王偉軍

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

電廠設(shè)備的大部分零件長(zhǎng)期處于高壓、高溫、蒸汽介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕、蠕變、氫蝕、疲勞等引起的老化問(wèn)題較為突出。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修、壽命評(píng)估等方面，超聲技術(shù)是目前最常用、使用最廣的一種方法。超聲技術(shù)在薄管到厚管、表面到內(nèi)部的缺陷檢測(cè)中具有快速、現(xiàn)場(chǎng)檢查、分析方便、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)。超聲檢測(cè)材料的缺陷檢測(cè)，超聲信號(hào)通常很弱，變化也很小。為了精確地捕獲和分析這些微小的信號(hào)，需要高性能的測(cè)量系統(tǒng)。

1 影響超聲波探傷法所存在的因素

超聲檢測(cè)影響因素主要有定位和定量分析兩方面。

1.1 定位因素

1.1.1 波束方向發(fā)生偏離

若波速與探測(cè)器指定輻照方向不符，則會(huì)造成測(cè)距精度偏差。產(chǎn)生誤差原因有探頭質(zhì)量問(wèn)題、被檢對(duì)象狀況、被檢物體材料、受檢對(duì)象內(nèi)應(yīng)力、被檢表面形狀、被檢物品邊界環(huán)境、工作溫度、斜楔底表面磨損等。在檢測(cè)過(guò)程中，被檢對(duì)象狀態(tài)主要是由于檢測(cè)結(jié)果粗糙，會(huì)造成探針與其之間接觸不良，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤。由于被檢物體材料不同，在超聲波探傷中，由于材料不同，會(huì)造成不同結(jié)果。被測(cè)物體內(nèi)應(yīng)力也是造成測(cè)量誤差一個(gè)因素，當(dāng)物體內(nèi)部有很大內(nèi)應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起超聲速度和方向變化，從而產(chǎn)生偏差。如果不能準(zhǔn)確地掌握探針，會(huì)使探針表面形狀發(fā)生變化，使超聲波速方向發(fā)生變化，從而引起測(cè)量誤差。在被測(cè)物體邊緣處，有可能出現(xiàn)側(cè)壁干擾，引起超聲場(chǎng)壓力改變，從而造成定位精度偏差。工作環(huán)境差異對(duì)測(cè)量精度影響也很大，在介質(zhì)變換時(shí)，超聲波傳播速度會(huì)發(fā)生變化，從而影響到定位波速。斜楔底部磨損是由于長(zhǎng)時(shí)間使用探針不能及時(shí)替換，造成斜楔厚度和形狀變化，使波速出現(xiàn)偏差。

1.1.2 數(shù)據(jù)讀取不準(zhǔn)

在進(jìn)行缺陷定位時(shí)，若用基準(zhǔn)法測(cè)量出缺陷水平與縱向距離，則會(huì)有一定誤差，從而造成定位上錯(cuò)誤。其中，視差是造成測(cè)量誤差重要因素之一。

1.1.3 儀器的性能存在缺陷

如果測(cè)量水平線不準(zhǔn)確，就會(huì)造成測(cè)量結(jié)果偏差。在設(shè)備調(diào)試中，如果不正確校正，也會(huì)造成錯(cuò)誤。

1.2 定量因素

1.2.1 性能影響因素

影響測(cè)量精度因素主要包括儀表和探測(cè)器，其性能好壞直接影響計(jì)量準(zhǔn)確率。不管是儀器縱向直線度、衰減器精度、頻率、折射角、探針形狀，或者晶圓大小，都會(huì)對(duì)回波高度產(chǎn)生直接影響。因此，在超聲波探傷中，首先，應(yīng)選用合適設(shè)備和探頭；其次，要注意頻率、晶片大小、探頭形狀、折射角度等。

1.2.2 耦合與衰減的影響

在超聲檢測(cè)中，當(dāng)回波參數(shù)較高時(shí)，其耦合介質(zhì)超聲阻抗性能和耦合層厚度都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象和儀表耦合狀況有差別時(shí)，應(yīng)引起重視，這會(huì)造成計(jì)量準(zhǔn)確率偏差。首先，若被測(cè)對(duì)象表面有粗糙或不均勻狀況，也會(huì)導(dǎo)致耦合不良。其次，要注意介質(zhì)衰減，如在測(cè)量精度較高或工作量較大時(shí)，應(yīng)測(cè)量衰減所需系數(shù)，在計(jì)算時(shí)要考慮衰減問(wèn)題，以減少因衰減而產(chǎn)生誤差。

