2024年3月7日发(作者:创业之星)
高频导波检测介绍
一、检测原理
导波是超声波的一类特殊应用,主要利用波长与声波角度、工件厚度的特殊关系,由多个不同类型的波组成波群,此波群中包括爬波、纵波、横波等,以及各波形在工件表面反射时相互转换所产生的变型波。
爬波系超声波以纵波临界角入射时所产生的一种波式,或称之为沿着次表面行进的纵波,不受表面污垢或耦合剂的影响。单就爬波而言,无法满足无应力表面之边界条件,换言之,必同时存在其它的波式始能满足边界条件,因此当爬波前进时,会连续泄漏能量转换为横波,此称为头波。
图1 探头在临界角时所产生的爬波和头波示意图,由限定尺寸的探头所产生。
(C)为爬波,(H)为头波,(P)为纵波,(S)为横波
由图1可以看到,导波波群中包括有爬波、头波、纵波、横波等多种型式的波形,由于头波和爬波的伴生关系,二者在工件内部共同存在。由发射探头所送出之声波脉冲引起爬波之生成,爬波遂沿着表面前进,同时沿途泄漏出能量转换成头波;接收端接收到一连串的脉冲信号。
图2 导波信号中所包含的信号
如图2所示,第一个信号系由原始爬波直接到达接收端,紧接着的信号是头波经过一个跨距后续以爬波的形式到达接收端,接下来是头波经过两个跨距后续以爬波的形式到达接收端,依序得到各个信号;对于信号群前面部份出现较密集的现象所提出的解释是,因探头除了产生爬波之外,亦含有其它的波型式,这些波型式复合在爬波的信号之中。
第一次爬波/头波叠加在一起仍一般相当微弱,然而显得大的波大多是直接到达接收探头,在信号的前半部分第一次爬波/头波与第一次少数头波/爬波叠加,信号的峰值比较紧密(图2)。由于头波是非扩散的波阵面,因此头波传播时衰减比较小在信号的 1
后半部分的显示信号比较高。
因此对于远距离检测时,主要利用头波型式对缺陷进行识别,且由于头波路径具有一定的角度,因此对工件表面裂纹、腐蚀等缺陷都有比较好的检测效果。
导波信号在工件中也会存在衰减,主要受距离、表面形状、材料晶粒度的影响较大,其受距离影响与普通超声波原理类似,由于波束的扩散会损失部分声能量,波群中的各波形之间的转换也会损失部分能量;其次,由于波群中的一些波的信号多次在工件表面反射,工件表面的耦合状况和平整度也会损失部分声能量;第三,材料晶粒也会由于漫反射而损失部分声能量。在不同工件的传播,导波信号的衰减特性也不相同,典型的波幅—距离曲线如图 :
波幅
距离
图3 导波DAC曲线
导波检测仪器可选择OminScan和Isonic2007,导波探头由于制造商家的专利技术,具体规格参数不可知,我们根据试验选择编号为S0007的探头进行检测,检测对象为304材质的封头(无介质),厚度14mm,封头拼缝已经磨平。图中纵坐标为检测距离,横坐标为探头平行移动位置。
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焊缝
图4 焊缝对导波的衰减
即使余高完全磨平的焊缝,由于晶粒组织的粗大,在导波经过时也会产生明显的衰减,如图4所示,在距离探头1200mm处可以明显看到焊缝的影像,如果焊缝余高的存在,导波能量的衰减会更加明显。
光滑表面
图5 带防腐层的表面与光滑表面导波衰减
导波在板材上下表面多次反射,由于防腐层的存在,导波部分能量进入防腐层被衰减,在图5所示的光滑表面区域(水平650~750mm),其表面防腐层被清除干净,导波能量在板材表面衰减较少,因而可以传播更远,检测距离更长。
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焊缝 光滑表面
图6 同时存在一处焊缝和一处光滑表面区域
在图6中同时存在一处焊缝和一处光滑表面区域,由于焊缝位置距离探头较近,因此波幅相对较高,导波经过焊缝后衰减较大(焊缝后面的能量较低)。
二、导波检测的特点
导波检测是目前国际上正在大力发展的一项无损检测技术,其属于超声波检测的一种应用。导波检测技术具有检测速度快、检测结果直观、应用范围广等特点,可在管道、容器、储罐等特种设备行业有着巨大的应用前景。使用高频导波技术时,需使用专用探头,探头发出超声组波,其波宽和基本波长与被测板壁厚有关,组波在被测表面之间发生干扰。导波在传播过程中,充满整个被检工件,如果有凹坑及腐蚀缺陷,将产生相应回波,并传给探头。导波检测其特点包括:
1) 高频导波技术在容器任一表面可以得到双面的检测结果,包括板材内部。
2) 对于平板状工件的导波检测,一般检测区域为1~2m扇形或长方形区域,工件厚度一般为薄板至中厚板以下范围,灵敏度最高可以检测1%T的线状缺陷。
3) 高频导波对在役容器的检测,可以快速发现板材内表面腐蚀坑、裂纹等缺陷。
4) 检测速度快,最高可达0.5m2/s。
5) 高频导波技术不但具有常规超声检测技术的高灵敏度,而且导波技术的大面积快速扫查的特点,但是在导波检测中由于不能区分缺陷的深度信息,也不能区分缺陷位于工件的上表面或是下表面,因此需要通过宏观或表面检测、超声检测等方法进行确定缺陷在壁厚方向的实际位置。
6) 导波具有快速、大面积、高灵敏度检测的特点,但一般针对表面平整的板材进行检测,导波扫查方式根据工件表面条件和被检对象特征,可分为平行扫查和扇形扫查两种,如下图。
4
1
2
扫查方向
旋转扫查
图7 导波扫查方式:平行扫查和扇形扫查
试块边缘
1mm深缺陷
图8 试块中1mm深槽的图像
图8是厚度为36mm的16MnR试块,在距探头1米处的一端加工有50mm长1mm深的切割槽,如图8所示,缺陷信号信噪比达10dB以上。
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图9
图9是厚度20mm的锆材封头,导波检测时所发现的缺陷信号和实际裂纹。
0.5mm深槽
1mm深槽
2mm深槽
图10
图10是厚度为14mm的不锈钢试块,规格为1200×200mm,在其不同位置加工有0.5~2mm的切割槽,0.5mm深切割槽的信噪比达8dB左右,1mm深切割槽的信噪比达12dB左右。
四、结论
高频导波技术是目前检测在役板材缺陷比较有效的检测方法,探头可以有效发现距离至少1米远处的线性缺陷和腐蚀坑缺陷,因此在容器不开罐条件下,通过高频导波检测技术可以快速地对板材进行检测,可以有效地发现罐板1mm以上腐蚀坑或线性缺陷。
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