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導(dǎo)讀

 

目前國(guó)內(nèi)外水浸式超聲波探傷技術(shù)的應(yīng)用較為普遍，也比較成熟，但通過(guò)幾年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，水浸式超聲波探傷存在的問(wèn)題也較多，本文將著重探討此方法的能量衰減現(xiàn)象。

 

由于被探鋼管浸在水里，當(dāng)超聲橫波在管壁內(nèi)鋸齒形傳播時(shí)，通過(guò)波型轉(zhuǎn)換，在鋼管表面與水的界面上，又轉(zhuǎn)換成折射縱波，這樣將會(huì)造成一部分能量損失，導(dǎo)致探傷靈敏度降低。

 

對(duì)此，我們用接觸法水耦合做了試驗(yàn)，通過(guò)水浸法與接觸法的比較來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。

 

1. 試驗(yàn)條件

 

(1) 標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷樣管的規(guī)格為177.8mmx12.65mm(外徑x壁厚)，長(zhǎng)度為250mm，人工缺陷為內(nèi)外縱向N5刻槽(刻槽深度為鋼管公稱壁厚的5%), 位置分別在樣管的兩端且相差180°。

 

(2) 儀器為CTS-23型超聲波探傷儀，儀器水平線性和垂直線性均良好，狀態(tài)為增益最大、抑制關(guān)、中頻段、正向檢波方式、掃描量程在250mm檔級(jí)、重復(fù)頻率X2。

 

(3) 探頭為GZSA管材專用超聲波探頭。晶片直徑為Φ20mm,頻率2.5MHz,入射角為45°。

 

(4) 環(huán)境溫度為室溫。

 

2. 試驗(yàn)過(guò)程

 

首先明確一個(gè)概念，兩個(gè)探頭晶片反方向同時(shí)發(fā)射超聲波，沿鋼管鋸齒形傳播，均可接收到對(duì)面探頭的發(fā)射波，從而得到回波信號(hào)，此信號(hào)假稱“通波”。

 

其聲程為管子的圓周，但也可把它看作是單探頭在管子半圓周處的自發(fā)自收信號(hào)。

 

2.1 原始狀態(tài)

 

將探頭置于樣管上，找到人工缺陷，將一次通波B1調(diào)到5格，幅度為滿幅的90%,二次通波B2調(diào)到10格，幅度為滿幅的50%；

 

—次缺陷波F1在2格處，幅度為滿幅的30%，二次缺陷波F2在7格處，幅度為滿幅的17%(圖1)。

（圖一： 原始狀態(tài)示意圖）

此狀態(tài)下，探頭中心線至人工缺陷的周向距離為85mm，衰減器讀數(shù)為38dB。

 

我們將此狀態(tài)定為原始狀態(tài)，下面分三種情況進(jìn)行試驗(yàn)。

 

2.2 第一種情況

 

在原始狀態(tài)下，用蘸水的濕布觸摸人工缺陷，此時(shí)波幅變化情況如圖2所示。

 

可見(jiàn)，降至滿幅的75%(-l.6dB)，F(xiàn)1降至滿幅的27%(-0.9dB)；

 

B2降至滿幅的30%(-4.4dB), F2降至滿幅的14%(-1.7dB)。

 

在此情況下，通波及缺陷波較原始狀態(tài)均有所下降，說(shuō)明這是能量衰減所致。

（圖二：用濕布觸摸人工缺陷時(shí)的波幅變化圖）

2.3 第二種情況

 

在原始狀態(tài)下，向人工缺陷處噴水，此時(shí)波幅變化情況見(jiàn)圖3。

 

可見(jiàn)，B1降至滿幅的50%(-5dB)，F(xiàn)1降至滿幅的25%(-1.6dB)；

 

B2降至滿幅的10% (-14dB)，F(xiàn)2則幾乎無(wú)法辨別。

 

此種情況下，通波變化較大，一次缺陷波F1比第一種情況下降還要明顯，F(xiàn)2幾乎消失，這說(shuō)明能量進(jìn)一步衰減。

（圖三：向人工缺陷噴水時(shí)的波幅變化圖）

2.4 第三種情況

 

