鍋爐壓力容器裂紋高度的超聲檢測

鍋爐壓力容器裂紋高度的超聲檢測

不同程度的壓力容器都存在裂縫缺陷。斷裂力學研究表明，具有鋒利邊緣的平面缺陷（如裂縫）的風險最高。同時，還證明了壓力容器中平面缺陷的徑向長度、凹陷距離表面和其他缺陷之間的距離是重要的尺寸，平行于構件表面的裂縫長度是次要的。據(jù)統(tǒng)計鍋爐壓力容器的損壞大部分是由于工件內部裂紋的擴展所致,英國曾對10萬個容器進行調查,運行1a(年)共發(fā)生132件破壞事故,由裂紋擴展造成的破壞占總數(shù)的比例高達89.3%,因而對裂紋的檢驗和監(jiān)控顯得極為重要。裂紋高度的超聲檢測方法有6dB法、表面波延時法、端點衍射波法和端點反射波法。6dB法是超聲測量長度的傳統(tǒng)方法。探頭找到最大峰值后向相反兩方向水平移動,使回波峰值下降一半時的波束中心線距離即為長度,稱指示長度,并非裂紋真實長度。該法可用來測高,但誤差較大。表面開口裂紋深度可采用表面波延時法來測量,該法主要是通過裂紋對表面波的延時作用來計算其深度。但當缺陷內含油或水等液體時,由于液體不傳導表面波,表面波有可能跨越缺陷開口,使測試誤差大大增加。此外,缺陷的端部太尖銳接收到超聲波信號很低甚至接收不到。缺陷表面過于粗糙也會造成誤差增大。超聲波入射到裂紋面上時,根據(jù)惠更斯原理,在裂紋尖端會形成次波源而產(chǎn)生衍射波(圖1),超聲端點衍射法是通過測量裂紋端點衍射回波的延遲時間差值來求得裂紋高度。但衍射波強度很弱難以發(fā)現(xiàn),所以用衍射波測量裂紋高度有較大難度。聲波入射到裂紋的端點,有一部分將沿原路反射,稱為端點反射回波(圖1)。端點反射回波法是通過測量主聲束入射到裂紋頂端時,所產(chǎn)生的端點回波聲程計算裂紋高度,從方法上說是較為可行的。在模擬超聲探傷儀上用端點反射法測量裂紋高度,通常采用深度校準即利用回波聲程在垂直方向上的投影長度進行定位。特點是要用試塊進行深度線性校準,其實質是一種同高比較法,因此其準確度與儀器線性、試塊精度和操作工藝有很大關系。應用計算機技術,將回波信號數(shù)字化能得到回波聲程的精確量值。通過相應的數(shù)學模型能得到包括垂直高度在內的各種數(shù)值,這是本文研究的主題。1在點波的大處理中，數(shù)字處理方法是測量裂縫的高度1.1回波聲程測量誤差的原因常規(guī)超聲檢測對回波聲程的測定是通過屏幕上回波所處位置的水平量值來換算的,由于波形的跳動、波形峰值的判斷誤差以及線性調節(jié)精度等原因,測定的聲程值誤差很大。數(shù)字處理端點回波聲程w是通過計算機A/D轉換,將回波的模擬信號轉換為數(shù)字信號,根據(jù)聲速和樣點數(shù)進行精確計算。我們研制了超聲信號分析儀和分析軟件,能將常規(guī)探傷儀的模擬信號轉換為數(shù)字信號,建立了計算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學模型,實現(xiàn)了數(shù)字化處理,得到了裂紋自身高度的精確測量結果。1.2計算不同狀態(tài)裂縫的高度(1)表面開口裂紋自身高度計算如圖2所示,對于垂直表面的開口裂紋,其自身(垂直)高度為h,端點回波與根部回波聲程分別為w1和w2,探頭折射角為β,工件厚度為T,則h=(w2?w1)?cosβ=(w2?w1)?Tw2=(1?w1w2)?T(1)h=(w2-w1)?cosβ=(w2-w1)?Τw2=(1-w1w2)?Τ(1)不用β值,而用式(1)計算表面開口裂紋自身高度可得到較高的精度。