張子健 ，吳家喜，陳旭杰，陸建平，柴軍輝，2 ，張小龍， 胡 健

(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司,寧波 315048 ； 2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,寧波 315048)

承壓類特種設(shè)備在使用過程中，由于所儲(chǔ)存介質(zhì)的特性特殊，極有可能發(fā)生環(huán)境開裂，較為常見的環(huán)境開裂有氯化物應(yīng)力腐蝕開裂、濕硫化氫破壞中的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂等。環(huán)境開裂在內(nèi)外表面均有可能發(fā)生，傳統(tǒng)的裂紋檢測方式技術(shù)較為成熟，但同時(shí)存在一定的局限性。例如射線檢測的靈敏度受裂紋走向的影響較大，磁粉檢測對(duì)于大面積母材裂紋的檢測效率較低，渦流方法檢測表面裂紋還未廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備領(lǐng)域。高頻導(dǎo)波通過探頭在一定直線范圍內(nèi)的移動(dòng)，可對(duì)探頭前方一定范圍內(nèi)的母材內(nèi)外表面進(jìn)行檢測，檢測效率高，現(xiàn)場適用性好，且具有較高的檢測靈敏度及定位精度。相比其他缺陷，高頻導(dǎo)波檢測技術(shù)對(duì)于裂紋這類面狀缺陷的檢測靈敏度較高，可在一定程度上彌補(bǔ)常規(guī)裂紋檢測技術(shù)的局限性，在大面積快速檢測母材裂紋方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。

1 高頻導(dǎo)波檢測原理

1.1 基本原理

導(dǎo)波是聲波在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播時(shí)，與介質(zhì)邊界不斷發(fā)生反射、折射以及波型轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的一種特殊的聲波，比較常見的有蘭姆波、瑞利波等。板中傳播的超聲導(dǎo)波被稱為蘭姆波。蘭姆波是在自由板中產(chǎn)生的平面應(yīng)變波，在板的邊界上來回反射并向前傳播，文章中檢測所用的高頻導(dǎo)波即為超聲蘭姆波[2]。

超聲蘭姆波是厚度與激勵(lì)聲波波長為相同數(shù)量級(jí)的一種特殊形式的應(yīng)力波。超聲蘭姆波在板中傳播時(shí)，聲場遍及整個(gè)板厚，具有一定的傳播距離且衰減小，檢測時(shí)僅從一個(gè)探測點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)板件的大面積長距離檢測。蘭姆波在板中傳播遇到缺陷時(shí)會(huì)有部分波發(fā)生反射和散射。檢測時(shí)，由于缺陷對(duì)蘭姆波傳播的阻礙作用，探頭最終接收到的板端邊界反射波信號(hào)能量比沒有缺陷時(shí)小，邊界反射波的幅值變小。缺陷反射波被接收后會(huì)在波形上出現(xiàn)一個(gè)小波峰，與沒有缺陷時(shí)相比，波形發(fā)生較大畸變。通過波形對(duì)比，如果邊界反射波與始波之間出現(xiàn)波峰就可判斷接收探頭與反射邊界之間存在缺陷，根據(jù)反射波包的衰減程度和出現(xiàn)位置就可以判斷缺陷的大小和具體位置。

1.2 導(dǎo)波的速度

群速度和相速度是導(dǎo)波的主要參數(shù)。其中群速度是指一束頻率相近的波群的前進(jìn)速度，也是導(dǎo)波能量的傳遞速度；相速度是指導(dǎo)波的相位速度，即導(dǎo)波的某一恒定相位點(diǎn)的前進(jìn)速度，二者的計(jì)算表達(dá)式分別為

Cg=dω/dk

(1)

Cp=ω/k

(2)

式中：k為導(dǎo)波波矢；ω為圓(角)頻率；Cg為群速度；Cp為相速度。

群速度與相速度的大小關(guān)系，存在以下3種情況：① 當(dāng)Cp>Cg時(shí)，為正常頻散情況，發(fā)生在波群后面，向前移行，而后消失；② 當(dāng)Cp=Cg時(shí)，無頻散現(xiàn)象；③ 當(dāng)Cp

1.3 導(dǎo)波的頻散

導(dǎo)波在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播時(shí)存在多個(gè)模態(tài)，由于不同波成分的相速度不同，波群的形態(tài)在傳播過程中會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)波的能量分布也會(huì)隨之改變，這種現(xiàn)象就稱為頻散現(xiàn)象。具體到蘭姆波主要表現(xiàn)為相速度和群速度隨頻率和板厚的變化而呈現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系，頻率不同則波速不同；相同頻率，若模態(tài)不同，則波速也不相同。