1.2.3 缺陷的影響導(dǎo)致誤差

在超聲波檢測(cè)時(shí)，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，其缺陷形狀具有非恒定性和多樣性，若不能準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)，很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。在缺陷位置上，也有可能會(huì)有錯(cuò)誤，在現(xiàn)實(shí)中，超聲入射方向并不一定與缺陷位置保持一致，這就會(huì)造成錯(cuò)誤。

2 超聲波探傷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷

2.1 機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

利用激光超聲波探傷技術(shù)在同一部位通過(guò)測(cè)量物體表面位移或振動(dòng)速度，使物體表面成為傳感器，無(wú)論激光在被測(cè)物體法線方向上進(jìn)入，都不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。激光作用于機(jī)械裝置表面使其產(chǎn)生高能量脈沖激光，受輻射區(qū)溫度升高使其局部熱膨脹形成局部應(yīng)變，當(dāng)激光功率密度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)超聲會(huì)被激發(fā)，而當(dāng)超聲波在機(jī)械裝置中發(fā)生故障時(shí)會(huì)被反射到機(jī)器表面。連續(xù)激光光束照射到機(jī)械裝置表面，因超聲波在機(jī)械裝置中傳播，包括缺陷導(dǎo)致超聲波回波傳播，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械裝置表面微介質(zhì)振動(dòng)，而連續(xù)激光反射光束會(huì)產(chǎn)生多普勒頻率影響，所以它反射光束含有超聲波信息，可以利用光學(xué)干涉技術(shù)對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，以獲取在機(jī)器中傳輸超聲波信息，達(dá)到對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行超聲波監(jiān)測(cè)目的。

2.2 故障診斷

系統(tǒng)由激光超聲波發(fā)生裝置激光接收裝置以及控制和信號(hào)處理三部分組成。激光超聲監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備故障系統(tǒng)方框圖，采用激光超聲波發(fā)生器對(duì)激光選定脈沖Nd:YAG激光器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。激光光束由光纖傳輸?shù)奖O(jiān)視器，二者相隔不能超過(guò)400mm，實(shí)際工作中，由于探測(cè)區(qū)域外部環(huán)境較差，所以使用光纖可以使激光發(fā)生器處于較為清潔、易于控制的環(huán)境中。

2.2.1 激光超聲波接收裝置

利用干涉技術(shù)，將激光在物體表面進(jìn)行反射或散射，從而達(dá)到探測(cè)超聲波目的。為得到相位信息，必須把連續(xù)光束和干涉光束進(jìn)行重疊。在干涉測(cè)量中，信號(hào)光束在輸出端相位差會(huì)被轉(zhuǎn)換為幅度改變，這種改變可以用低噪聲探測(cè)和模擬放大器進(jìn)行記錄。構(gòu)成這一部分主要設(shè)備是連續(xù)激光源（例如，光干涉計(jì)），在這種情況下，需要連續(xù)激光發(fā)射頻率與探測(cè)用脈沖激光頻率有很大不同，連續(xù)激光是單一，并且波長(zhǎng)是完全一致。

2.2.2 控制和信號(hào)處理

控制與信號(hào)處理部主要包括一臺(tái)存儲(chǔ)式示波器光電變換電路（電腦和顯示器）。其中光電監(jiān)測(cè)電路是以光電技術(shù)為核心，通過(guò)傳輸、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算、顯示、光電監(jiān)測(cè)電路為基礎(chǔ)。由于光監(jiān)測(cè)器接收到訊號(hào)很弱，且訊號(hào)經(jīng)常被噪聲所掩蔽，所以要處理這種訊號(hào)必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理，才能把訊號(hào)中訊號(hào)放大至訊號(hào)所需訊號(hào)。利用不銹鋼薄板、無(wú)縫鋼管等材料，對(duì)超聲波回波進(jìn)行分析。用超聲波回波測(cè)量不銹鋼薄片厚度。鋼板樣品厚度為2.75mm。相鄰超聲波回波脈沖之間間距約為△=0.85微秒，而樣品厚度是相鄰波峰脈沖之間超聲波傳播距離，而在不銹鋼板上以橫向波形式傳播，以V=3230m/s速度，不銹鋼板厚度為T=2.74mm，誤差率為8=0T/T=0.36%無(wú)縫鋼管超聲波監(jiān)測(cè)波形，見圖7。在無(wú)縫鋼管試樣上開矩形槽切口，其缺陷寬度為3mm，缺陷深度為1mm。通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)可以很好地反映出無(wú)縫鋼管缺陷。

