關(guān)于超聲波缺陷指示長(zhǎng)度的探討

關(guān)于超聲波缺陷指示長(zhǎng)度的探討

在定期壓力容器的檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用于代替焊接內(nèi)部的缺陷，但由于無(wú)法正確評(píng)估缺陷的性質(zhì)，因此缺陷的描述長(zhǎng)度是確定和評(píng)估焊接質(zhì)量水平的重要因素之一。缺陷的指示長(zhǎng)度就是把超聲波檢測(cè)中缺陷始端和末端的確定位置投影在被檢測(cè)材料的表面,并連接其兩點(diǎn)間長(zhǎng)度,即通過移動(dòng)探頭的方法來(lái)測(cè)量缺陷長(zhǎng)度。這種定量方法主要考慮了探頭有關(guān)特性,而未考慮缺陷特性對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量的影響,因此造成所測(cè)得的指示長(zhǎng)度經(jīng)常與缺陷的實(shí)際尺寸存在較大的誤差。本文著重就缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)定進(jìn)行探討。1超聲檢測(cè)方向和缺陷相對(duì)位置對(duì)缺陷指示長(zhǎng)度的影響1.1表面波前指向系數(shù)探頭的指向性包括發(fā)射指向性Dc1(θ)與接收指向性Dc2(θ)。在實(shí)際工作中探頭的晶片(波源)近似作活塞運(yùn)動(dòng),根據(jù)活塞波振動(dòng)的理論,可得圓形晶片探頭發(fā)射指向性系數(shù)Dc1(θ)為Dc1(θ)=P(r,θ)P(r,0)=2J1(KDsinθ)KDsinθ(1)Dc1(θ)=Ρ(r,θ)Ρ(r,0)=2J1(ΚDsinθ)ΚDsinθ(1)式中J1——一階貝塞爾函數(shù)P(r,θ)——遠(yuǎn)聲場(chǎng)距聲源中心距離為r處的聲壓P(r,0)——波源軸線上距聲源中心距離為r處的聲壓D——晶片直徑θ——輻射聲波方向與晶片軸線夾角K——波數(shù)K=2π/λλ——波長(zhǎng)探頭的接收指向性系數(shù)Dc2(θ)可由接收聲波的傳播方向與接收探頭晶片表面法線之間的角度變化求出,并且同樣受到式(1)的影響。對(duì)于一個(gè)單晶片探頭,晶片既發(fā)射又兼接收,Dc1(θ)=Dc2(θ),此時(shí)探頭探傷時(shí)總的指向系數(shù)為Dc(θ)=[Dc1(θ)]2。在探傷過程中,經(jīng)常采用反射波高最大值下降一半(6dB,Dc=0.5)或1/10(20dB,Dc=0.1)的方法來(lái)確定缺陷的指示長(zhǎng)度,我們將此時(shí)的θ定義為θw6或θw20。根據(jù)式(1),令y=KDsinθ,可以求出Dc=0.5y=1.62θw6=arcsin0.52λD≈29λDDc=0.1y=2.77θw20=arcsin0.88λD≈50λDDc=0.5y=1.62θw6=arcsin0.52λD≈29λDDc=0.1y=2.77θw20=arcsin0.88λD≈50λD1.2缺陷指示長(zhǎng)度的測(cè)定如圖1所示,當(dāng)波束半頂角為θw6時(shí),在聲程為S時(shí),波束寬度為L(zhǎng)6;在聲程為S1時(shí),波束寬度為L(zhǎng)6′。當(dāng)波束半頂角為θw20時(shí),在聲程為S時(shí),波束寬度為L(zhǎng)20;在聲程為S1時(shí),波束寬度為L(zhǎng)20′。如缺陷長(zhǎng)度為L(zhǎng),且L6′<L<L6。在實(shí)際測(cè)量中,如在聲程S處測(cè)量該缺陷,采用6dB法,得到缺陷指示長(zhǎng)度L6,用20dB法測(cè)量得到的缺陷指示長(zhǎng)度為L(zhǎng)20;只有當(dāng)缺陷長(zhǎng)度L>L6或者L>L20時(shí),測(cè)得的指示長(zhǎng)度才等于L。在聲程為S1處采用6dB法測(cè)量,因?yàn)槿毕蓍L(zhǎng)度滿足L6′<L<L6,測(cè)得的指示長(zhǎng)度為L(zhǎng),但到聲程S處用同一方法測(cè)量則指示長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)6。由此可見,對(duì)同一缺陷,采用不同分貝的波束測(cè)長(zhǎng)或用同一分貝波束在不同聲程處測(cè)長(zhǎng),所得到的缺陷指示長(zhǎng)度是不全相等的。