溫度對(duì)衍射時(shí)差法超聲檢測結(jié)果影響

張洪波　岳斌　鄧曉光　張燕南　趙文政

摘要：針對(duì)溫度變化引起超聲衍射時(shí)差技術(shù)（time of flight diffraction，TOFD）測量結(jié)果誤差的現(xiàn)象，以含不同預(yù)置缺陷Q235A試塊為測試樣品，采用TOFD超聲檢測技術(shù)，并結(jié)合A掃結(jié)果，研究不同溫度對(duì)缺陷檢測結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試塊表面溫度超過40°C時(shí)，底面小缺陷的檢測難度會(huì)提高，檢測結(jié)果的不穩(wěn)定性提升;隨著試塊表面溫度繼續(xù)升高，TOFD測量缺陷的最小分辨率會(huì)降低到3mm，同時(shí)小缺陷波的A掃波形已經(jīng)無法從背景噪聲中識(shí)別。通過比較不同溫度下縱波在固體介質(zhì)中傳播速度，發(fā)現(xiàn)溫度升高導(dǎo)致縱波速度衰減，進(jìn)而導(dǎo)致儀器分辨力的下降和實(shí)際測量誤差的增大。

關(guān)鍵詞：超聲衍射時(shí)差法;A掃;分辨力;溫度

中圖分類號(hào)：TG441.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674–5124（2019）03–0041–05

The influence of temperature on the results of time of flight diffraction detection

ZHANG Hongbo1， YUE Bin1，2， DENG Xiaoguang1， ZHANG Yannan1， ZHAO Wenzheng1

（1. College of Quality and Technical Supervision， Hebei University， Baoding 071002， China; 2. Beijing Composite Materials Co.， Ltd.， Beijing 102101， China ）

Abstract： Aiming at the phenomenon that the change of temperature leaded to the measurement error of the time of flight diffraction （TOFD）， the TOFD ultrasonic testing technique was used to test the Q235A specimens with different prefabricated defects， and the A-scan outcomes were used to study the effects of different temperature on defect detection. The results show that the difficulty in detecting the small defects on the bottom surface is increasing as the surface temperature of the specimens exceed 40 °C， and the instability of the testing results will increase. As the surface temperature of the specimen increasing， the minimum resolution of TOFD in measurement defects will be reduced to 3 mm， and the small defect of A-scan waveform cannot be identified from the background noise. Compared with the propagation velocity of P-wave in solid medium at different temperatures， it is found that the P-wave velocity decays with the increase of temperature， which leads to the decrease of the resolution of the instrument and the increase of the actual measurement error.

Keywords： time of flight diffraction; A-scan; resolving power; temperature

0 引言

超聲衍射時(shí)差技術(shù)（time of flight diffraction，TOFD）具有可靠性好，精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)上最常用的焊縫無損檢測方法之一[1-2]。從20世紀(jì)90年代，TOFD檢測技術(shù)在國外逐步應(yīng)用于核工業(yè)、石油、化工、電力的承壓設(shè)備和海上采油、鐵路、橋梁等鋼結(jié)構(gòu)的焊接接頭檢測，直到21世紀(jì)初，國內(nèi)開始研究和應(yīng)用該技術(shù)[3]。文獻(xiàn)[4]提出了超聲檢測盲區(qū)及分辨率的計(jì)算和改善方法。文獻(xiàn)[5]通過釆用基于正交匹配追蹤的超聲信號(hào)稀疏技術(shù)精確測量波達(dá)時(shí)間，并結(jié)合合成孔徑聚焦成像與信號(hào)稀疏技術(shù)，提高TOFD成像的空間分辨率和質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]指出隨著溫度的升高，在固體介質(zhì)中聲速會(huì)逐漸減弱，導(dǎo)致理論入射角和實(shí)際值之間的誤差增大，因此在高溫條件下，應(yīng)提前進(jìn)行聲速修正。文獻(xiàn)[7]測量不同溫度下超聲聲速，也發(fā)現(xiàn)溫度的升高導(dǎo)致超聲聲速減小。雖然國內(nèi)外學(xué)者在TOFD檢測精度以及溫度聲速影響規(guī)律方面已經(jīng)做出了很多貢獻(xiàn)，但在工業(yè)檢測領(lǐng)域，TOFD檢測數(shù)據(jù)受溫度影響的規(guī)律還有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