將樣管浸入水中，根據(jù)浸水量及人工缺陷是否被水所浸分三種情況觀察波幅變化。

 

(1) 將樣管放入容器中，加水至樣管直徑的2/5處，但人工缺陷未被水所浸。

 

由于樣管僅長(zhǎng)250mm，未采取堵住管端措施，所以樣管內(nèi)孔也被水所浸，此時(shí)波幅變化情況如圖4所示。

 

可見(jiàn)，B1降至滿幅的40%(-7dB)，F(xiàn)1較原始狀態(tài)幾乎沒(méi)有變化；B2和F2全部消失。

 

這是由于人工缺陷未被水所浸，故F1變化不大，但通波變化很明顯，且B2和F2已經(jīng)消失，說(shuō)明樣管浸入水中后較前兩種情況能量衰減嚴(yán)重。

（圖四：2/5樣管浸入水中時(shí)的示意圖及波幅變化圖）

(2) 繼續(xù)加水至樣管直徑的1/2處,并保持探頭與人工缺陷相對(duì)位置不變，旋轉(zhuǎn)樣管使人工缺陷剛好浸入水中，此時(shí)波幅變化如圖5所示。

 

可見(jiàn)，降至滿幅的30%(-9.5dB)，F(xiàn)1降至滿幅的20%(-3.5dB)；B2和F2同樣全部消失。

 

在水量增加，且人工缺陷也被水所浸的情況下，B1與F1較原始狀態(tài)下降幅度驟增，更加證明了水浸探傷時(shí)能量衰減嚴(yán)重。

（圖五：1/2樣管浸入水中時(shí)的示意圖及波幅變化圖）

(3)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)樣管將人工缺陷完全浸入水中，此時(shí)探頭中心線距水面周向距離為42.5mm,波幅變化情況如圖6所示。

 

可見(jiàn)，B1與上種情況相同，為滿幅的30%，F(xiàn)1則降至滿幅的10%(-9.5dB)，B1和F1均比原始狀態(tài)衰減9.5dB，由此可以看出水浸探傷能量衰減的嚴(yán)重程度。

 

若樣管完全被水浸沒(méi)，能量衰減會(huì)更加嚴(yán)重。

（圖六：人工缺陷完全浸入水中時(shí)的示意圖及波幅變化圖）

 

2.5 內(nèi)壁人工缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

 

若樣管完全浸入水中檢測(cè)其內(nèi)壁人工缺陷，一次通波B1和一次缺陷波F1較原始狀態(tài)分別衰減了12和6dB；

 

二次通波B2和二次缺陷波F2完全消失。試驗(yàn)過(guò)程這里不再贅述。

 

當(dāng)然這只是試驗(yàn)，在水浸法自動(dòng)線探傷設(shè)備實(shí)際探傷中，鋼管內(nèi)孔不允許充水，否則無(wú)法進(jìn)行探傷。

 

3. 能量衰減的原因分析

 

我們通過(guò)以上試驗(yàn)，直觀地發(fā)現(xiàn)了缺陷波波幅和通波波幅的下降情況，從而得出能量衰減的結(jié)論。

 

理論上分析，水浸超聲波探傷中，聲波在管壁內(nèi)傳播能量衰減是很嚴(yán)重的，因?yàn)樗穆曁卣髯杩惯h(yuǎn)小于鋼，故聲波從水向鋼和從鋼向水的往復(fù)透射率很??；

 

又因?yàn)槁暡ㄔ诠鼙趦?nèi)鋸齒形傳播時(shí)，每次反射都伴隨著波型轉(zhuǎn)換(圖7)，而在水中轉(zhuǎn)換成的超聲縱波又完全被水吸收，這就更顯著地增大了超聲衰減，也就是說(shuō)，鋼管水浸超聲波探傷時(shí)部分聲能被損耗了。

（圖七：鋼管浸入水中聲波傳播情況）

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，若鋼管外表面浸水 (內(nèi)孔為空氣)，用水浸法探傷缺陷回波信號(hào)要比接觸法低4dB，若鋼管內(nèi)孔也充水，則缺陷回波信號(hào)要低6dB。

 

因此在靈敏度調(diào)整時(shí)必須注意這一現(xiàn)象。