： ( 1 ) 界面兩側(cè)的總聲壓相等，即p o + p r - p t ； ( 2 ) 界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值相等，耳o ( p o - p r ) z l - p t z 2 。 由上述兩邊界條件和聲壓反射率，透射率定義得 j 1 + ，= f 【( 1 - r ) z 1 = f z 2 解上述聯(lián)立方程得聲壓反射率r 和透射率t 分別為 ，一p z j z lr = = = o 最z 2 + z l ( 2 7 ) f ：旦：二l 忍z 2 + z 1 式中z 。一第一種介質(zhì)的聲阻抗： z 2 - 第二種介質(zhì)的聲阻抗。 界面上反射波聲強(qiáng)i ，與入射波聲強(qiáng)i 。之比稱為聲強(qiáng)反射率，用r 表示。 疊 r = 去魯= 等一，z = c 藕z 2 - z , 2i o臻臻、z 2 + z t l 2 z , ( 2 - 8 ) 界面上透射波聲強(qiáng)i 。與入射波聲強(qiáng)i o 之比稱為強(qiáng)透射率，用t 表示。 蘭 丁= 丟寺= 囂= c 愛，2 9 ， 2 z l 以上各式說明超聲波垂直入射到平界面上時(shí)，聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè) 介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。 由以上幾式可以導(dǎo)出： t + r = it - r = l ( 2 - l o ) a 當(dāng)z 2 z l 時(shí)，r = ( z 2 z 1 ) ( z 2 + z 1 ) 0 ，反射波r 與入射波聲壓p o 同相位。界面上反射 波與入射波疊加類似駐波，合成聲壓振幅增大為p o + p r ，例如超聲波平面波垂直入射到水 鋼界面，如圖2 4 所示。 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 鬈 艮一一 ，j ，l 。d 纛射- 嘭 l 一_ ”- 齠誓 函 。( ，冉h 矗 圖2 _ 4 平面波垂直入射到水鋼界面( z 2 z 1 ) b 當(dāng)z i 0 ，反射波聲壓p ，與入射波聲壓p o 相位相反，反 射波與入射波合成聲壓振幅減小。例如超聲波平面波垂直入射到鋼水界面。如圖2 5 所 示。 曩j曩 醫(yī)簧蘞一 1 o 一廠1 t - - n _ - - 纛甜鼉 i、燁 1 、一 唆 、- l 黔n a 瞄 磊 圖2 5 平面波垂直入射到鋼水界面( z 2 z ：時(shí)，( 如鋼空氣界面) ，z i ：4 5 1 0 6 克厘米2 秒，z 2 = 0 0 0 0 0 4 1 0 6 克厘米2 秒， 探傷中，探頭和工件間如不施加耦合劑，則形成固( 晶片) 氣界面，超聲波將無法進(jìn) 入工件。 d 當(dāng)z 。z 。時(shí)，即界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗近似相等時(shí)，r l 。這說明超聲波垂直入 射到兩種聲阻抗相差i t , l , 的介質(zhì)組成的界面時(shí)，幾乎全透射，無反射。因此在焊縫探傷 中，若母材與填充金屬結(jié)合面沒有任何缺陷，是不會(huì)產(chǎn)生界面回波的。 以上討論的超聲波垂直到單一平界面上的聲壓、聲強(qiáng)反射率和透射率公式同樣適用 于橫波入射的情況，但必須注意的是在固體液體或固體汽體界面界上，橫波全反射。 因?yàn)闄M波不能在液體和氣體中傳播。 2 3 2 薄層截面的反射率與透射率 超聲波探傷時(shí)，經(jīng)常遇到耦合層和缺陷薄層等問題，這些都可歸結(jié)為超聲波在薄層 界面的反射和透射問題。此時(shí)，超聲波是由聲阻抗為z l 的第一介質(zhì)入射到z l 和z 2 界面， 然后通過聲阻抗為z 2 的第二介質(zhì)薄層射到z 2 和z 3 界面，最后進(jìn)入聲阻抗為z 3 的第三介 質(zhì)。超聲波通過一定厚度的異質(zhì)薄層時(shí)，反射和透射情況與單一的平界面不同。異質(zhì)薄 1 2 第二章超聲波檢測理論 層很薄，進(jìn)入薄層內(nèi)的超聲波會(huì)在薄層兩側(cè)界面引起多次反射和透射，形成一系列的反 射波和透射波，如圖2 - 6 ( a ) 所示。 2 一 看i 一 ：ll 瓦。 i ：_如 j ， j 而 ， 且h 一 ( a ) 薄層反射與透射( b ) 窄脈沖不干涉( c ) 寬脈沖干涉 圖2 - 6 介質(zhì)中薄層的反射與透射 當(dāng)超聲波脈沖寬度相對于薄層較窄時(shí)，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互不干涉， 如圖2 - 6 ( b ) 所示。當(dāng)脈沖寬度相對于薄層較寬時(shí)，薄層兩側(cè)的各次反射波、透射波互相 疊加產(chǎn)生干涉，如圖2 6 ( e ) 。由于上述原因，聲壓反射率和透射率的計(jì)算就比較復(fù)雜， 本節(jié)不予介紹。