根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)，蘭姆波可分為對(duì)稱型(S型)和反對(duì)稱型(A型)，每種類型又可根據(jù)不同的相速度分為若干模態(tài)，通常以S0，S1，S2等和A0，A1，A2等表示不同類型和階次(即模態(tài))，頻散現(xiàn)象的存在通常會(huì)造成導(dǎo)波信號(hào)的頻率混疊或波包數(shù)量增多，導(dǎo)致無法區(qū)分各波包的性質(zhì)，增加了損傷信號(hào)分析的難度[3]。

2 對(duì)比試板檢測

2.1 對(duì)比試板的設(shè)計(jì)與加工

針對(duì)試驗(yàn)所需檢測的裂紋設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試板，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮高頻導(dǎo)波可檢測的最大距離和最小缺陷尺寸，試板材料為Q235A；試板長度為1 300 mm,寬度為520 mm；厚度為25 mm；試板上加工6個(gè)寬度為1 mm的矩形槽(正面3個(gè)，反面3個(gè))，深度分別為0.5，1，2，3，4，5 mm；試板的粗糙度Ra為6.3 μm。高頻導(dǎo)波試板尺寸如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 加工的檢測試板尺寸示意

表1 加工的試板缺陷參數(shù)

2.2 檢測設(shè)備與檢測工藝

檢測設(shè)備為以色列ISONIC 2009型高頻導(dǎo)波檢測儀;探頭為S544008型導(dǎo)波專用平面探頭，該探頭檢測厚度適用范圍為16～30 mm。相關(guān)檢測參數(shù)設(shè)置如下：增益為78 dB；聲速為3 230 mm·s-1；顯示延時(shí)為10 μs；探頭延時(shí)為30 μs；重復(fù)頻率為500 Hz；檢測頻率為1 MHz；入射角為50°。

導(dǎo)波探頭的行程由編碼器控制，耦合劑為機(jī)油，為了研究同一檢測距離下，所能發(fā)現(xiàn)裂紋的最小深度，以及針對(duì)某一裂紋，所能檢出的最大距離，制定如下的掃查方案：① 針對(duì)深度為0.5～2 mm的缺陷采用正面橫向掃查，對(duì)于深度為3～5 mm的缺陷采用反面橫向掃查；② 針對(duì)深度為1 mm的缺陷采用正面縱向掃查，對(duì)深度為5 mm的缺陷采用反面縱向掃查。兩種高頻導(dǎo)波掃查方式如圖2所示。

圖2 高頻導(dǎo)波的兩種掃查方式示意

2.3 檢測結(jié)果分析

根據(jù)所設(shè)置的檢測工藝進(jìn)行掃查，得到的檢測結(jié)果如圖3所示。對(duì)檢測圖譜中的缺陷尺寸進(jìn)行測量，其結(jié)果如表2所示。

圖3 試板缺陷的高頻導(dǎo)波掃查結(jié)果

表2 缺陷的高頻導(dǎo)波檢測結(jié)果

由圖3和表2可以看出，高頻導(dǎo)波對(duì)于母材內(nèi)外表面裂紋缺陷具有較高的檢出率，且信噪比較高，在縱向距離測量方面，具有較高精度。對(duì)于寬度測量，尺寸越大的缺陷，測量精度越高；正反面檢測因素對(duì)于缺陷檢出率和測量精度影響較小。對(duì)于縱向檢測，缺陷越小，可檢出的距離越小，正反面檢測因素對(duì)于可檢出距離影響較小，所測得的最大檢測距離與橫向檢測結(jié)果較為吻合?；谝陨蠋c(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，高頻導(dǎo)波對(duì)于承壓設(shè)備母材裂紋的檢測主要是對(duì)于縱向距離的測量，缺陷大小與回波沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際檢測時(shí)可靠度較低，需要采用其他方法對(duì)所定位的缺陷進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，如采用滲透、磁粉、相控陣超聲等方法。其次由于內(nèi)外表面檢測靈敏度差異較小，故可在設(shè)備外表面進(jìn)行掃查，來檢測內(nèi)表面母材裂紋缺陷。

3 結(jié)語

(1) 高頻導(dǎo)波對(duì)于承壓設(shè)備環(huán)境開裂所致的裂紋具有較高的檢出率，內(nèi)外表面檢測靈敏度差異較小，可實(shí)現(xiàn)在線檢測。

(2) 高頻導(dǎo)波檢測應(yīng)用于母材裂紋檢測時(shí)，具有檢測效率高，一次性掃查面積大等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)未拆除包覆層部分進(jìn)行檢測。

(3) 現(xiàn)場檢測應(yīng)結(jié)合高頻導(dǎo)波粗掃和其余檢測方法復(fù)驗(yàn)的方法進(jìn)行，防止缺陷的漏判與誤判。

(4) 高頻導(dǎo)波技術(shù)對(duì)于深度為0.5～2 mm的小尺寸裂紋，最大檢測距離為600 mm；對(duì)于深度為3～5 mm的大尺寸裂紋，最大檢測距離為1 000 mm。