國內(nèi)基于TOFD的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)是NB/T47013.10-2015《承壓設(shè)備無損檢測》[8]。該標(biāo)準(zhǔn)指出，采用常規(guī)探頭和耦合劑時(shí)，被檢工件的表面溫度應(yīng)控制在0～50°C;超出該溫度范圍，可采用特殊探頭或耦合劑。然而，在實(shí)際檢測工作中，由于各種條件的限制，導(dǎo)致檢測標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際要求并不完全相符，極大影響了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及可信度。因此，探究非標(biāo)準(zhǔn)情況下，溫度對(duì)測量結(jié)果帶來的影響，可為工業(yè)現(xiàn)場測量精確度的評(píng)價(jià)和實(shí)際測量標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充提供依據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)測量溫度控制在20～70°C的范圍。

本文在不同溫度下，對(duì)含有8種預(yù)置缺陷的Q235A試塊進(jìn)行測量。經(jīng)過多次測量，尋找溫度與檢測結(jié)果之間的關(guān)系;同時(shí)基于溫度與超聲聲速的關(guān)系，揭示了TOFD分辨力與溫度的變化規(guī)律，為實(shí)際工作中小缺陷TOFD超聲檢測受溫度影響的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用Q235A鋼材作為被檢對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行預(yù)置缺陷處理。間距40mm、直徑2mm的8個(gè)不同尺寸底面孔在49mm×30mm×400mm試塊的鋼材上分布，如圖1所示。其中，不同尺寸底面孔缺陷（15，12，10，8，6，4，3，2mm）分別以1～8標(biāo)注。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在預(yù)定不同溫度（20，40，50，60，70°C）的恒溫干燥箱內(nèi)，將含有預(yù)制缺陷的試件進(jìn)行加熱，到達(dá)預(yù)定溫度后，保溫30min。隨后使用上海瑞龍儀表生產(chǎn)的XMD-200數(shù)顯溫度計(jì)（測溫范圍為–50～200°C，分辨率為0.1°C）對(duì)恒溫水浴槽內(nèi)的溫度進(jìn)行標(biāo)定，最后在恒溫水浴槽（溫度衰減2°C/min）里進(jìn)行缺陷深度的測量。測量儀器的現(xiàn)場布置如圖2所示。TOFD超聲設(shè)備采用奧林巴斯生產(chǎn)的OmniScanMX2（OMNI-M2-UT-2C），系統(tǒng)的采集頻率為100MHz，最小分辨率為1mm，頻率采集范圍為0.6～18MHz?；跇?biāo)準(zhǔn)NB/T47013.10-2015，探頭和楔塊分別采用3.5MHz的C546-SM探頭和折射角度為45°的TOFD-45-ST1楔塊，探頭間距控制在56.33mm[8]。此外，探頭與試件之間，探頭與楔塊之間均用超聲耦合劑耦合，并用掃查器將其固定。在測量過程中，為降低溫度引起的誤差，測量時(shí)間控制在1min內(nèi)，此外每組8個(gè)缺陷分別進(jìn)行10次重復(fù)性測量，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。通過測得結(jié)果有效性來反應(yīng)檢測的難易程度，進(jìn)而描繪溫度對(duì)實(shí)際檢測過程帶來的影響。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的獨(dú)立性，每次測量前進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，測量完畢重復(fù)上述流程[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)TOFD檢測結(jié)果的影響