2.3 新型技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

傳統(tǒng)故障診斷算法采用基于符號(hào)流推理技術(shù)進(jìn)行專家系統(tǒng)研究，然而，在專家系統(tǒng)中知識(shí)邏輯獲得難度較大同時(shí)還存在部分難以克服的困難及難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果。與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，它適應(yīng)性強(qiáng)、容錯(cuò)能力強(qiáng)、并行運(yùn)算能力強(qiáng)，能夠處理大量數(shù)據(jù)，因此，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性模式識(shí)別問(wèn)題處理，就成為有效方法。

2.3.2 脈沖反射法

脈沖反射法是將超聲波信號(hào)通過(guò)探測(cè)物體內(nèi)部，再通過(guò)反射方式探測(cè)出物體表面缺陷。脈沖反射法是常見缺陷回聲方法，利用示波器所顯示缺陷波形來(lái)進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)方法，它的基本測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 沖反射示意圖

從圖1可以看出，在樣品正常情況下，超聲可以平穩(wěn)地傳遞到下表面，而示波器中僅顯示出兩種信號(hào)。如樣品中有瑕疵，在下表面回波之前，示波器下表面回波有缺陷見圖1。在這種監(jiān)測(cè)中，一般在示波器上存在表面波B，底面回波D，缺陷F，以及其它因素造成無(wú)缺陷回波，從而影響對(duì)故障正確判別。在這種情況下，必須利用超聲波反射、折射、波形變換等原理對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)校正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

2.3.3 TOFD法

TOFD法指焊縫缺陷監(jiān)測(cè)中通過(guò)測(cè)量缺陷上下兩端繞射波傳播時(shí)延差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷定位和定量分析。因此，從另一方面來(lái)說(shuō)，用缺陷上下兩端衍射波時(shí)間差異來(lái)進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，通常被稱作TOFD。TOFD法是近年來(lái)國(guó)外許多工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用先進(jìn)技術(shù)，尤其是在信息技術(shù)飛速發(fā)展今天，TOFD法得到迅猛發(fā)展。利用TOFD法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)試。它探測(cè)前端設(shè)備（掃描和探針）可做得很小，不僅能在焊接時(shí)候?qū)ぜM(jìn)行監(jiān)測(cè)，且還能在使用中進(jìn)行檢驗(yàn)為工業(yè)應(yīng)用提供便利。另外，這種方法具有良好重現(xiàn)性可對(duì)缺陷發(fā)育進(jìn)行監(jiān)控。但在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，TOFD方法在樣品上下都有探測(cè)盲區(qū)，并且當(dāng)缺陷高度傾斜時(shí)，縱向掃描難以探測(cè)到。因此，在實(shí)際檢驗(yàn)中TOFD法往往與其他無(wú)損技術(shù)相結(jié)合，以確保檢驗(yàn)精度與精度，例如，與脈沖反射法結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷監(jiān)測(cè)。目前TOFD法主要規(guī)范有英國(guó)BS7706和歐洲ENV583-6兩種。其監(jiān)測(cè)原理見圖2。

圖2 TOFD探傷原理圖

從圖2可以看出，具有相同頻率、角度和大小發(fā)射探測(cè)器和接收探測(cè)器以相等間隔布置在焊縫兩側(cè)，發(fā)射探測(cè)器發(fā)出超聲波在樣品中傳播，并通過(guò)缺陷末端衍射波來(lái)監(jiān)測(cè)缺陷本身高度。在無(wú)缺陷處只會(huì)產(chǎn)生橫向和底部反射波形，而在缺陷處也會(huì)產(chǎn)生繞射波。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)曲線上各信號(hào)滯后，可以獲得缺陷深度和高度。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以超聲波探傷技術(shù)的發(fā)展及在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷中的應(yīng)用為研究方向，旨在為我國(guó)超聲波探傷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與幫助。