(2)次波和二次波如圖3所示,對于垂直于表面的內部裂紋,如果上端點和下端點都是由一次波探測到(圖3中左圖),一次波聲程分別為w1和w2,則其自身高度h為h=(w2-w1)·cosβ(2)如果上端點由一次波探測到,而下端點由二次波探測到(圖3中右圖),設一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T,那么L2中一次波聲程為T/cosβ;二次波聲程為L2-(T/cosβ),則w2=L2?2×(L2?Tcosβ)(3)w2=L2-2×(L2-Τcosβ)(3)(3)次波聲程的計算如圖4所示,對于有傾角的內部裂紋,如果上端點和下端點都由一次波探測到(圖4中左圖),一次波聲程分別為w1和w2,則其垂直高度h′為h′=(w2?w1)?cosβ(4)h′=(w2-w1)?cosβ(4)如果上端點由一次波探測到,而下端點由二次波探測到(圖4中右圖),且工件厚度為T,那么總聲程L2中一次波聲程為T/cosβ;二次波聲程為L2-(T/cosβ),則w2=L2?2×(L2?Tcosβ)(5)h′=(w2?w1)?cosβw2=L2-2×(L2-Τcosβ)(5)h′=(w2-w1)?cosβ用式(1)～(5)進行聲程的數(shù)字化處理,為提高h的測量精度,工件厚度T和探頭K值必須精確測量。2聲信號接入裝置超聲信號分析儀實際上是一臺帶有采樣裝置(頻率為30MHz)和超聲信號接入裝置的工控計算機,具有計算機的全部功能。超聲信號從CTS-22型超聲波探傷儀接入。分析軟件采用可視界面技術,在Windows環(huán)境下運行,軟件設計以JB4730—1994標準為依據(jù)。3研究結果3.1聲信號分析方法線切割模擬裂紋試塊如圖2～4所示,用超聲信號分析儀和分析軟件對其自身(垂直)高度進行測量。共測量了64個不同類型的線切割模擬裂紋,實測結果與誤差如表1所示。3.2超聲檢測測定共制作了38塊自然裂紋(有表面開口裂紋和埋藏裂紋)試塊,用端點反射回波信號數(shù)字測量法對其全部檢測,并將其中七塊(試塊為板和管)作解剖驗證,所得數(shù)據(jù)見表2和表3。解剖驗證方法如下:(1)用常規(guī)超聲檢測方法對裂紋進行定位,在試塊表面用細鉆頭打上標記,顯示裂紋長度和位置。(2)用M0絲(10～15絲)對試塊進行線切割,方向垂直于焊縫,間距1～2mm,給每一薄片編號。(3)對裂紋自身高度最高處及附近切片進行表面拋光處理,并用讀數(shù)顯微鏡觀察、測量裂紋兩端點間的垂直高度值(測量數(shù)據(jù)見表3),對裂紋自身高度最高處切片作低倍照相記錄。(4)上述試塊端點反射法測量結果,用B剖面顯示軟件顯示裂紋的位置和各項數(shù)值,比較實際誤差并作誤差分析(因篇幅有限,只顯示兩個試件的低倍照相和B剖面顯示,如圖5和圖6所示)。3.3自然裂紋面為規(guī)則的幾何面,其檢測誤差分析圖7為試塊解剖后裂紋實測結果與端點反射法測量結果的關系及誤差(絕對誤差)。粗線為實際測量得到的最小與最大垂直高度間的范圍。由于自然裂紋面不是規(guī)則的矩形面,其高度起伏變化,所以解剖測量和系統(tǒng)測到的高度都有一定隨機性,所測高度只是其中的一部分,要精確確定檢測誤差很困難。我們按以下三種情況分析檢測誤差:①如系統(tǒng)檢測結果在最小與最大垂直高度之間,認為系統(tǒng)檢測結果符合實際狀況。②如系統(tǒng)檢測結果小于最小垂直高度,認為系統(tǒng)檢測結果具有負誤差。③如系統(tǒng)檢測結果大于最大垂直高度,認為系統(tǒng)檢測結果具有正誤差。4測量精度控制(1)采用聲程數(shù)字處理技術的端點反射回波法,對提高裂紋自身(垂直)高度測量精度非常有效。具有原理簡單、測量重復性好、操作方便快捷和實用性強等優(yōu)點。對于自身(垂直)高度≥2mm的平面型缺陷(如裂紋類),其測量精度(平均絕對誤差)可控制在1mm以內,相對誤差隨高度變化而變化,其精度優(yōu)于