因此在實(shí)際探傷過程中,對(duì)于一些長(zhǎng)度較小的缺陷,在某一聲程處,如其長(zhǎng)度小于此處波束寬度,就會(huì)產(chǎn)生放大作用,缺陷越小,聲程越大,放大作用越大,其指示長(zhǎng)度誤差也就越大,因此選擇合適的波束寬度和聲程,使之盡可能滿足L≥Lx對(duì)準(zhǔn)確測(cè)定這些缺陷的指示長(zhǎng)度是非常重要的。對(duì)焊縫斜角探傷中,不同分貝波束的寬度Lx(水平方向)可以由下式求出Lx=2hKtgθxLx=2hΚtgθx式中h——熒光屏顯示垂直深度K=tgββ——斜探頭的折射角θx——某分貝時(shí)波束半頂角2缺陷系的性質(zhì)不僅探頭的指向性影響缺陷指示長(zhǎng)度測(cè)量精度,缺陷反射波同樣存在反射指向性,這與缺陷的性質(zhì)、大小、方位和傾斜角度等有關(guān)。實(shí)際檢測(cè)中缺陷指示長(zhǎng)度的精度受到兩者同時(shí)作用的影響,但此時(shí)通過計(jì)算求解指示長(zhǎng)度已無(wú)實(shí)際意義,以下通過實(shí)際工作中常見的一些問題來(lái)討論缺陷自身因素對(duì)指示長(zhǎng)度的影響。2.1缺陷指示長(zhǎng)度的測(cè)定如圖2所示,當(dāng)探頭在焊縫下側(cè)探傷時(shí),所測(cè)得的缺陷指示長(zhǎng)度明顯小于缺陷實(shí)際長(zhǎng)度,而當(dāng)探頭在焊縫上側(cè)探傷時(shí),所得到的指示長(zhǎng)度反映缺陷的長(zhǎng)度更真實(shí)。2.2焊縫方向左右移動(dòng)如圖3所示,探頭在位置Ⅱ檢測(cè)時(shí),探頭在某處出現(xiàn)最高反射波,這時(shí)沿焊縫方向左右移動(dòng),則所測(cè)得的缺陷指示長(zhǎng)度就不真實(shí);而如果探頭在位置Ⅰ檢測(cè)時(shí),探頭在出現(xiàn)最高反射波處,沿缺陷長(zhǎng)度方向移動(dòng),則測(cè)得的長(zhǎng)度更精確。2.3．缺陷向外延伸如圖4a所示,當(dāng)缺陷位于T字口部位,且探頭處于位置Ⅰ時(shí),由于焊縫余高的阻擋,不能測(cè)量到整條缺陷;當(dāng)探頭處于位置Ⅱ時(shí),同樣由于焊縫余高的影響,聲束不能垂直掃查缺陷,缺陷反射波很低,只有當(dāng)缺陷的端部取向與聲束中心線垂直時(shí),才會(huì)有較高的反射波,所以容易造成指示長(zhǎng)度偏小,過低地評(píng)價(jià)缺陷的危害程度。實(shí)際檢測(cè)中,在位置Ⅱ進(jìn)行斜平行掃查時(shí),不考慮其它因素,適當(dāng)提高探傷靈敏度,將出現(xiàn)缺陷反射波的反射點(diǎn)作為缺陷的一個(gè)端點(diǎn)。在位置Ⅰ時(shí)(圖4),如果缺陷的反射波高超過評(píng)定線(EL),就可以認(rèn)為缺陷向外延伸,這時(shí)可把材料的端部作為缺陷的一個(gè)端點(diǎn)。這種情況在實(shí)際工作中有比較重要的意義。因?yàn)門字口是應(yīng)力集中部位,缺陷向外延伸,對(duì)于另一焊縫相當(dāng)于橫向缺陷,引起的危害更大,所以對(duì)該部位應(yīng)當(dāng)認(rèn)真檢測(cè)。在某球罐T字口檢測(cè)過程中,就產(chǎn)生了斜平行掃查中未發(fā)現(xiàn)缺陷端部,認(rèn)為缺陷只位于縱縫上,長(zhǎng)度不超標(biāo),不需要返修,而后在與射線底片對(duì)照中才發(fā)現(xiàn)缺陷延伸至環(huán)縫上,且為需返修的部位。重新檢測(cè),提高探傷靈敏度,才發(fā)現(xiàn)缺陷端點(diǎn)的反射波,從而確定了返修的長(zhǎng)度和深度。2.4缺陷是否為連續(xù)性缺陷判斷原則對(duì)于相鄰缺陷,在實(shí)際檢測(cè)過程中,由于探頭移動(dòng)時(shí),缺陷動(dòng)態(tài)波形較為復(fù)雜,波峰與波谷交替出現(xiàn),檢測(cè)人員很容易將連續(xù)的缺陷判斷成斷續(xù)的,從而過小地評(píng)價(jià)缺陷;也容易將斷續(xù)的缺陷判斷成連續(xù)的,從而過大地評(píng)價(jià)缺陷,會(huì)出現(xiàn)不必要的返修。