試塊在20，40，50，60，70°C時(shí)的缺陷測量結(jié)果如圖3所示。在20°C時(shí)，從圖3（a）中可知不同缺陷的測量結(jié)果有效次數(shù)均為10次，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差在0.1上下浮動(dòng)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。隨著溫度的升高，在40°C缺陷8開始出現(xiàn)無效測量（在圖3（b）用0表示），并且這種現(xiàn)象隨溫度增大而更加明顯，如圖3（c）～圖3（e）所示。在試驗(yàn)溫度為50，60，70°C時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性次數(shù)分別為4、2、0。然而溫度對(duì)1～7號(hào)缺陷的測量結(jié)果有效性影響較小。在標(biāo)準(zhǔn)差方面，隨著溫度的升高，8號(hào)缺陷尺寸無法識(shí)別，1～7號(hào)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，測量結(jié)果穩(wěn)定性越來越差。

2.2 測量圖譜結(jié)果分析

相對(duì)于B-scan，A-scan射頻信號(hào)能夠觀察各個(gè)波形之間的相互位置及讀出缺陷波形的信息，因此在對(duì)預(yù)置缺陷檢測時(shí)，A-scan信號(hào)圖像上能夠準(zhǔn)確反應(yīng)缺陷情況[10-11]。文獻(xiàn)[12]依據(jù)CS-1/20標(biāo)準(zhǔn)試塊平底孔（缺陷）的A-scan信號(hào)，進(jìn)而獲得缺陷信息包括位置和幅度，結(jié)果證實(shí)了A-scan是判定孔洞類缺陷的一種有效方法。

在測量溫度為20°C和50°C時(shí)，缺陷-7和缺陷-8的A掃圖像如圖4所示。從圖4（a）與圖4（c）中可知，溫度的升高對(duì)于缺陷尺寸為3mm的A掃波幾乎沒有影響，然而缺陷尺寸為2mm的A掃缺陷波在溫度到達(dá)50°C時(shí)，缺陷的A-scan幅度較低，已無法從背景噪聲中有效識(shí)別，如圖4（d）所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從上述討論中發(fā)現(xiàn)，測量溫度的升高，小尺寸缺陷會(huì)越來越難以被識(shí)別，這一現(xiàn)象可以從聲學(xué)基本定律進(jìn)行解釋[13]。各向同性固體的切變彈性系數(shù)μ和拉密常數(shù)λ可以用其楊氏模量E和泊松比υ來表征，引入勢(shì)函數(shù)可以求解其媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)速度。對(duì)于橫縱波可以得出其傳播速度與該固體的拉密常數(shù)和密度有關(guān)，即：

式中：E——楊氏模量，Pa;

υ——泊松比;

CL——固體中傳播的縱波聲速，m/s;

CT——固體中傳播的橫波聲速，m/s。

根據(jù)《壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊(cè)》[14]可以知道，本次實(shí)驗(yàn)的Q235A碳鋼在不同溫度下具體物理參數(shù)值如表1所示。

根據(jù)各個(gè)參數(shù)的實(shí)際物理值和公式（1）、（2）可得，Q235A碳鋼不同溫度與實(shí)際聲速的變化關(guān)系如圖5所示。在溫度升高的情況下，Q235A碳鋼中的橫波聲速和縱波聲速都出現(xiàn)了明顯的下降。已知V=λ·f，V為固體中聲波速度，λ和f分別為聲波傳遞的波長和頻率，因此聲速的下降導(dǎo)致波長的變長。TOFD超聲檢測儀器的分辨力的大小跟波長有關(guān)[15]，波長越短，其最小分辨力越高。所以溫度的升高引起波長增大，即儀器的分辨力降低，進(jìn)而出現(xiàn)測量結(jié)果對(duì)小尺寸缺陷檢測的有效性降低的現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)通過控制變量法，采用TOFD測量不同溫度下預(yù)置缺陷大小，結(jié)合A掃圖像結(jié)果和溫度與超聲聲速的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：試塊表面溫度升高會(huì)導(dǎo)致TOFD對(duì)小尺寸缺陷的檢出難度增高，同時(shí)測量結(jié)果的有效性降低;試塊表面溫度升高，整體測量結(jié)果誤差增大，不確定度變大，穩(wěn)定性降低;溫度升高會(huì)導(dǎo)致縱波波長增大，進(jìn)而引起儀器的分辨力由1mm（20°C）降低至3mm（70°C）。

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（編輯：莫婕）