超聲端點(diǎn)反射法測(cè)量裂紋高度的研究

1、超聲端點(diǎn)反射法測(cè)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(guò)壁厚的徑向長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)曾對(duì)10萬(wàn)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(duì)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(cè)方法 121 6db法 6db法是超聲

2、測(cè)量長(zhǎng)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(zhǎng)度，該長(zhǎng)度稱為指示長(zhǎng)度但并非裂紋的真實(shí)長(zhǎng)度。這種方法可以用來(lái)測(cè)高，但是誤差較大。 122 表面波延時(shí)法 對(duì)表面開(kāi)口的裂紋可采用表面波延時(shí)法來(lái)測(cè)量裂紋深度，該法主要是通過(guò)裂紋對(duì)表面波的延時(shí)作用來(lái)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(kāi)口，使測(cè)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(hào)很低甚至接收不到。缺陷表面過(guò)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(guò)測(cè)量裂紋端點(diǎn)衍射回波的延遲時(shí)間差值來(lái)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(cè)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(guò)測(cè)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(shuō)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(cè)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(zhǎng)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(hào)數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過(guò)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(hào)處理端點(diǎn)回波聲程測(cè)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(cè)對(duì)回波聲程的測(cè)定是通過(guò)屏幕上回波所處位置的水平量值來(lái)?yè)Q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(cè)定的聲程值誤差很大。數(shù)字信號(hào)處理端點(diǎn)回波聲程(w)是通過(guò)計(jì)算機(jī)A / D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(hào)分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的回波模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(cè)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(kāi)口裂紋 如圖2所示，對(duì)于垂直表面開(kāi)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(kāi)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(duì)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(cè)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(cè)到，而下端點(diǎn)是由二次波探測(cè)到（如圖3，B），設(shè)一、二次波的總聲程為L(zhǎng)2。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(duì)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(cè)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(cè)到，而下端點(diǎn)是由二次波探測(cè)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(cè)量精度，工件厚度T和探頭K值必須精確測(cè)量。 3 超聲信號(hào)分析儀和分析軟件 超聲信號(hào)分析儀實(shí)際上是一臺(tái)帶有采樣裝置（頻率為30兆）和超聲信號(hào)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(hào)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(cè)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(hào)分析儀和分析軟件對(duì)其自身（垂直）高度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量了64個(gè)不同類型的線切割模擬裂紋，實(shí)測(cè)結(jié)果與誤差如表1所示。 表1   信號(hào)分析法自身高度測(cè)量數(shù)據(jù)序號(hào)垂直高度測(cè)量模擬裂紋個(gè)數(shù)絕對(duì)誤 差(mm)相對(duì)誤 差(%)單     個(gè)平均最 小最 大平 均127-0.09;-0.254;-0.35;-0.66 +0.3; +0.6; +0.650.414.533.020.5

9、248-0.87;-0.82;-0.5+0.82;+0.23;+0.22;+0.586+0.40.555.521.7513.83510-0.93;-0.5;-0.72+0.13;+0.6;+0.9; +0.65;+0.9+0.918;+0.40.662.618.413.24613-0.23;-0.83;-0.5; -0.16;-0.22-0.12;-0.812+0.15;+0.54;+0.8; 0.4;+0.5+0.0470.410.813.8 6.85813-0.2;-0.15;-0.8; -0.48;-0.39-0.74;-0.26;-0.824;-0.15-0.5; -0.67

10、+0.19;+0.1620.421.910.3 5.361213-0.5;-0.9;-0.17; -0.94;-0.72-0.1;-0.62;-0.82;-0.95-0.5+0.12;+0.5;+0.750.580.87.9 4.842 自然裂紋定位定量測(cè)量分析總共制作了38塊自然裂紋（有表面開(kāi)口裂紋和埋藏裂紋）試塊，用端點(diǎn)反射回波數(shù)字信號(hào)測(cè)量法對(duì)其全部檢測(cè)，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(cè)結(jié)果 試塊號(hào)試

11、塊厚度缺陷位置缺陷長(zhǎng)度（射線測(cè)量）缺陷預(yù)制垂直高度實(shí)測(cè)高度   110表面1522.46/2.5   420表面533.47 / 2.74 / 3.79   1544表面121011.62   1716（管）表面1633.02   2010埋藏2222.74 / 2.17   3344埋藏53.54 /3.29   3515（管）埋藏1524.27 / 3.485解剖驗(yàn)證的方法如下： （1） 用常規(guī)超聲檢測(cè)方法對(duì)裂紋進(jìn)行定位，在試塊表面用細(xì)鉆頭打上標(biāo)記，顯

12、示裂紋長(zhǎng)度和位置； nextpage（2） 對(duì)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(hào)； （3） 對(duì)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(cè)量裂紋二端點(diǎn)間的垂直高度值（測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3），對(duì)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(cè)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(jiàn)圖5和圖6)； 表3     自然裂紋解剖測(cè)量與比較結(jié)果試塊編號(hào) 工件厚度 缺陷類型 預(yù)制高度 切片編號(hào)

13、 解剖測(cè)量高度 端點(diǎn)反射法檢測(cè)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 表面 10 15-5 8.28 11.62* +3.02 見(jiàn)注2 15-3 8.58 15-4 8.6 17 16(管） 表面 3 17-4

14、 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*2.74+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 3.293.54*    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    2 35-5 1.65 3.494.27*  +0.45 35-6 3.0

15、 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(kāi)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(cè)量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測(cè)量結(jié)果的比較圖7 顯示了試塊解剖后裂紋實(shí)際測(cè)量結(jié)果與端點(diǎn)反射法測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系，圖中粗線表示的是實(shí)際測(cè)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，其高度起伏變化。所以解剖測(cè)量到的和系統(tǒng)檢測(cè)到的高度都有一定的隨機(jī)性，所測(cè)高度只是其中的一部分，精確的確定檢測(cè)誤差

16、是很困難的。我們按以下三種情況分析檢測(cè)誤差：（1） 如果系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)結(jié)果符合實(shí)際狀況；（2） 如果系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果小于最小垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果具有負(fù)誤差；（3） 如果系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果大于最大垂直高度，我們認(rèn)為系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果具有正誤差；各號(hào)試塊系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系及檢測(cè)誤差如圖7所示，圖中表示的是絕對(duì)誤差。圖 7 檢測(cè)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(duì)提高裂紋自身（垂直）高度測(cè)量精度是非常有效的。具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)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(duì)于自身（垂直）高度大于等于2mm的平面型缺陷（裂紋類），其測(cè)量精度（平均絕對(duì)誤差）可控制在1mm以內(nèi),相對(duì)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