如圖5所示,如果采用定量線(SL)為檢出靈敏度,則測(cè)得的缺陷為一個(gè),長(zhǎng)度為l2;如果采用評(píng)定線(EL)為檢出靈敏度,則檢出的缺陷為兩個(gè),長(zhǎng)度分別為l1和l2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)缺陷是否為連續(xù)性缺陷有如下判斷原則,即①在探頭左右移動(dòng)過程中,缺陷包絡(luò)線中,任意兩相鄰的波峰差值Δ1≤6dB,且任意兩相鄰的波峰與波谷差值Δ2≤10dB,則該缺陷通常是連續(xù)的。②如果缺陷反射包絡(luò)線存在多個(gè)波峰和波谷,只要波谷都位于評(píng)定線以上,那么該缺陷就是連續(xù)的。需要補(bǔ)充的是,以上原則在應(yīng)用中還存在一些問題,因?yàn)橐獪?zhǔn)確區(qū)分相鄰缺陷,還受到儀器、探頭分辨力的影響。根據(jù)我們?cè)诠ぷ鲗?shí)踐中的體會(huì),對(duì)于一些缺陷密集的區(qū)域,如微小的密集氣孔區(qū)域,中間還夾有短條渣,在應(yīng)用中就很難依據(jù)原則判斷是否連續(xù),如在一球罐焊縫超聲波檢測(cè)過程中,發(fā)現(xiàn)一條狀缺陷,缺陷的靜態(tài)反射波形為一簇反射波,波高不同,但差別不大,當(dāng)探頭作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),缺陷反射波此起彼伏,此時(shí)根據(jù)波形我們判定為密集氣孔,且分布在一定的深度范圍內(nèi),但在測(cè)定缺陷指示長(zhǎng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)反射波均位于評(píng)定線上,就容易把缺陷判斷為連續(xù)的。后與射線底片對(duì)照,證實(shí)了我們的判斷。根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì),對(duì)于間距≤6mm的缺陷,采用普通探頭很難分辨是否斷續(xù)。這時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)缺陷的動(dòng)態(tài)波形,判斷缺陷可能的性質(zhì),然后推斷是否連續(xù)。這在實(shí)際工作中有比較重要的指導(dǎo)意義。3測(cè)值的定量測(cè)長(zhǎng)JB4730—1994標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)缺陷只有一個(gè)高點(diǎn)時(shí),用6dB法測(cè)量其指示長(zhǎng)度;當(dāng)缺陷有多個(gè)高點(diǎn),且端點(diǎn)波高均位于Ⅱ區(qū)時(shí),用端點(diǎn)6dB法測(cè)量其指示長(zhǎng)度(GB11345—1989標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用端點(diǎn)峰值法測(cè)量其指示長(zhǎng)度);當(dāng)缺陷波高位于Ⅰ區(qū)時(shí),如有必要可用評(píng)定線作為絕對(duì)靈敏度測(cè)量其指示長(zhǎng)度。(1)6dB法與端點(diǎn)6dB法均屬于相對(duì)靈敏度法,優(yōu)點(diǎn)在于不受傳播損失和衰減的影響,不受發(fā)射波高度的影響,但通常情況缺陷的指示長(zhǎng)度要比實(shí)際長(zhǎng)度短一點(diǎn),但對(duì)小缺陷有放大作用。(2)評(píng)定線作為絕對(duì)靈敏度測(cè)長(zhǎng),測(cè)得的指示長(zhǎng)度與評(píng)定線的靈敏度有關(guān),靈敏度越高,測(cè)得的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。但缺點(diǎn)是易受傳播損失和衰減以及反射波高的影響。(3)端點(diǎn)峰值法要比端點(diǎn)6dB法測(cè)得的指示長(zhǎng)度小,對(duì)于裂紋等缺陷,測(cè)量精度較高,但對(duì)某些形狀不規(guī)則的缺陷,有可能出現(xiàn)過小評(píng)定。(4)標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定如何判斷處理不同聲程處測(cè)得不同數(shù)值的指示長(zhǎng)度,未規(guī)定測(cè)量指示長(zhǎng)度時(shí)是按照焊縫方向還是缺陷方向。(5)在