一般說來，超聲波通過異質(zhì)薄層時(shí)的聲壓反射率和透射率不僅與介質(zhì)聲 阻抗和薄層聲阻抗有關(guān)，而且與薄層厚度同其波長之比d 2 x 2 有關(guān)。 a 均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層( z l = z 3 z 2 )對于z l = z 3 z 2 ，即均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄 層，其聲壓反射率與透射率為： 打扣n 2 警 1 + 三r ，竹一_ _ 1 ) 2s i n 2 2 x 2 d ( 2 1 1 ) 式中d r 異質(zhì)薄層厚度： k 一異質(zhì)薄層中的波長； 7 m 一兩種介質(zhì)聲阻抗之比，m = 爭。 么2 由以上公式可知： ( 1 ) 當(dāng)喀= 露睪( n 為整數(shù)) 時(shí)，聲o ，b 1 。這說明當(dāng)薄層兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相等，薄層厚 度為其半波長的整數(shù)倍時(shí)，超聲波全透射，幾乎無反射( 刪) ，好象不存在異質(zhì)薄層一樣。 這種透聲層常稱為半波透聲層。 ( 2 ) 當(dāng)盔= ( 2 ，z + 1 ) 手( n 為整數(shù)) 時(shí)，聲壓透射率最低，聲壓反射率最高。 斗 b 薄層兩側(cè)介質(zhì)不同的雙界面對于z l z 2 z 3 ，即非均勻介質(zhì)中的薄層，例如晶 西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文 片一保護(hù)膜一工件，其聲強(qiáng)透射率為： 丁= 雨鬲莩4 z 再i z 3 阿礙 由上式可知： ( 1 ) 當(dāng)攻= ，z ( n 為整數(shù)) 時(shí)，丁= 西4 而z 1 z a 若薄層厚度等于半波長的整數(shù)倍，則通過薄層的聲強(qiáng)透射率與薄層的性質(zhì)無關(guān)，好 象不存在薄層一樣。 ( 2 ) 粉+ 1 ) 魯( n 為整數(shù)) 時(shí)，且z 2 = 廂們2 再4 z i z 3 1 ，表明超 聲波垂直入射到兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗不同的薄層，若薄層厚度等于m 的奇數(shù)倍，薄層聲阻 抗為其兩側(cè)介質(zhì)聲阻幾何平均值時(shí)，即，其聲強(qiáng)透射率等于i ，超聲波全透射。這對于 直探頭保護(hù)膜的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。 2 3 3 聲壓往復(fù)透射率 在超聲波單探頭探傷中，探頭兼作發(fā)射和接收超聲波。探頭投的超聲波透過界面進(jìn) 入工件，在固氣底面產(chǎn)生全反射后再次通過同一界面被探頭接收，這時(shí)探頭接收到的回 波聲壓p 。與入射波聲壓p o 之比，稱為聲壓往復(fù)透射率t 往。 = 號= 囂= 器 ( 2 - 1 3 ) 位 晶最只( z j + z 1 ) 2 、 比較( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 式可以看才出波垂直入射時(shí)，在底面全反射的務(wù)件下聲壓往復(fù)透 射率與聲強(qiáng)透射率在數(shù)值上相等。 例如用p z t - 5 晶片( z l = 3 3 7 x 1 0 6 克厘米2 秒) 對鋼制工件( z 2 - - 4 5 0 x 1 0 6 克厘米2 秒) 探 傷時(shí)，若耦合劑中聲壓全透射，鋼制工件底面聲壓全反射，則其聲壓往復(fù)透射率為9 8 7 。 又如水浸法探傷鋼制工件時(shí)，水中聲阻抗z l = o 1 5 x 1 0 6 克厘米2 秒，鋼中聲阻抗 z 2 = 4 5 x 1 0 6 克厘米2 秒，若底面全反射，則超聲波在水鋼界面的聲壓往復(fù)透射率為 由( 2 1 1 ) 式可知，聲壓往復(fù)透射率與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與從何種介質(zhì)入射 到界面無關(guān)。界面兩側(cè)分質(zhì)的聲阻抗相差愈小，聲壓往復(fù)透射率就愈高，反之就愈低。 篁三童塑生鎏笙型里笙一 一一一一 2 4 超聲波傾斜入射到界面時(shí)的反射和折射 2 4 1 波型轉(zhuǎn)換與反射、折射定律 如圖2 7 所示，當(dāng)超聲波傾斜入射到界面時(shí)，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還 會(huì)產(chǎn)生不同類型的反射和折射波，這種現(xiàn)象稱為波型轉(zhuǎn)換。 t o 妙 磊一 弋 l 南 一 l 髟。 專壤 氏 落 聚 ( a ) 縱波入射 橫波入射 圖2 7 傾斜入射 a 縱波斜入射當(dāng)縱波l 傾斜入射